Исследование полупроводниковых диодов. Изучение принципа действия полупроводниковых диодов различного назначения (Лабораторная работа № 1)

Лабораторная работа 1. Исследование полупроводниковых диодов

Цель работы

Изучение принципа действия полупроводниковых диодов различного назначения и приобретение навыков снятия их вольтамперных характеристик (ВАХ).

Краткие теоретические сведения

Полупроводниковый диод - это полупроводниковый прибор, имеющий один p-n-переход и два внешних вывода, действие которого основано на том или ином свойстве p-n-перехода. Все существующие диоды можно классифицировать по исходному материалу, по технологии изготовления, по площади p-n-перехода и его особенностям, по назначению. По исходному материалу различают германиевые, кремниевые, арсенид-галлиевые и др. По технологии изготовления и площади p-n-перехода различают точечные и плоскостные диоды. Площадь p-n-перехода у в точечном диоде не превышает 40 мкм². Площадь плоскостных p-n-переходов лежат в пределах от сотых долей мкм² до десятков см². В зависимости от назначения и физических свойств различают: выпрямительные диоды, стабилитроны, импульсные, высокочастотные туннельные, параметрические, фотодиоды, светодиоды и др. Рассмотрим некоторые из них подробнее.

Выпрямительный диод  работает на вентильном свойстве (свойстве односторонней проводимости) p-n-перехода, предназначен для выпрямления переменного тока. Работа выпрямительного диода это работа p-n-перехода в прямом и обратном направлении. Остановимся на этом несколько подробнее. Если имеем кристалл полупроводника, одна часть которого имеет p-проводимость, другая – n-проводимость, то на границе происходит диффузия основных носителей заряда, т.е. дырок из p-области и электронов из n-области. В результате диффузии на границе p-области образуется отрицательный пространственный заряд, n-области – положительный пространственный заряд. Другими словами на границе полупроводников с разной проводимостью образуется область, лишенная основных носителей заряда. Эта область и называется p-n-переходом (рис 1, а).

В p-n-переходе создается электрическое поле, которое препятствует дальнейшей диффузии основных носителей заряда и вызывает дрейф неосновных носителей заряда. В результате при отсутствии внешнего поля результирующий ток через p-n-переход равен нулю

.

Это равенство устанавливается при определенной контактной разности потенциалов, численно характеризующейся высотой потенциального барьера .

Если приложить внешнее напряжение в прямом направлении (рис. 1.1, б), область p-n-перехода сужается, высота потенциального барьера уменьшается (). Ток диффузии возрастает, ток дрейфа практически  не изменяется, динамическое равновесие нарушается и возникает прямой ток.

При обратном включении диода (рис. 1.1, б) область p-n-перехода расширяется, высота потенциального барьера увеличивается ().  Ток диффузии стремится к нулю, ток дрейфа не изменяется, даже может несколько возрастать благодаря увеличению . В результате возникает малый обратный ток I_обр практически равный току дрейфа I_др. на рис. 1.2. представлены условное обозначение и ВАХ выпрямительного диода, прямая и обратная ветви которой изображаются, как правило, в различных масштабах, т.к. I_обр на несколько порядков меньше I_пр.При обратном напряжении, большем в p-n-переходе возникает пробой, вызывающий резкое увеличение . Различают электрический (туннельный и лавинный) и тепловой пробой. Электрический пробой обратим, т.е. при уменьшении  свойства p-n-перехода восстанавливаются, тепловой пробой необратим. Допускаемый выпрямленный ток определяется нагревом диодов. По величине выпрямительные диоды делятся на маломощные , средней мощности  и мощные . По частотному диапазону – делятся на низкочастотные () и высокочастотные (). В качестве исходного материала при изготовлении диодов применяют Ge и Si, но Si предпочтительнее (рис. 1.2, кривые 1,2), т.к. кремниевые диоды могут работать при большей температуре, выдерживают большие обратные напряжения, имеют большую плотность тока, имеют лучшие вентильные свойства ( кремниевого диода на 2 порядка меньше германиевого).

Как следует из рис. 1.2. выпрямительный диод обладает различным сопротивлением при работе в прямом и обратном включении. Сопротивление диода легко определяется по ВАХ. Различают статические и динамические сопротивления. Динамическое сопротивление  численно равно отношению бесконечно малого приращения напряжения к соответствующему приращению тока в заданном режиме работы диода и может быть определено графически как отношение катетов треугольника, построенного в заданной рабочей точке ВАХ (рис. 1.2, кривая 2)

.

Статическое сопротивление  численно равно отношению напряжения на диоде к протекающему через него тока и может быть определено графически как котангенс угла наклона прямой, проведенной из начала координат через заданную рабочую точку ВАХ к оси абсцисс (рис. 1.2, кривая 1). В зависимости от того, на каком участке ВАХ будет выбрана рабочая точка может быть меньше, равно или больше . В любом случае прямое сопротивление  в единицах Ом, - в тысячах кОм.