Основные теоретические сведения

Практическая работа №10

Тема: Исследование полупроводникового диода

Цель работы: ознакомление с основными параметрами и характеристиками полупроводниковых выпрямительных диодов

 

Порядок выполнения работы:

1. Изучить лекционный материал основные теоретические сведения

2. Дать ответы на контрольные работы

3. Составить электрические схемы для измерения основных параметров и характеристик полупроводниковых выпрямительных диодов (в соответствии с контрольными вопросами).

4. Сформулировать вывод.

5. Оформить отчет по практической работе

 

Основные теоретические сведения

Материалы, удельное сопротивление которых больше удельного сопротивления проводников, но меньше удельного сопротивления диэлектриков, относят к полупроводникам. Для сравнения, проводники имеют удельное сопротивление 10^-6 -10^-8 Ом*м, изоляторы имеют удельное сопротивление 108 ^-1013 Ом*м, а полупроводники имеют удельное сопротивление 10^-5 — 10⁷ Ом*м. Обычно это кристаллический материал с неширокой запрещенной зоной. В электронике в качестве полупроводников часто используют такие материалы как германий, кремний, селен, арcенид галлия и другие. Вследствие малой ширины запрещенной зоны полупроводника тепловые колебания атомов способны сообщить валентным электронам энергию, достаточную для перехода из заполненной валентной зоны в свободную зону проводимости. Каждый такой переход приводит к возникновению пары носителей заряда: свободного электрона в зоне проводимости и свободного энергетического состояния (дырки) в валентной зоне. Генерация пар свободных (способных перемещаться под действием приложенного напряжения) зарядов делает кристалл способным проводить электрический ток, а электропроводность такого кристалла называется собственной. Химически чистые полупроводники имеют собственную электропроводность и небольшую проводимость. Заметим, что электропроводность - это способность проводить электрический ток посредством чего-либо, то есть величина качественная, а проводимость - величина количественная.

Полупроводник n-типа - полупроводник с преобладающей электронной электропроводностью, которая возникает при добавлении донорных примесей, например, примеси пятивалентного фосфора к четырехвалентному кремнию. Атом примеси при этом ионизируется, добавляя электрон к электронам собственной электропроводности.

Полупроводник p-типа с преобладающей дырочной электропроводностью образуется при добавлении к химически чистому полупроводнику акцепторных примесей, например, при добавлении трехвалентного индия к четырехвалентному кремнию. Атом примеси ионизируется, принимая электрон от соседнего атома и добавляя тем самым дырку к дыркам собственной электропроводности. Электропроводность, возникающую за счет примесных атомов, называют примесной. Примесные полупроводники называются легированными.

При температуре 50 - 70° С почти все атомы примесей ионизируются и проводимость примесного полупроводника существенно возрастает. Несмотря на возникновение только одного типа электропроводности: или n- типа, или p-типа, примесные полупроводники являются электрически нейтральными, так как заряды ионов скомпенсированы зарядами основных носителей заряда - электронов в n-области и дырок в p-области полупроводника. Дырки в n-полупроводнике или электроны в рполупроводнике называются неосновными носителями зарядов. Заметим, что ионы примесных атомов связаны кристаллической решеткой и не могут перемещаться под действием внешнего электрического поля. Существуют полупроводники, состоящие из двух областей. Одна область имеет электронную электропроводность, а другая - дырочную электропроводность. Переход между двумя областями полупроводника с разными типами электропроводности называется электронно-дырочным или р-n-переходом (рисунок 1).

 

 

Рисунок 1 — Электронно-дырочный переход и контактная разность потенциалов

 

Сразу же после создания в полупроводнике р- и n-областей начинается диффузия (диффузионный ток) основных носителей заряда. Диффузия дырок происходит из р-области в n-область, а диффузия электронов в обратном направлении. Встречаясь, дырки и электроны рекомбинируют, при этом вблизи граничной плоскости (где соприкасаются p-область и n-область) образуются два слоя: n-область приобретает нескомпенсированный положительный заряд (слой нескомпенсированных положительных ионов), а р-область приобретает нескомпенсированный отрицательный заряд (слой нескомпенсированных отрицательных ионов). Поскольку ионы примесных атомов связаны кристаллической решеткой, то перемещаться они не могут. Между двумя разноименно заряженными слоями возникает электрическое поле Е_зап, направленное от n-области к p-области, и называемое запирающим. Напряженность этого поля препятствует диффузии дырок и электронов (диффузионному току). Чем больше нескомпенсированных ионов, тем выше напряженность электрического поля. При некотором значении напряженности диффузионный ток прекратится. Этому значению напряженности соответствует определенная контактная разность потенциалов ϕк и определенная ширина слоя L, в котором рекомбинировали подвижные носители зарядов.

Немного дополним общую картину. В p-области и n-области существуют еще и неосновные носители зарядов. Под действием напряженности поля Е_зап неосновные носители начнут дрейфовать навстречу диффундирующим зарядам, возникает дрейфовый ток, направленный навстречу току диффузии. Величина дрейфового тока мала, так как мала концентрация неосновных носителей заряда. Динамическое равновесие наступит при равенстве диффузионного и дрейфового токов. При этом слой L сильно обеднен свободными носителями заряда, хотя и не лишен их полностью. С приближением к граничной плоскости обеднение слоя L носителями зарядов будет все более выраженным. Ширина обедненного слоя связана с контактной разностью потенциалов, которая в свою очередь, зависит от выбора материалов и концентрации примесей. Чем выше контактная разность потенциалов, тем шире обедненный слой. У германия и кремния контактная разность потенциалов составляет десятые доли вольта (~ 0,3 В и ~ 0,6 В соответственно), а ширина обедненного слоя - десятые и сотые доли микрометра. Если к р-n-переходу подключить источник ЭДС, на клеммах которого будет напряжение U, то разность потенциалов на границах контактного (обедненного) слоя областей р- и n-типов изменится. Включение р-пперехода в электрическую цепь, когда плюс источника подсоединяется к области р, а минус - к области n, называется прямым (рисунок 2а), Разность потенциалов контактного слоя в этом случае обозначим ϕ_КП. При этом к р-n-переходу будет приложено внешнее электрическое поле напряженностью Е_вн, как показано на рисунке 2а, и напряженность результирующего поля в переходе будет Е_рез = Е_зап - Е_вн. В этом случае почти все внешнее напряжение будет приложено к запирающему слою, поскольку его сопротивление значительно больше сопротивления остальной части полупроводника. Разность потенциалов контактного слоя (или контактная разность потенциалов, или высота потенциального барьера) уменьшится и станет равной ϕ_КП= ϕ_к – U, ширина его также уменьшится. Дрейфовый ток снизится, а диффузионный ток возрастет, в результате чего динамическое равновесие нарушится и возникнет ток через p-n-переход. Этот ток называют прямым током, он совпадает с диффузионным.

 

 

Рисунок 2 — Прямое (а) и обратное (б) включения p-n-перехода

 

Включение, при котором к области р подсоединен минус источника, а к области n - плюс, называется обратным (рисунок 2б). Соответствующую разность потенциалов контактного слоя в этом случае обозначим ϕ_КО. При этом Ерез = Езап + Евн. Разность потенциалов контактного слоя увеличится и станет равной ϕ_КО = ϕ_К +U, ширина его также увеличится. Диффузионный ток уменьшится из-за противодействия электрического поля в запирающем слое. Дрейфовый ток увеличится благодаря увеличению разности потенциалов контактного слоя. Результирующий ток называют обратным, он совпадает с дрейфовым током.

Напомним, что диффузионный ток создается основными носителями зарядов, а дрейфовый - неосновными. Так как концентрация основных носителей заряда на несколько порядков выше концентрации неосновных носителей, прямой ток в сотни и тысячи раз превышает обратный. Таким образом, р-n-переход, включенный в прямом направлении, пропускает электрический ток, а включенный в обратном - не пропускает. Напряжение, при котором через р-n-переход протекает прямой ток, называется прямым (открывающим) напряжением.

Напряжение, при котором через p-n-переход протекает обратный ток, называется обратным (запирающим или закрывающим) напряжением. Теоретическая зависимость тока I через переход от подаваемого напряжения U_BH имеет вид:

 

где I₀ — обратный (тепловой) ток р-n-перехода при большом обратном напряжении обусловленный небольшим дрейфовым током. Ток I₀ называют тепловым током, потому что он сильно зависит от температуры. Далее q — заряд электрона, к - постоянная Больцмана, Т - температура по Кельвину. По причине односторонней проводимости электронно-дырочный переход называют выпрямляющим переходом. Кроме электронно-дырочного перехода существуют и другие выпрямляющие переходы, например переход Шотки. На основе выпрямляющих переходов изготавливаются полупроводниковые диоды.

Полупроводниковый диод - это прибор с одним выпрямляющим переходом и двумя выводами. Наибольшее распространение получили диоды на основе электронно-дырочного перехода. Полупроводниковый диод содержит один p-n-переход и имеет два вывода: вывод А (анод) от p-области и К (катод) от n-области. Наиболее распространены и обширны две группы германиевых и кремниевых диодов — выпрямительные и импульсные, называемые в некоторых справочниках универсальными.

Выпрямительные диоды, в которых используется основное свойство p-n-перехода — его односторонняя электропроводность, применяют главным образом для выпрямления переменного тока в диапазоне частот от 50 Гц до 100 кГц.

Импульсные диоды применяют в схемах электронных устройств, работающих в импульсных режимах.

Функционирование диода в электрической схеме определяется его вольтамперной характеристикой (ВАХ). Анализ типовых ВАХ диодов показывает, что прямое напряжение Uпp на германиевом диоде почти в два раза меньше, чем на кремниевом, при одинаковых значениях прямого тока Iпр, а обратный ток Iобр кремниевого диода значительно меньше обратного тока германиевого диода при одинаковых обратных напряжениях. К тому же германиевый диод начинает проводить ток при ничтожно малом прямом напряжении Uпp, а кремниевый — только при Uпp = 0,4—0,5 В.

Рисунок 3 — Типичные ВАХ кремниевого и германиевого диода

 

Исходя из этих свойств, германиевые диоды применяют как в схемах выпрямления переменного тока, так и для обработки сигналов малой амплитуды (до 0,3 В), а кремниевые, наиболее распространенные, — как в схемах выпрямления, так и в схемах устройств, в которых обратный ток недопустим или должен быть ничтожно мал. Кроме того, кремниевые диоды сохраняют работоспособность до температуры окружающей среды 125—150 °С, тогда как германиевые могут работать только до 70 °С. Основные параметры выпрямительного диода приводятся в его техническом паспорте и сравниваются (для принятия решения его использования в схеме электронного устройства) с параметрами, определенными по снятым характеристикам: 

– прямое постоянное напряжение Unp при определенном для каждого диода прямом постоянном токе Iпр; 

– обратный ток Iобр при определенном обратном постоянном напряжении Uобp; 

– максимально допустимое обратное напряжение U_{обp max}

Превышение U_{обp max} переводит диод в режим пробоя.

-максимально допустимый прямой ток I_{пр max}, обычно определяемый как средний за период прямой ток в схеме однополупериодного выпрямителя. При большом обратном напряжении наблюдается резкий рост обратного тока через диод, это явление называется пробоем диода. Различают электрический и тепловой пробой. Электрический пробой бывает лавинным и туннельным.

Если неосновные носители заряда (электроны и дырки) под действием электрического поля (созданным обратным напряжением) при движении через переход приобретают энергию, достаточную для ударной ионизации атомов полупроводника, то в переходе происходит лавинообразное увеличение носителей заряда, что приводит к резкому увеличению обратного тока при почти неизменном обратном напряжении (кривая 1 на рисунке 4). Такой вид электрического пробоя называют лавинным пробоем. Обычно он развивается в относительно широких р-n-переходах, образованных слаболегированными полупроводниками.

 

Рисунок 4 — Реальные вольт-амперные характеристики диода

 

Туннельный пробой (кривая 2 на рис.4) возникает при большой напряженности электрического поля в тонком p-n-переходе между высоколегированными полупроводниками в результате туннельного перехода электронов.

Электрический пробой является обратимым. Обратимость заключается в том, что первоначальные свойства p-n-перехода полностью восстанавливаются, если отключить источник ЭДС от перехода. Благодаря этому оба вида электрического пробоя используются в качестве рабочих режимов в полупроводниковых диодах. Если температура p-n-перехода возрастает в результате его нагрева обратным током и недостаточно теплоотвода, то усиливается процесс генерации пар носителей заряда. Это в свою очередь приводит к дальнейшему нагреву p-n-перехода и увеличению обратного тока, что может вызвать разрушение перехода. Такой процесс называют тепловым пробоем. Очевидно, что допустимое обратное напряжение на переходе зависит от условий теплоотвода. Для теплового пробоя характерен участок отрицательного сопротивления обратной ветви ВАХ p-n-перехода (кривая 3 на рисунке 4).

Тепловой пробой необратим, поэтому этот режим не допускается при эксплуатации полупроводниковых приборов.

Совокупность постоянных напряжений и токов на диоде определяет режим диода по постоянному току. Рабочей точкой называется соответствующая режиму по постоянному току точка на вольт-амперной характеристике диода. Параметром нелинейного элемента в этом режиме является статическое сопротивление, равное Rc =U/I, где U и I- напряжение и ток в рабочей точке.

Совокупность переменных напряжений и токов на диоде определяет режим диода по переменному току. Сопротивления нелинейных элементов для малых переменных токов называются динамическими или дифференциальными. Если известны формула или график, описывающие вольт-амперную характеристику диода, то дифференциальное сопротивление вычисляют, определяя производную в рабочей точке:

 

Графическое определение дифференциального сопротивления RД диода в рабочей точке В показано на рисунке 5.

Рисунок 5 — Графическое определение дифференциального сопротивления

Между переменными токами и напряжениями на диоде существует практически линейная зависимость только в том случае если амплитуды переменных напряжений меньше 0,1 вольта. Такие напряжения и токи называют малыми. Одним из достоинств Elecrtronics Workbench является возможность смоделировать ситуации, возникающие при самых различных уровнях приборной оснащенности исследователя, и освоить методики измерения, соответствующие этим уровням. Рассмотрим эти ситуации на примере измерения вольтамперной характеристики полупроводникового диода. Начинающий радиолюбитель может иметь всего лишь один универсальный прибор – мультиметр (который мы привыкли называть тестером), но и в этом случае можно снять вольтамперную характеристику (ВАХ) диода или любого другого нелинейного двухполюсника. Проще всего в этом случае измерять напряжение на диоде в схеме рисунка 6, подсоединяя к диоду через резистор источники напряжения различной величины. Ток диода при этом можно вычислять из выражения

где Iпр – ток диода в прямом направлении; Е – напряжение источника питания, Uпр – напряжение на диоде в прямом направлении.

 

Рисунке 6 — Схема для измерения напряжения

 

Изменив полярность включения диода в той же схеме рис. 6, можно снять ВАХ диода по той же методике и в обратном направлении:

 

 

где Iоб – ток диода в обратном направлении; Uоб – напряжение на диоде в обратном направлении.

Точность при таких измерениях оставляет желать лучшего из-за разброса сопротивлений у резисторов одного номинала. И если вы хотите получить более точную характеристику, используя только один мультиметр, необходимо сначала измерить напряжение в схеме рисунка 6, а затем ток в схеме рисунке 7. При этом можно пользоваться по-прежнему только мультиметром, подключая его то как вольтметр, то как амперметр.

 

Рисунка 7 — Схема для измерения тока на диоде, при помощи мультиметра

 

Гораздо быстрее можно выполнить эту работу, если у вас имеется и вольтметр, и амперметр. Тогда, включив их по схеме рисунке 8, можно сразу видеть ток и напряжение на табло этих приборов. Вольтамперная характеристика может быть получена путем измерения напряжений на диоде при протекании различных токов за счет изменения напряжения источника питания Vs.

Рисунок 8 — Схема для измерения тока и напряжения на диоде при помощи амперметра и вольтметра

 

И наконец, наиболее быстро и удобно можно исследовать ВАХ, непосредственно наблюдая ее на экране осциллографа (рисунок 9). При таком подключении координата точки по горизонтальной оси осциллографа будет пропорциональна напряжению, а по вертикальной – току через диод.

Поскольку напряжение в вольтах на резисторе 1Ом численно равно току через диод в амперах (I = U / R = U / 1 = U), по вертикальной оси можно непосредственно считывать значения тока. Если на осциллографе выбран режим В/А, то величина, пропорциональная току через диод (канал В), будет откладываться по вертикальной оси, а напряжение (канал А) – по горизонтальной. Это и позволит получить вольтамперную характеристику непосредственно на экране осциллографа.

При получении ВАХ диода с помощью осциллографа на канал А вместо точного напряжения на диоде подается сумма напряжения диода и напряжения на резисторе 1 Ом. Ошибка из-за этого будет мала, так как падение напряжения на резисторе будет значительно меньше, чем напряжение на диоде. Для более точного измерения напряжения можно измерять ток с помощью датчика тока. Из-за нелинейности диода его нельзя характеризовать величиной сопротивления, как линейный резистор. Отношение напряжения на диоде к току через него U/I, называемое статическим сопротивлением, зависит от величины тока. В ряде применений на существенную постоянную составляющую тока диода накладывается небольшая переменная составляющая (обычно при этом говорят, что элемент работает в режиме малых сигналов). В этом случае интерес представляет дифференциальное (или динамическое) сопротивление dU/dI. Величина динамического сопротивления зависит от постоянной составляющей тока диода, определяющей рабочую точку на характеристике.

 

 

Рисунок 9 — Схема для исследования ВАХ диода при помощи осциллографа

 

1. Измерение напряжения и вычисление тока через диод.

Для измерения напряжения и вычисления тока через диод следует собрать схему как на рисунке 6 и включить схему. Мультиметр покажет напряжение на диоде Uпр при прямом смещении. Если перевернуть диод и снова запустить схему, то мультиметр покажет напряжение на диоде Uоб при обратном смещении. Используя показания вычисляют ток диода при прямом Iпр и обратном Iоб смещениях согласно формулам (3) и (4).

2. Измерение тока

Для измерения тока следует собрать схему как на рисунке 7 и включить схему. Мультиметр покажет ток диода Iпр при прямом смещении. Переверните диод и снова запустите схему. Теперь мультиметр покажет ток Iоб диода при обратном смещении.

3. Измерение статического сопротивления диода

 Для измерения статического сопротивления диода необходимо измерить сопротивление диода в прямом и обратном подключениях, используя мультиметр в режиме омметра. Для того чтобы измерить статическое сопротивление диода он подключается только к мультиметру при прямом включении в настройках мультиметра устанавливается ток омметра порядка 0,01А. А при обратном включении ток около 0,01мА. Малые значения сопротивления соответствуют прямому подключению, большие - обратному.

4. Снятие вольтамперной характеристики диода

а) Прямая ветвь ВАХ.

Чтобы снять прямую ветвь вольтамперной характеристики диода нужно собрать схему как на рисунке 8, включите схему. Затем, последовательно устанавливая значения ЭДС источника: 5 В, 4 В, 3 В, 2 В, 1 В, 0,5 В, 0 В, записать значения напряжения Uпр и тока Iпр диода.

б) Обратная ветвь ВАХ.

Чтобы снять обратную ветвь вольтамперной характеристики диода нужно перевернуть диод. Последовательно устанавливая значения ЭДС источника: 0 В, 5 В, 10 В, 15 В, далее выбираются точки в зависимости от пробивного напряжения диода, выбранного вами, таким образом чтобы, используя 6-7 точек, была возможность построить более менее точную обратную ветвь ВАХ диода. Записывают значения тока Iоб и напряжения Uоб.

в) По полученным данным строятся графики Iпр(Uпр) и Iоб(Uоб).

г) Построив касательную к графику прямой ветви ВАХ при Iпр = 4 мА. оценивают дифференциальное сопротивление диода по наклону касательной. Повторяют ту же процедуру для Iпр = 0,4 мА и Iпр = 0,2 мА.

д) Аналогично пункту г) оценивают дифференциальное сопротивление диода при обратном напряжении 5 В.

е) Вычисляют сопротивление диода на постоянном токе Iпр = 4 мА по формуле Rдиф= Uпр / Iпр.

ж) Определяют напряжение изгиба. Напряжение изгиба определяется из вольтамперной характеристики диода, смещенного в прямом направлении, для точки, где характеристика претерпевает резкий излом.