Лабораторная работа № 1 Исследование полупроводниковых диодов Цель работы:

Лабораторная работа № 1
Исследование полупроводниковых диодов
Цель работы: Снятие и анализ вольтамперных характеристик (ВАХ)
германиевого и кремниевого диодов; определение их параметров по
характеристикам.
Краткие сведения из теории:
Полупроводниковый
прибор
с
односторонней
(вентильной)
проводимостью, созданный на основе p-n перехода, называется диодом.
Полупроводниковый диод имеет выпрямляющий электрический переход,
который может быть: электронно-дырочным переходом (p-n-переход
полупроводника одного типа), гетеропереход (контакт разнотипных
полупроводников) или контакт металл-полупроводник.
Структура сплавного полупроводникового диода на основе p-nперехода приведена на рис. 1. Электроны из области с проводимостью n-типа
в нормальном состоянии под действием температурных колебаний и
диффузии перетекают в область с проводимостью p-типа и заполняют
притягивающие их дырки в этой области (рекомбинируют с дырками).
Перетекание электронов продолжается до тех пор, пока по обе стороны p-nперехода ни образуется нейтральная зона, т.е. обедненный слой. В этом
обеднённом слое атомы, как в диэлектрике, нейтральны и дипольно
ориентированы, что приводит к возникновению потенциального барьера,
препятствующего дальнейшему движению электронов через границу раздела.
Для преодоления границы раздела электроны должны обладать энергией,
превышающей потенциальный барьер. Источником этой энергии может
служить напряжение, приложенное к полупроводникам по обе стороны p-nперехода. При прямом включении напряжения, т.е. когда плюс подключается
к полупроводнику p-типа, а минус – к полупроводнику n-типа, электрический
ток потечёт только тогда, когда напряжение превысит потенциальный
барьер. Высота потенциального барьера зависит от типа применяемого
полупроводника. Если приложенное напряжение превышает потенциальный
барьер, области с электронной и дырочной проводимостью сближаются,
обеднённая область исчезает, электроны перетекают в p-область, а дырки – в
n-область и, перемещаясь от атома к атому, создают электрический ток в
цепи. При прямом включении на диоде существует постоянное падение
напряжения, называемое прямым напряжением диода (0,3 В для германиевых
и 0,6 В для кремниевых), после которого ток при увеличении напряжения
начинает нарастать (см. рис 1).
При обратном включении напряжения ток через p-n-переход не
проходит, т.е. p-n-переход приобретает вентильные характеристики диода (в
одном направлении поток электронов проходит и ток протекает, в другом –
потока электронов нет и ток не протекает).
1
При рассмотрении ВАХ сплавного диода в случае прямого и обратного
включений напряжения видно, что когда напряжение прямого включения 𝑈пр
превысит потенциальный барьер диода, через него начинает протекать
большой ток. При этом очень малое увеличение напряжения приводит к
сильному увеличению тока, протекающего через диод (кривая 1).
Характеристика диода при обратном включении напряжения имеет вид
кривой 1, показанной в левом нижнем секторе рисунка. При таком
включении напряжения через диод протекает очень малый ток (ток утечки),
определяемый наличием малого количества неосновных носителей. Значение
этого обратного тока практически постоянно вплоть до достижения
напряжения пробоя p-n-перехода (𝑈проб ), при котором обратный ток резко
возрастает, что приводит к разрушению диода. Следовательно, при
включении диода в схему следует убедиться, что обратное напряжение на
нём не превысит напряжения пробоя, указанное производителем.
Германиевые диоды имеют более низкое сопротивление при обратном
включении, чем кремниевые и, следовательно, больший ток утечки. У них
так же ниже напряжение пробоя.
В зависимости от конструкции, состава полупроводников и технологии
изготовления диоды имеют разные ВАХ при подаче прямого и обратного
напряжений (см. кривые 1-3 на рис 1).
При обратном включении диода, начиная с малых значений обратного
напряжения, обратный ток достигает насыщения и практически не
изменяется до лавинного пробоя (кривая 1).
Лавинный пробой – резкое увеличение тока через диод при обратном
напряжении до критического значения 𝑈проб (пробивное напряжение) связан с образованием лавины носителей зарядов под действием сильного
электрического поля, которое приводит к ускорению носителей до энергий,
достаточных для обеспечения ударной ионизации с образованием новых
электронно-дырочных пар. Если подачу напряжения при пробое быстро
прекратить, то диод восстановит свои функции, обычно он разрушается, так
как в канале пробоя резко увеличивается температура.
Туннельный и тепловой пробои характеризуют соответственно кривые
2 и 3.
2
3
Приборы и оборудование:
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Макет
Источники питания: от 0-1 В; от 0 – 20 В.
Диоды: VD1 тип Д220, VD2 тип Д311.
Вольтметры РV1 и РV2.
Амперметры РА1.
Проводники.
Схема опыта: Рис.1. Схема исследования полупроводниковых диодов
Порядок деятельности:
1. Зарисовать схему исследования, изображенную на рисунке 1. Выписать из
справочника (3) параметры исследуемых диодов VD1 типа Д220 и VD2
типа Д311: 𝑈пр , 𝐼пр , 𝐼обр , 𝐼пр𝑚𝑎𝑥 , 𝑈обр𝑚𝑎𝑥 .
2. Включить питание макета.
3. Снять прямые ветви ВАХ диодов. Для этого переключатель S1 поставить в
положение «вверх», а S2 в положение 1 (включается VD1).
Потенциометром источника питания плавно изменять напряжение по РV 1
от 0 до 1 В. Следить за изменением прямого тока по РА 1. Предел
измерения изменять по мере роста тока от «0,1 мА» до «0,1 А». Затем
поставить S2 в положение 2 и снять характеристику для VD2, при этом
напряжение изменять от 0 до 0,4 В. Результаты измерений занести в
таблицу 1.
4. Снять обратные ветви ВАХ диодов. Для этого изменить полярность
напряжения источника питания – поставить S1 в положение «вниз».
Поменять полярность включения приборов РV1 и РV2. Поочередно снять
обратные ветви ВАХ диодов, изменяя напряжение источника питания по
РV1 от 0 до 30 В. Следить за изменением обратного тока по РА1 – предел
измерения «0,1 мА». Результаты измерений занести в таблицу 2.
5. По данным таблиц 1 и 2 построить ВАХ диодов в единых координатных
осях.
4
6. По характеристикам определить для каждого диода параметры: Uпр и Iобр
при определенных значениях Uпр и Iобр, указанных в справочнике.
7. Составить отчет:
Таблица 1 Результаты измерений – Iпр= f(Uпр)
Диод Uпр, В 0
0,1 0,2 0,3 0,4 0,5
VD1 Iпр, мА
VD2 Iпр, мА
0,6
Таблица 2 Результаты измерений – Iобр= f(Uобр)
Диод
Uобр, В
0
4
8
VD1
Iобр, мА
VD2
Iобр, мА
12
0,7
0,8
16
0,9
1,0
20
Контрольные вопросы
 Что такое полупроводниковый диод?
 Что такое обеднённый слой и за счёт чего он образуется?
 Что необходимо приложить к диоду чтобы свободные электроны
преодолели потенциальный барьер?
 К какому типу полупроводника подключается «+» и к какому «-»
напряжения питания при прямом включении диода?
 Основное свойство выпрямительных диодов?
 До какого значения обратного напряжения ток утечки имеет
практически постоянное значение?
 Что такое лавинный и тепловой пробой и чем они опасны для диода?
 Сравните германиевый и кремниевый диоды, используя их ВАХ,
сделайте вывод в каких условиях следует применять тот или другой
диод.
 Перечислите основные параметры выпрямительных диодов?
5