Цель работы: Изучить основные механизмы пробоя p-n перехода; освоить методику определения параметров стабилитронов осциллографическим методом.
Приборы и принадлежности: Осциллограф, исследуемые стабилитроны, лабораторный стенд ( характериограф).
Резкое увеличение дифференциальной проводимости p-n перехода при достижении обратным напряжением некоторого критического значения называют пробоем p-n перехода. Известны следующие механизмы пробоя: а) тепловая нестабильность, б) туннельный эффект, или явление Зенера; в) лавинный пробой.
На практике встречаются и смешанные случаи, так как любой из перечис-ленных механизмов не исключает других.
а) Тепловая нестабильность вызвана тем, что ток насыщения зависит от температуры. Выделение теплоты, обусловленное током I и напряжени-ем U, оказывается достаточно большим и приводит к повышению температуры диода. С ростом температуры ток увеличивается на величину DI а напряжение – на величинуDU; процесс носит лавинооб-разный характер и может привести к разрушению диода.
|
|
|
|
б) Туннельный, или зенеровский, эффект. В силу квантово- механических свойств электрона вероятность события, состоящего в том, что электрон с энергией Е преодолеет потенциальный барьер шириной Wи высотой Е0>Е, выраяжается формулой
Если уровень Ферми располагается в зоне проводи: или в валентной зоне, а ширина барьера достаточно мала, то существует конечная веро-ятность прохождения электрона через потенциальный барьер. Такое явле-ние называют туннельным эффектом.
При большой концентрации легирующей примеси ширина Wзначительно уменьшается, даже если обратное напряжение мало. Напряженность внутреннего электрического поля в обедненной области оказывается весьма высокой, так что электроны способны преодолевать эту область за счет туннелирования. Возникающий при этом туннельный ток описывается выражением
где Е — напряженность электрического поля в переходе; Е — ширина запрещенной зоны; U— приложенное напряжение. В кремнии и в арсениде галлия величина Ед уменьшается ростом Т. Поэтому наблюдается снижение пробивного напряжения, обусловленное туннельным эффектом, при увеличении температуры.
в) Лавинный пробой является наиболее важным, так-как именно он обусловливает верхнюю границу напряжения Uна диоде и предельно допустимое напряжение на коллекторе транзистора. Лавинный диод должен быть слаболегированным, так как здесь требуется, чтобы ширина обедненной области была существенно больше.
Если электрическое поле, возникающее в обедненной области при U<0, достаточно велико, то электроны и дырки, пересекающие эту область, приобретают энергию, достаточную для того, чтобы выбивать электроны из атомов кристаллической решетки. При этом происходят разрыв ковалентных связей и генерация электронно-дырочных пар; возникающий ток складывается с током диода. В свою очередь, электронно-дырочные пары ускоряются электрическим полем и могут рождать новые пары на протяжении всего своего пути данной области. Описанный механизм обладает кумулятивными свойствами, за счет чего происходит аномальный рост тока при небольшом приращении напряжения. Коэффициент лавинного размножения М, который определяет обратный ток диода Iобр в ходе описанного процесса, дается формулой
где Uпрб — напряжение пробоя; U—приложенное напряжение, не превышающее напряжение пробоя; а — величина, определяемая экспериментально и зависящая от уровней легирования p- и n-областей. При этом обратный ток диода
|
как видно, ток Iобр обращается в бесконечность при U= Unp6 ,однако практи-чески обратный ток ограничивается сопротивлением внешних цепей. |
Предельное значение Unp6составляет 500 В для германия и 1000 В для кремния.
В отличие от напряжения туннельного пробоя напряжение лавинного пробоя имеет положительный температурный коэффициент, т. е. увеличивается с ростом температуры, что было проверено экспери-ментально. Оба механизма пробоя могут вносить равный вклад. Тогда напряжение Uпр6 почти не будет зависеть от температуры. Диоды с такими свойствами используются для создания опорных напряжений (полупроводниковые стабилитроны или диоды Зенера).
Процесс лавинного размножения носителей преобладает в тех дио-дах, у которых | Uпрб | > 8 В. Если же величина Uпрб лежит в интервале 5-8 В, то пробой обусловлен одновременным существованием туннельного и лавинного пробоя .
Стабилитроны и стабисторы. Стабилитронаминазываются плоскостные кремниевые диоды, у которых в обратной ветви их вольт-амперной характеристики (рис. 1б) имеется участок с большой крутизной, в пределах этого участка напряжение незначительно изменяет свою величину при изменении протекающего тока.
Работа стабилитрона в пределах данного участка вольт-амперной характеристики, называемого рабочим участком позволяет использовать его не только в стабилизаторах напряжения, но также и в различных электронных схемах, как, например в схемах амплитудного ограничения и для создания опорных (эталонных) напряжений.
Условное обозначение стабилитрона приведено на рис. .1 а.
Рабочий участок вольт-амперной характеристики стабилитрона обуслов-ливается пробоем его р-n -перехода. Механизм пробоя в стабилитронах в зависимости от их назначения может быть туннельным, лавинным или смешанным. У стабилитронов с рабочим напряжением до 3—4 В про-исходит туннельный пробой, а с рабочим напряжением более 7 В возникает лавинный пробой. В области от 3 до 7В пробой обу-словливается совместным воздействием туннельного и лавинного механизмов.
Для получения лавинного пробоя ширина р-п-перехода должна быть больше длины свободного пробега неосновных носителей заряда. Это условие выполняется в диодах, выполненных на кремниевой основе, поскольку подвижность носителей в кремнии меньше, чем в германии.
Уважаемый посетитель!
Чтобы распечатать файл, скачайте его (в формате Word).
Ссылка на скачивание - внизу страницы.
