Лабораторная работа № 1.

ВОЛЬТ-АМПЕРНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ, РАЗНОВИДНОСТИ И РАБОТА ЭЛЕКТРОННЫХ ПРИБОРОВ С ОДНИМ p-n ПЕРЕХОДОМ.

	дата	подпись
Допуск:
Выполнение:
Защита:

Теоретические сведения.

Диод – двухэлектродный элемент электрической цепи, обладающий односторонней проводимостью тока.

Полупроводниковая структура диода.

Полупроводниковый диод представляет собой кристалл полупроводника - германия (Ge) или кремния (Si) – одна из частей которого легирована увеличивающей концентрациию электронов в кристалле донорной примесью (n-область), а другая – уменьшающей концентрацию электронов в кристалле акцепторной примесью (p-область). Соответственно, электропроводность n-области полупроводника определяется, в основном, электронами, а p-области – дырками. Граница раздела p- и n- областей кристалла называется p-n переходом (рис. 1).

Односторонняя электрическая проводимость полупроводниковых диодов обусловлена свойствами p-n перехода.

Свойства p-n перехода.

Под действием разности концентрации электроны и дырки диффундируют через p-n переход (электроны – из n-области в p-область, дырки – из p-области в n-область) и рекомбинируют с носителями заряда противоположного знака. В результате, их концентрация в некотором слоя полупроводника, прелегающем к p-n переходу, понижается. Соответственно, в этом слое, в n-области полупрводника остается нескомпенсированный положительный заряд ионов донорной примеси, а в p-области полупроводника – нескомпенсированный отрицательный заряд ионов акцепторной примеси. Внутри такого двойного заряженного слоя (рис. 1) возникает электрическое поле, вектор напряженности которого (Е) направлен из n-области в p-область и препятствует прохождению основных носителей заряда через p-n переход. Вместе с тем, через p-n переход происходит дрейф неосновных носителей заряда: электронов p-области и дырок n-области.

Обратный, то есть включенный в обратном направлении (или закрытый), p-n переход обладает электрической емкостью. Эта емкость, называемая барьерной, зависит от диэлектрической проницаемости запирающего слоя, от площади и ширины p-n перехода и уменьшается с увеличением приложенного обратного напряжения.

Вольт-амперная характеристика и разновидности полупроводниковых диодов. Свойства p-n перехода обуславливают следующий вид вольт-амперной характеристики диода (рис.2).

Токи, протекающие через диод, при приложении к нему прямого и обратного (в отсутствии электрического пробоя) напряжений, различаются на 4-6 порядков, что позволяет говорить о его односторонней электрической проводимости. В обоих случаях возможный ток через диод определяется площадью p-n перехода. Падение напряжения на диоде при пропускании через него прямого тока составляет (0,3–0,6) В для германиевых и (0,8–1,2) В для кремниевых диодов.

В зависимости от назначения диоды подразделяются на:

1. выпрямительные диоды;

2. полупроводниковые стабилитроны;

3. варикапы;

4. импульсные диоды и так далее.

φ

Направление вектора напряженности поля двойного заряженного слоя

Диффузионное движение основных носителей заряда:

J др

электроны

n_P

J диф

электроны

x

Дрейфовое

движение неосновных носителей заряда:

дырки

дырки

Потенциальный барьер на границе p- и n-областей кристалла полупроводника

Е

P_n

Область двойного

заряженного слоя

Полярность

подключаемых напряжений при обратном включении

P_P

n_n

P-область

n-область

Полярность

подключаемых напряжений при прямом включении

– диффузионный ток

основных носителей

заряда

– дрейфовый ток неосновных носителей заряда

Рис. 1 Полупроводниковая структура диода и свойства p-n перехода

где Р_Р , n_n – основные носители: дырки и электроны; Р_n , n_p – неосновные носители: дырки и электроны; , – положительно заряженные донорные и отрицательно заряженные акцепторные ионы.

Пояснения к рис. 1.

• p-n переход в отсутствии внешнего напряжения: Jдиф. = Jдр;

• p-n переход при подаче прямого смещения:

Е внеш. Направлено против поля двойного заряженного слоя, φ уменьшается;

• Jдиф. > Jдр. – через диод течет прямой ток;

— p-n переход при подаче обратного смещения:

Е внеш. Совпадает по направлению с полем двойного заряженного слоя, φ возрастает;

• Jдиф. < Jдр. – через диод течет обратный ток

Условное графическое обозначение выпрямительного диода представленно на рис. 3. Эти диоды предназначены для выпрямления переменного тока.

Их основными параметрами являются:

• постоянное прямое напряжение Uпр, которое нормируется при определенном прямом токе Iпр;

• максимально допустимый прямой ток Iпр. max;

• обратный ток диода Iобр, который нормируется при определенном обратном напряжении Uобр;

• максимально допустимый обратное напряжение Uобр. max.