Исследование полупроводникового диода

Министерство образования и науки Российской Федерации

Иркутский государственный технический университет

Институт Авиамашиностроения и транспорта

Кафедра Оборудования и автоматизации машиностроения

ЭЛЕКТРОНИКА

Методические указания по лабораторным работам

Иркутск 2012 г.

Лабораторная работа № 1

Исследование полупроводникового диода

Цель работы: закрепить теоретические знания о диодах, научиться рассчитывать и измерять токи, напряжения и сопротивления диодов; экспериментально получить вольтамперные характеристики диода.

Используемое оборудование и средства: персональный компьютер, программа Electronics Workbench.

Методические указания: работа выполняется студентами за 4 часа аудиторных занятий.

Краткие теоретические сведения

Полупроводниковый диод – это прибор, который образуется путем соединения двух полупроводников с различными типами проводимости p и n, как показано на рис.1.

Рис.1. Полупроводниковый диод

Рис. 2. Вольтамперная характеристика диода

В n – области основными подвижными носителями электрического заряда являются электроны, в p – области – дырки. На границе соединения n- и p –областей образуется электронно-дырочный, или p-n-переход. Если к p-n—областям не приложено питание (U = 0), то находящиеся вблизи p-n-перехода подвижные носители заряда диффундируют в область с проводимостью, обусловленной носителями противоположного знака и взаиморекомбинируют. Поэтому у p-n-перехода образуется обедненный свободными носителями двойной слой пространственного заряда (рис.1). В p-области этот слой создается оставшимися после рекомбинации свободных носителей отрицательными ионами акцепторной примеси, в n-области – положительными ионами донорной, и его электрическое поле противодействует дальнейшей диффузии. Это поле на рис.1 обозначено Е_к (контактное поле). Разность потенциалов между p и n областями, или потенциальный барьер, составляет десятые доли вольта.

В полупроводниках постоянно образуются и рекомбинируют тепловые электронно-дырочные пары, создавая неосновные носители (электроны в p-области и дырки в n-области). Неосновные носители, прежде чем успевают рекомбинировать с основными, попадают в контактное поле (Е_к) и образуют дрейфовый ток. Таким образом, в полупроводниковом диоде протекают диффузионный (I_диф) и дрейфовый (I_др) токи.

Если к p-области приложить положительный относительно n-области потенциал (прямое смещение), то поле источника питания (Е_п) будет направлено против контактного поля (Е_к), как показано на рис.1. С увеличением напряжения прямого смещения поле питания (Е_п) увеличивается и все больше компенсирует контактное поле (Е_к). Следовательно, потенциальный барьер снижается и далее исчезает, что приводит к диффузии подвижных носителей через переход и увеличению диффузионного тока (I_диф). Пересекающие переход носители становятся неосновными и рекомбинируют с основными носителями области, в которую они диффундируют. Пополнение рекомбинировавших основных носителей обеспечивается притоком из внешней цепи – через p-n-переход протекает прямой диффузионный ток (правая ветвь вольтамперной характеристики, показанной на рис.2).

Если к р-области приложить отрицательный относительно n-области потенциал (обратное смещение), то поле питания (Е_п) будет направлено в одном направлении с контактным полем (Е_к) и потенциальный барьер будет увеличиваться. С увеличением напряжения обратного смещения диффузионный ток основных носителей убывает и далее совсем прекращается, а дрейфовый ток неосновных носителей (обратный ток) возрастает, быстро достигая насыщения (левая ветвь вольтамперной характеристики рис.2).

Таким образом, если диод включен в прямом направлении ("+" к области р, а "-" к области n), то диод открыт и через него протекает прямой ток. При обратном включении ("-" к области р, а "+" к области n) через диод протекает незначительный обратный ток, т.е. фактически диод закрыт. Следовательно, можно считать, что диод пропускает ток только в одном направлении, что позволяет использовать его в качестве выпрямительного элемента.

Если к диоду подключен источник питания Е через резистор R, то через диод будут протекать прямой (I_пр) и обратный (I_обр) токи:

                                                                                   (1)

                             ,                                              (2)

где U_пр и U_обр – напряжение на диоде при прямом и обратном включении питания соответственно.

Вольтамперная характеристика p-n-перехода, а, следовательно, и диода описывается выражением:

                        ,                                             (3)

где I – ток через переход при напряжении U;

         I_о – обратный ток;

         U_t–температурный потенциал перехода, равный при комнатной температуре 26 мВ.

Статическое и динамическое сопротивления (R_ст  и R_д) диода определяются на основании вольтамперных характеристик и вычисляются по формулам:

                                                                                                  (4)

                             ,                                                           (5)

где U – напряжение на диоде;

  I – ток через диод;

dU и dI – приращения напряжения и тока.