ОЗНАЙОМЛЕННЯ З БУДОВОЮ, ХАРАКТЕРИСТИКАМИ І ПАРАМЕТРАМИ НАПІВПРОВІДНИКОВИХ ДІОДІВ
Мета роботи: Дослідження вольт-амперних характеристик напівпровідникових (н/п) діодів
1 Короткі теоретичні відомості
Більшість напівпровідників має кристалічну структуру. Атоми хімічних елементів складаються із ядра і електронів. В періодичній таблиці Менделєєва порядковий номер хімічного елемента відповідає кількості електронів в електронній оболонці атома. Напівпровідникові матеріали за величиною об’ємного опору займають проміжне місце між провідниками та діелектриками і який становить 10-6-10-8 Ом×м. Енергія електрона в електронній оболонці не рівномірна, що в свою чергу визначає кількість його руху. Механізм провідності твердого тіла напівпровідника пояснюється зонною теорією. Для описання процесів, які проходять в зоні, розглядають дві зони (рис. 1.1):
1) зона провідності; 2) валентна зона
Рисунок 1.1 – Енергетична діаграма напівпровідників
При певних умовах зона провідності вільна, а валентна зона заповнена, тобто більш енергонасичена. В зв’язку з цим електрони валентної зони можуть легко перейти в зону провідності, де нагромаджується надлишок електронів, а в валентній зоні залишаються вакантні місця (дірки). В германію і кремнію є по чотири валентних електрони. Внаслідок теплової дії або зовнішнього енергетичного впливу на кристали н/п збільшується їх провідність внаслідок переходу валентних електронів в провідну зону (електронна провідність) або діркова електропровідність, коли основними носіями дірки. При цьому слід замітити, що дірки не переміщаються подібно іонам в електроліті, а лиш відбувається іонізація нерухомих атомів кристалу. Якщо ввести в чистий кристал домішку, то це приведе до створення додаткових рівнів енергії донорних і акцепторних. Донорні домішки створюють надлишок електронів над кількістю дірок і викликають електронну провідність п -типу. Акцепторні домішки створюють діркову провідність р -типу.
|
|
Розглянемо будову і властивості р-п- переходу (рис. 1.2).
Рисунок 1.2 – Будова p - n переходу
Кристал н/п складається із п -області і потенціального р-п бар’єру.
При відсутності зовнішнього поля в кристалі існує внутрішнє електричне поле, яке виникає в області електронно-діркового переходу, і називається електричним полем потенціального бар’єру.
Якщо зовнішнє джерело включити в прямому (ослаблюючи бар'єр) напрямку до р-п переходу, то в зовнішньому колі потече струм (Іпр.) (рис. 1.3).
Рисунок 1.3 – Пряме ввімкнення p - n переходу до зовнішнього джерела струму
Цей струм буде збільшуватися до тих пір, поки напруженість зовнішнього поля не буде більша потенціалу бар’єра, внаслідок чого зміниться напрям результуючого поля і замість дифузії почнеться дрейф основних носіїв заряду обох знаків.
|
|
Якщо полярність зовнішнього джерела змінити, то в колі буде протікати Ізв, викликаний неосновними носіями зарядів, так як основні носії зарядів не будуть проходити через бар’єр.
Із вище сказаного випливає, що в зовнішньому колі при певному ввімкненні н/п може протікати струм, величина якого в багато разів відрізняється одна від одної, тобто р-п перехід має властивість односторонньої провідності.
На цьому принципі побудовані діоди, які позначаються як вентиль (рис. 1.4), де Іпр. – величина струму в прямому ввімкненні р-п переходу.
Рисунок 1.4 – Умовне графічне позначення напівпровідникового діода
Рівняння вольт-амперної характеристики діода має вигляд:
(1.1)
де І – струм прямий або зворотній залежно від знаку прикладеної напруги U; – зворотній струм при температурі Т;
– температурний потенціал;
де K – постійна Больцмана; Т – температура, °К.
Вольт-амперна характеристика діода приведена на (рис.1.5 ).
Рисунок 1.5 – Вольт-амперна характеристика діодів
Залежно від пробою p-п переходу розрізняють п’ять його механізмів:
1) тунельний; | 4) поверхневий; |
2) лавинний; | 5) вторинний. |
3) тепловий; |
Залежно від фізичних властивостей діоди діляться на:
1) випрямляючі; | 4) імпульсні; |
2) стабілітрони; | 5) тунельні; |
3) високочастотні; | 6) фотодіоди тощо. |
Залежно від виконання діоди мають тічи інші параметри і відповідно характеристики.
2 Завдання для самостійної підготовки
2.1 Вивчити короткі теоретичні відомості про будову і принцип дії н/п діодів.
2.2 Вивчити марки і умовні позначення діодів.
2.3 Записати формули для визначення параметрів діодів.
3 Лабораторне завдання
3.1 Ознайомитися з макетом і приладами, що використовуються в роботі: міліамперметр, вольтметр (рис. 1.6).
Рисунок 1.6 – Електрична схема дослідної установки
3.2 Скласти програму і обчислити згідно формули характеристику .
3.3 Зняти залежність для вказаних елементів.
3.4 Побудувати графіки отриманих залежностей і знайти параметри, а такожхарактеристики, вказані індивідуально длякожного студента.
3.5 Порівняти отриманіпараметри з теоретичними і зробити висновки.
4 Контрольні питання
4.1 Поясніть принцип роботи діода.
4.2 Привести характеристику двох з’єднаних діодів, коли їх характеристики окремо відомі:
4.3 а) паралельне з’єднання;
4.4 б) послідовне з’єднання.
4.5 Поясніть чому характеристика діода нелінійна?
4.6 Поясніть,чому не симетрична характеристика діода відносно початку координат?
4.7 Чим відрізняється характеристика випрямляючого діода від тунельного?
4.8 Поясніть принцип роботи варікапа і його характеристику.
4.9 Як впливає температура на вольт-амперну характеристику діода?
4.10 Чим відрізняються діоди КС133, КС156, Д816, КД532?
4.11 Якими параметрами характеризуються НВЧ-діоди?
4.12 Що таке струм дифузії і дрейфу р-п переходу? В якому випадку вони рівні.
4.13 Яка причина виникнення теплового пробою в p-п переході?