- •Лабораторный практикум по дисциплине «электронные приборы»
- •I. Цель работы
- •2. Теоретические сведения
- •В равновесном состоянии
- •При прямом смещении
- •При обратном смещении
- •3. Методика и схема эксперимента
- •4. Задание
- •5. Содержание отчета
- •6. Контрольные вопросы
- •1. Цель работы
- •2. Теоретические сведения
- •3. Методика эксперимента
- •4. Задание
- •7. Литература
- •1. Цель работы
- •2.Теоретические сведения
- •3. Методика и схема эксперимента
- •1.Цель работы
- •2. Теоретические сведения
- •3. Схема и методика эксперимента
- •4. Порядок работы
- •5. Содержание отчета
- •6. Контрольные вопросы
- •7. Литература
- •1. Цель работы
- •2. Теоретические сведения
- •3. Методика и схема эксперимента
- •4. Задание
- •4.1 Собрать схему эксперимента.
- •5.Содержание отчета
- •6. Контрольные вопросы
- •7. Литература
- •1.Цель работы
- •2.Теоретические сведения
- •3 . Методика эксперимента
- •4. Задание
- •5. Содержание отчета
- •6. Контрольные вопросы
- •7. Литература
- •1. Цель работы
- •2. Теоретические сведения
- •3. Методика эксперимента
- •4. Задание
- •Содержание отчета
- •Контрольные вопросы
- •7. Литература
- •Лабораторная работа №8
- •1. Цель работы:
- •2. Теоретические сведения
- •3. Методика эксперимента
- •4.Задание
- •5. Содержание отчета
- •6.Контрольные воросы
- •1. Цель работы
- •2. Теоретические сведения
- •5. Содержание отчета
- •6. Контрольные вопросы
- •1. Цель работы
- •2.Теоретические сведения.
- •3. Задание
- •4. Содержание отчета
- •5. Контрольные вопросы
- •6. Литература.
7. Литература
7.1. Вакулин И. М., Стафеев В. И. Физика полупроводниковых приборов, - 2-е изд. – М. : Радио и связь, 1990.
7.2. Полупроводниковые приборы: Учебник для вузов/ Н. М. Тугов, Б. А. Глебов, Н. А. Чарыков; Под ред. В. А. Лабунцова. М.: Энергоатомиздат, 1990.
7.3. Пасынков В. В., Чиркин Л. К. Полупроводниковые приборы. М.: Высш.шк., 1987.
7.4. Булычев А. Л., Прохоренко В. А. Электронные приборы: Учебн. пособие для вузов по спец. «Радиотехника». – Мн.: Высш.шк., 1987
7.5. Гусев В. Г., Гусев Г. М. Электроника. Издание второе. М: Высш.шк., 1991.
7.6. Степаненко И. П. Основы теории транзисторов и транзисторных схем. М.: Энергия 1977.
7.7. Справочник по полупроводниковым диодам/ Бородин Б. А. и др.; Под редакцией И. Ф. Николаевского. – М.: Связь, 1979.
7.8. Полупроводниковые приборы : Диоды, тиристоры, оптоэлектронные приборы. Справочник/ А. В. Баюков и др.; Под общ. ред. Н. Н. Горюнова. М.: Энергоиздат, 1982.
7.9. Транзисторы для аппаратуры широкого применения. Справочник/ К. М. Брежнев и др. Под ред. Б. Л. Перельмана. – М.: Радио и связь, 1981.
7.10.Галкин В. И., Прохоренко В. А. Полупроводниковые приборы: (диоды и транзисторы). – Мн.; Беларусь, 1979.
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА N3
ИССЛЕДОВАНИЕ ИМПУЛЬСНЫХ ДИОДОВ.
1. Цель работы
Целью работы являются исследование полупроводниковых диодов в импульсном режиме: включение диода, отключение диода и переключение на обратное напряжение, экспериментальное определение основных параметров импульсных диодов, ознакомление с их классификацией, изучение конструкции и принципа действия диодов Шоттки.
2.Теоретические сведения
При изменении напряжения на диоде и тока через диод соответствующим образом изменяются ширина р-n перехода и распределение подвижных зарядов (электронов и дырок) в приграничных к р-n переходу областях. При изменении тока (или напряжения) новое распределение зарядов устанавливается не мгновенно, а в течение определенного времени. Инерционные свойства полупроводниковых диодов характеризуется длительностью происходящих в них переходных процессов в импульсном режиме - при переходе из проводящего состояния в непроводящее и обратно.
Импульсные полупроводниковые диоды - это диоды, предназначенные для работы в импульсном режиме и имеющие малую длительность переходных процессов.
Переходные процессы в полупроводниковых диодах связаны с накоплением инжектированных зарядов в базе несимметричного р-n перехода при прямом смещении и их рассасыванием при переключении на обратное напряжение. Основные процессы при этом - диффузия и рекомбинация, которые протекают относительно медленно и влияют на процесс включения и выключения диода.
Кроме того, переходный процесс в диоде обусловлен перезарядом барьерной емкости обратносмещенного р-n перехода.При малых токах, перезаряжающих барьерную емкость (что характерно при переключении диода на обратное напряжение), процессперезаряда емкости через внешнее и внутреннее сопротивления может быть длительным, а это приводит к замедлению перехода диода из проводящего состояния в непроводящее.
Эквивалентная малосигнальная схема диода (рис.1) содержит:
Cбар - барьерная емкость р-n перехода,
rпер - дифференциальное сопротивление р-n перехода,
rБ - объемное сопротивление базы несимметричного перехода
Общее напряжение на диоде содержит две составляющие: напряжение на переходе Uпер и падение напряжения на rБ : UrБ = Iд·rБ. При достаточно больших прямых токах дифференциальное сопротивление rпер = φТ/Iпр мало, влияние емкости Cбар можно не учитывать. Переходные процессы в диоде обусловлены модуляцией (изменением) сопротивления rБ. При обратном включении диода из-за малости протекающих токов влияние rБ несущественно, определенную роль играют процессы рассасывания зарядов в базе и перезаряд Cбар.
Рис.1. Эквивалентная схема полупроводникового диода в режиме малого сигнала.
Рис.2. Временные диаграммы тока и напряжения на диоде при включении на прямой ток.
Рис.3. Распределение неосновных носителей заряда в базе при включении диода.
Рассмотрим процессы в полупроводниковом диоде при включении его на заданный прямой ток (рис.2). Такой режим характерен для большинства практических случаев, когда внешнее сопротивление значительно превышает сопротивление диода и ток через диод слабо зависит от напряжения на диоде. В исходном состоянии при t < t0 ток через диод отсутствует, напряжение на диоде равно нулю, концентрация неосновных носителей в базе равна равновесной Pn0 (рис.З). Характер переходного процесса различен для случаев низкого и высокого уровней инжекции, т.е. зависит от величины прямого тока. При малых токах в момент формирования импульса Iпр , напряжение на диоде увеличивается скачком на величину Iд·rБ, затем по мере заряда емкости постепенно возрастает до установившегося значения - график 1 на рис.2. На рис.З приведено распределение инжектированных через прямосмещенный р-n переход неосновных носителей в базе диода в различные моменты времени. Для времени t ≥ t3 напряжение на диоде и распределение Pn(x,t) можно считать установившимся. В течение переходного процесса граничная концентрация Pn(0,t) постепенно увеличивается от Pn0 до установившейся величины, что приводит к плавному увеличению напряжения на переходе. Вследствие постоянного тока градиент концентрации на границе с р-n переходом (значение производной функции Pn(x,t) координате в т. х=0) постоянен, так как полный ток Iпр обусловлен током диффузии инжектированных зарядов.
При высоком уровне инжекции, когда граничная концентрация неосновных зарядов больше концентрации основных: Pn(0)>nn0, характер переходного процесса качественно изменяется. По мере накопления зарядов в базе сопротивление и падение напряжения уменьшаются. Напряжение Uд имеет выброс, соответствующий начальному высокому значению сопротивления rБ, - график 2на рис.2. - и уменьшается до установившегося значения Uпр. Плавное увеличение напряжения Uпер за счет заряда емкости большим током Iпр при этом практически не влияет на суммарное напряжение Uд.
Максимальное прямое напряжение на диоде Uпр.и. при заданной амплитуде прямого тока называется импульсным прямым напряжением. Время tуст в течение которого прямое напряжение уменьшается от максимального до величины 1,2 от установившегося Uпр, называют временем установления прямого сопротивления (напряжения),
В режиме отключения прямой ток резко уменьшается до нуля, напряжение на диоде за счет накопленного заряда в базе в течение переходного процесса отличается от нуля. Временные диаграммы сигналов и графики Pn(x,t) приведены на рис.4 и 5.
В начальный момент времени t0 при отключении прямого тока напряжение на диоде уменьшается на величину Iпр·rБ. Уменьшение концентрации накопленных дырок в базе происходит за счет рекомбинации с электронами. В условиях отсутствия тока через р-n переход значение градиента концентрации на границе с переходом равно нулю, а функции Pn(x,t) при X=0 проходят горизонтально
Рис.4. Диаграммы тока и напряжения при отключении диода.
Рис.5. Распределение неосновных зарядов в базе при отключении диода.
Через время tрас процесс рассасывания накопленного заряда в базе заканчивается, концентрация дырок в базе становится равной равновесной, а напряжение уменьшается до нуля. Время рассасывания зависит от величины накопленного заряда и увеличивается с увеличением прямого тока. Скорость рассасывания определяется скоростью рекомбинации и для её увеличения необходимо уменьшать время жизни неосновных носителей заряда - дырок в n-базе или электронов в р-базе. Временная диаграмма напряжения на диоде при отключении прямого тока позволяет оценить время жизни неосновных носителей заряда. Для этого на линейном участке изменения напряжения Uпр измеряют время спада ∆t напряжения на величину ∆U и рассчитывают время жизни по формуле
Р=t·Т/∆U (1)
При переключении диода на обратное напряжение за счет накопления заряда в базе, диод в течение времени переходного процесса остается в проводящем состоянии. Через диод протекает импульсный обратный ток Iобр.и. , амплитуда которого может на несколько порядков превышать статический обратный ток, постоянно уменьшаясь до установившегося значения Iобр.уст..
Рис.6. Диаграммы тока и напряжения при переключении диода.
Этап рассасывания длится до тех пор, пока граничная концентрация неосновных носителей Pn(0,t) превышает равновесную Pn0. В течение этого этапа на диоде сохраняется малое напряжение. Длительность этапа рассасывания tp при переключении значительно меньше, чем при отключении диода, так как дырки уходят из базы через р-n переход. Скорость уменьшения концентрации дырок зависит от времени жизни и от величины импульсного обратного тока Iобр.и.. Величина импульсного обратного тока определяется сопротивлением внешнего резистора Rобр,а при его отсутствии – сопротивлением rБ диода.
(2)
На этапе рассасывания заряда при постоянстве Iобр градиент концентрации Pn(x,t) при x=0 сохраняется постоянным - гра- фики для t1 и t2 рис.7.
Рис.7. Распределение дырок в базе диода при переключении на обратное напряжение
После окончания этапа рассасывания граничная концентрация дырок становится меньше равновесной, градиент концентрации не может поддерживаться достаточно большим - графики для t3 и t4 , ток диода постоянно уменьшается до малого значения статического обратного тока Iобр.уст. Обратное сопротивление диода восстанавливается, а напряжение на диоде увеличивается до Uобр.. Установившееся напряжение на диоде Uобр практически равно напряжению источника сигнала, так как практически всегда падение напряжения на внешнем резисторе из-за протекания установившегося обратного тока пренебрежимо мало:
Uобр = Eобр - Rобр·Iобр.уст ≈ Eобр (3)
Скорость восстановления обратного напряжения на диоде в значительной степени определяется значением Rобр внешнего резистора и емкостью Cбар.
Интервал времени от момента прохождения тока через нуль после переключения диода с заданного прямого тока Iпр в состояние заданного обратного напряжения Uобр до момента достижения обратным током заданного низкого значения Iобр называется временем восстановления обратного сопротивления.
Длительность tвос зависит от длительности этапа рассасывания tp, который в свою очередь зависит от величины Iобр.и , т.е. от значения внешнего резистора Rобр . Поэтому часто в справочных данных приводят такой параметр импульсных диодов, как заряд переключения - часть накопленного заряда, вытекающего во внешнюю цепь при переключении с прямого тока на обратный.
Основные параметры импульсных диодов определяются процесса- ми накопления и рассасывания неравновесных концентраций зарядов, длительность которых пропорциональна времени жизни неосновных носителей заряда. Для уменьшения времени жизни примеси, играющие роль ловушек рекомбинации, например, золото. Уменьшение удельного сопротивления базы приводит к росту обратного тока диода и к уменьшению допустимого обратного напряжения.
Быстродействие мощных приборов снижается не только за счет роста накопленных зарядов (из-за протекания больших прямых токов) но и из-за роста Cбар за счет необходимости увеличения площади перехода.
Уменьшить влияние эффекта накопления неосновных носителейзаряда, и существенно повысить быстродействие позволяют импульсные диоды на основе контакта металл-полупроводник - диоды Шоттки.Взаимное расположение энергетических уровней металла и примесныхполупроводников характеризуется разностью работ выхода электрона из твердого тела. Работа выхода - это энергетическое расстояние между уровнем свободного электрона вне твердого тела (вакуум) и уровнем Ферми. Из зонных диаграмм неконтактирующих слоев видно, что работа выхода из металла больше, чем работа выхода An полупроводника n-типа и меньше, чем Ар полупроводника р-типа. Соотношение уровней Ферми в металле и в примесных полупроводниках имеет вид φFp < φFM < φFn.
При контакте металла с полупроводником n-типа заполненность уровней в зоне проводимости полупроводника выше, чем уровней с такой же энергией в металле. Поэтому электроны переходят из граничного слоя полупроводника в металл. Уменьшение концентрации электронов вызывает увеличение энергетического расстояния между уровнями Ферми и дном зоны проводимости энергетические уровни искривляются вверх. На границе металл-полупроводник образуется потенциальный барьер, образованный зарядами ионов доноров в полупроводнике и электронами в металле. Область пространственного заряда имеет размеры порядка долей микрон и обладает большим сопротивлением по сравнению со слоями полупроводника и металла.
Если внешнее напряжение приложить плюсом к металлу и минусом к полупроводнику, то высота потенциального барьера уменьшается, приграничный слой насыщается электронами, сопротивление области пространственного заряда уменьшается, через диод Шоттки протекает большой ток. Такое включение является прямым. Если внешнее напряжение приложить минусом к металлу и плюсом к полупроводнику, то высота потенциального барьера увеличится, сопротивление диода возрастает. Через диод протекает малый обратный ток, образованный движением дырок из полупроводника n-типа в металл.
По сравнению с полупроводником р-типа в металле энергетические уровни, соответствующие зоне проводимости полупроводника, заполнены больше. Поэтому при их контакте электроны переходят из металла в полупроводник. Из-за рекомбинации электронов с дырками в граничной слое образуется область пространственного заряда ионов акцепторов. Вследствие уменьшения концентрации дырок расстояние между уровнем Ферми и дном зоны проводимости уменьшается. Это вызывает искривление уровней вниз и образование потенциального барьepa для дырок р-слоя. Внешнее напряжение в зависимости от полярности увеличивает или уменьшает высоту потенциального барьера и проводимость контакта в целом. В отличие от предыдущего случая металл выполняет роль катода, а полупроводник р-типа - роль анода.
Рис.8. Зонные диаграммы металла и примесных полупроводников и образование выпрямляющего контакта металл-полупроводник.
Диоды Шоттки по сравнению с кремниевыми диодами на основе р-n переходов имеют меньшее прямое напряжение, больший обратный ток и экспоненциальную зависимость прямого тока от напряжения в широком диапазоне токов из-за отсутствия тока рекомбинации.
Особенностью диодов Шоттки является отсутствие инжекции и накопления неосновных зарядов в соответствующих слоях полупроводника.
Для диодов Шоттки основным параметром, характеризующим быстродействие, являются время жизни неравновесных (неосновных) носителей заряда и барьерная емкость.
В соответствии с принятой классификацией импульсные диоды разделяются на группы по времени восстановления обратного сопротивления
Первый элемент цифро-буквенного кода обозначает исходный полупроводниковый материал:
Г или I - германий и его соединения.
К или 2 - кремний и его соединения,
А или 3 - соединения галия, например, арсенид галлия,
И или 4 - соединения индия.
Второй элемент - буква, определяющая подкласс приборов:
D - выпрямительные и импульсные, универсальные.
А - СВЧ, импульсные.
Третий элемент - цифра, определяющая функциональные возможности приборов, для импульсных диодов - время восстановления обратного сопротивления:
- tвос > 500 нс;
- 150 нс < tвос ≤ 500 нс;
- 30 нс < tвос ≤ 150 нс;
- 5 нс < tвос ≤ 30 нс;
- I нс < tвос ≤ 5 нс;
9 - импульсные (диоды Шоттки) с эффективным временем жизни неосновных носителей заряда менее I нс.
Четвертый элемент - двухзначное (иногда трехзначное) число, обозначающее номер разработки : цифры 01÷99(001÷999).
Пятый элемент - буква, условно определяющая классификацию (разбраковку по параметрам) приборов, изготовленных по единой технологии.