Лабораторная работа № 1

Полупроводниковые диоды

Цель работы: изучить принцип действия и исследовать характеристики полупроводникового диода.

Задание к работе:

К работе допущен:

Работу выполнил:

Работу защитил:

Выполнил студент гр. РС-109

Калабашкин Д.А.

Теоретическое введение

Полупроводниковый диод – это полупроводниковый прибор с одним или несколькими электронно-дырочным (р-п) переходам, разделяющим р- и п- области кристалла полупроводника и двумя выводами (рис. 1.1). Одна из полупроводниковых областей кристалла, имеющая более высокую концентрацию примесей (следовательно, и основных носителей заряда), называется эмиттером, а другая, с меньшей концентрацией – базой.

Рис. 1.1. Условное обозначение полупроводникового диода (а) и

его структура (б)

Принцип работы полупроводникового диода. Предположим, что внешнее напряжение на выводах отсутствует. Тогда свободные электроны п- области стремятся в р- область, аналогично, дырки из р- области диффундируют в п- область и возникает диффузионный ток. Электроны и дырки, пройдя границу раздела р- и п- областей, оставляют противоположные заряды, которые создают внутреннее электрическое поле с напряженностью Е_зар, препятствующей дальнейшей диффузии основных носителей заряда. В результате возникает так называемый «потенциальный барьер», а диффузия практически прекращается, так как энергия носителей заряда недостаточна для преодоления потенциального барьера. При подключении к выводам диода внешнего напряжения¹, которое создаст в р-п- переходе поле, векторы напряженности которого совпадают с Е_зар, высота потенциального барьера увеличивается и, как следствие, диффузионный ток стремится к нулю. Если полярность прикладываемого напряжения изменить², то создаваемое им электрическое поле будет компенсировать действие внутреннего поля, уменьшая этим высоту потенциального барьера. В результате, по мере возрастания напряжения, в область базы будет вводиться все большее количество дырок, которые и образуют прямой ток диода I_пр (рис. 1.2, а).

Рис. 1.2. Статическая вольт-амперная характеристика диода идеального (а) и реального диода (б); 1 – ВАХ при комнатной температуре t₁;

2 – Вах при температуре t₂< t₁

Все полупроводниковые диоды принято подразделять на две группы: выпрямительные, предназначенные для выпрямления переменного тока, и специальные. Конструктивно выпрямительные диоды делятся на плоскостные и точечные, а по технологии изготовления – на сплавные, диффузионные и эпитаксиальные. В зависимости от частоты и формы переменного напряжения выпрямительные диоды подразделяются на высокочастотные (максимально допустимая частота входного напряжения f_max > 10³ Гц), низкочастотные (f_max < 10³ Гц) и импульсные. По мощности выпрямительные диоды классифицируют на маломощные (максимально за период входного напряжения среднее значение прямого тока диода I_{пр ср max} ≤ 0,3 А), средней мощности (0,3 А < I_{пр ср max} ≤ 10 А) и большой мощности (I_{пр ср max} > 10 А).

Выпрямительные диоды большой мощности называются силовыми. Силовые диоды характеризуются рядом статических и динамических параметров. К статическим параметрам диода относятся: падение напряжения на диоде при заданном прямом токе U_пр; среднее значение прямого тока I_пр; допустимое обратное напряжение U_обр и соответствующий ему обратный ток I_обр. Статические параметры удобно определять по вольт-амперной характеристике диода (рис. 1.2, б)

Вольт-амперная характеристика (ВАХ) диода описывается выражением

, (1.1)

где I₀ – тепловой ток; U_д – напряжение на p-n переходе; φ_т = kT/q – тепловой потенциал, равный контактной разности потенциалов на границе p-n перехода при отсутствии внешнего напряжения (при Т = 300 К, φ_т = 0,025 В); k – постоянная Больцмана; Т – абсолютная температура; q – заряд электрона.

При отрицательных напряжениях порядка 0,1 ...0,2 В экспоненциальной составляющей, по сравнению с единицей, можно пренебрегать (e^-4 ≈ 0,02), при положительных напряжениях, превышающих 0,1 В, можно пренебрегать единицей (е⁴ ≈ 54,6), поэтому ВАХ, описываемая этими выражениями, будет иметь вид, приведенный на рис. 1.2, а. По мере возрастания положительного напряжения на p-n переходе прямой ток диода резко возрастает. Поэтому незначительное изменение прямого напряжения приводит к значительному изменению тока, что затрудняет задание требуемого значения прямого тока с помощью напряжения. Вот почему для p-n переходов характерен режим заданного прямого тока.

Реальный p-n переход не является бесконечно тонким и поэтому при обратном напряжении происходит генерация пар электрон-дырка. ВАХ реального диода приведена на рис. 1.2, б (кривая 1). Видно, что при определенном значении обратного напряжения U_обр = U_проб начинается лавинообразный процесс нарастания обратного тока I_обр, соответствующий электрическому пробою p-n перехода (рис. 1.2, б, отрезок АВ). Если в этот момент ток не ограничить, то электрический пробой переходит в тепловой (рис. 1.2, б, участок ВАХ, после точки В). Электрический пробой обратим, т.е. после уменьшения напряжения U_обр работа диода соответствует пологому участку обратной ветви ВАХ. Тепловой пробой необратим, так как разрушает p-n переход. Прямая ветвь ВАХ реального диода (рис. 1.2, б) также отличается от ВАХ идеального p-n перехода. Это вызвано влиянием объемного сопротивления базы диода при больших уровнях инжекции³. Прямой ток диода также зависит от температуры окружающей среды, возрастая с ее повышением (рис. 1.2, б кривая 2). Для оценки температурной зависимости прямой ветви ВАХ диода служит температурный коэффициент напряжения К^-1:

, (1.2)

где ∆Т и ∆U – конечные приращения температуры и напряжения вблизи рабочей точки.

ВАХ позволяет также определить статическое и дифференциальное (динамическое) сопротивления диода. Дифференциальное сопротивление (r_д) численно равно отношению бесконечно малого приращения напряжения ∆U к соответствующему приращению тока ∆I в заданном режиме работы диода и может быть определен графически с помощью угла между касательной в рассматриваемой рабочей точке ВАХ и осью абсцисс (рис. 1.2, б угол β):

, (1.3)

где m_U, m_I – масштабы осей напряжения и тока.

Статическое сопротивление R_ст численно равно отношению напряжения на элементе U_E к протекающему через него току I_E и может быть определено графически через угол наклона прямой, проведенной из начала координат через заданную рабочую точку ВАХ к оси абсцисс (рис. 1.2, б угол α):

. (1.4)

При работе на высоких частотах и в импульсных режимах начинает играть роль емкость диода С_д, измеряемая между выводами диода при заданных значениях напряжения и частоты. Эта емкость включает емкость перехода С_пер, образованную диффузионной С_диф⁴, зарядной (барьерной) С_зар⁵ емкостями, и емкостью С_к корпуса диода. Полупроводниковый диод, действие которого основано на использовании зависимости зарядной емкости С_зар от значения приложенного напряжения, называется варикап. Условное графическое обозначение варикапа приведено в прил. 1. Значение емкости диода определяется режимом его работы, действительно, при прямом напряжении С_д = С_диф + С_к, при обратном – С_д = С_зар + С_к, это позволяет применять варикап в качестве элемента с электрически управляемой емкостью.

Рис. 1.3. Вольт-фарадная характеристика варикапа

Основной характеристикой варикапа служит вольт-фарадная характеристика (рис. 1.3) – зависимость емкости варикапа от величины приложенного обратного напряжения. Теоретическое значение емкости варикапа можно определить как:

,

где С₀ – начальная емкость варикапа при U_в = 0 В; U_в – напряжение на варикапе; ψ_к – контактная разность потенциалов.

Основными параметрами варикапа являются: емкость С_в⁶, добротность и коэффициент перекрытия по емкости, равный⁷

, (1.5)

где С_max, C_min – емкости варикапа максимальная и минимальная соответственно (Кс = 2 ... 20).

Эквивалентная схема варикапа приведена на рис. 1.4. Видно, что полное сопротивление варикапа определяется как:

Рис. 1.4. Эквивалентная схема замещения варикапа: R_ш– сопротивления

перехода и шунтирующих его утечек, R_п – сопротивление материала

полупроводника, С – зарядная емкость С_зар

.

Видно, что реактивное сопротивление варикапа нелинейно, зависит от частоты, поэтому добротность варикапа, определяемая отношением его реактивного и активного сопротивлений, будет иметь максимум, который соответствует частоте

. (1.6)

Для варикапов, изготовленных из арсенида галлия, ω ~ 1кГц, а для кремниевых – достигает 1 МГц. Зависимости емкости варикапа от приложенного к нему обратного напряжения и частотная зависимость его сопротивления позволяют широко использовать варикапы в различных резонансных контурах электронных схем модуляторов, генераторов и т.п.