ОТЧЕТ по лабораторной работе № 1 Статические характеристики полупроводниковых

Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет
“ЛЭТИ”
ОТЧЕТ
по лабораторной работе № 1
Статические характеристики полупроводниковых
диодов
Выполнил
Преподаватель
“Выполнено” “____” ___________
Подпись преподавателя __________
I. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ
1.
Основные свойства p - n переходов.
Полупроводниковый диод представляет собой прибор, основанный на свойствах p - n
перехода.
В чистом полупроводнике свободные электроны и дырки образуются попарно и число
электронов равно числу дырок.
При введении в полупроводник донорных примесей, электрон атомов примеси, не
участвующий в межатомных связях, легко переходит в зону проводимости полупроводникового
материала. При этом в кристаллической решетке остается неподвижный положительно
заряженный ион примеси, а электрон добавляется к свободным электронам собственной
проводимости. В этом случае концентрация свободных электронов в полупроводнике превышает
концентрацию дырок и полупроводник называют полупроводником n – типа.
При введении в полупроводник акцепторных примесей атомы примеси при формировании
межатомных связей отбирают электрон у одного из атомов полупроводникового материала,
становясь неподвижными отрицательными ионами. В этом случае концентрация дырок в
полупроводнике превышает концентрацию свободных электронов и полупроводник называют
полупроводником p – типа.
На границе полупроводников n – типа и p – типа за счет диффузии часть электронов из n –
слоя переходит в p – слой и рекомбинирует с дырками, и наоборот. При этом в пограничном n –
слое остается нескомпесированным положительный заряд примесных ионов, а в p – слое нескомпесированным отрицательный заряд примесных ионов. Возникает контактная разность
потенциалов, препятствующая переходу дырок в n – область и электронов в p – область.
Если к p – n переходу приложено внешнее напряжение в прямом направлении («плюс» к
слою p и «минус» к слою n), то это напряжение, скомпенсировав контактную разность
потенциалов, создает прямой ток через переход.
Когда напряжение приложено в обратном направлении, оно увеличивает потенциальный
барьер и проводимость перехода остается весьма малой.
На рис. 1.1 представлено схематическое изображение структуры p – n перехода (а),
вольтамперная характеристика p – n перехода (б), где 1 – прямая и 2 - обратная ветви
вольтамперной характеристики.
Обратный ток перехода I0 для кремниевых p – n переходов составляет обычно доли или
единицы мА, для германиевых - мкА.
Выражение для прямого тока I через переход представляют в виде
I = I0 ехр (V / φ0 ),
где V - прямое напряжение на переходе, φ0 - температурный потенциал, равный примерно 25 мВ
при 20оС.
а)
б)
Рис. 1.1
Если обратное напряжение, приложенное к p – n переходу, превосходит некоторое
предельное значение, то возникает пробой перехода.
2.
Построение и анализ прямой ветви вольтамперных характеристик диодов.
Построение прямой ветви вольт-амперных характеристик диодов (в дальнейшем ВАХ)
проводится при использовании схемы, представленной на рис. 1.2.
Диоды D1 (кремниевый), D2 (германиевый) и D3 (диод Шоттки) через токоограничивающие
резисторы R1, R2, R3 подключены к источнику напряжения V1 в прямом направлении (p - слой к
«плюсу», n - слой к «минусу» источника). При напряжении на диоде, компенсирующем
контактную разность потенциалов, через p - n переход проходит прямой ток.
II. ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ
1). Построим схему, состоящую из источника напряжения (батарея), 3х резисторов
R1,R2,R3 и 3х диодов D1,D2,D3.
Диоды D1 (кремниевый), D2 (германиевый) и D3 (диод Шоттки).
рис1
2). Построим прямую ветвь вольт-амперных характеристик 3х диодов. ВАХ будет
построена в режиме анализа построенной раннее схемы по постоянному току.
рис2
3). Проанализируем графики всех диодов. Для этого выберем на любом из них интервал с
двумя точками (левой и правой). В интервале изменения тока через диод измерим
показания изменения от r1 = V1 / I1 до r2 = V2 / I2, а также величину прямого напряжения на
диоде Vпр = (V1 + V2) / 2.
По полученным данным составим таблицу.
Left
Right
Диод
V пр
I1
V 1, В
r 1, Ом
I2
V 2, В
r 2, Ом
D1
596,3
596,3
1 мA
715,5
71,55
655,9
10 мA
D2
237,8
237,8
298,4
29,84
298,1
D3
143,4
143,4
210,4
21,04
176,9
Пример расчета
r1 = V1 / I1 = 596,3/1 = 596,3 Ом
r2 = V2 / I2 = 715,5 / 10 = 71,55 Ом
Vпр = (V1 + V2) / 2 = ( 596,3+715,5)/2 = 655,9
Из полученных ВАХ следует, что в области токов 1 ÷ 10 мA прямое напряжение для
кремниевого диода составляет около 0,6 В, для германиевого около 0,3 В, для диода
Шоттки ≈ 0,2 В. Прямое направление зависит от контактной разности потенциалов на p – n
переходе. Из трех типов рассмотренных диодов кремниевые имеют максимальную
величину контактной разности потенциалов, диоды Шоттки – минимальную величину, а
германиевые занимают промежуточное значение.
III. ЗАДАНИЕ
В схеме рис. 1 определим необходимую величину источника напряжения V1 (1) для
обеспечения в цепи R1, D1 тока равного 4А, используя совместные ВАХ диода и
резистора.
Рассчитываем падение напряжения на резисторе V1(R) при заданном токе I1 (V1(R) = I1·R1)
и откладывается по оси напряжений от точки V1(D)=4/0,05963=2,385.
Сумма V1(1) = V1(D) + V1(R)= 2,385х2 = 4,77 показывает величину напряжения,
создающего заданный ток в цепи.
Наклонная прямая с началом в точке V1(1) на оси Х, проходящая через точку 1, является
ВАХ резистора, направленной встречно ВАХ диода.
С ростом заданного тока, равному 4А, рабочая точка диода перемещается вверх по его
характеристике. Прямая ВАХ резистора с углом наклона α переносится в новую рабочую
точку. Ее пересечение с осью Х дает новое значение источника напряжения V2(1).
IV. ВЫВОД
В ходе практической работы была построена цепь с тремя разными диодами (кремниевый,
германиевый и диод Шоттки), построена их ВАХ, по которым было определено прямое
напряжение для каждого из диодов. Из ВАХ сделан вывод, что из трех типов рассмотренных
диодов кремниевые имеют максимальную величину контактной разности потенциалов,
диоды Шоттки – минимальную величину, а германиевые занимают промежуточное
значение. Для первого диода и первого резистора было выполнено задание на определение
необходимой величины источника напряжения для обеспечения цепи тока, равным 4 А.
Также было рассчитано падение напряжения (2,385) и определена величина напряжения,
созданного заданным током (4,77В).