Тема: Исследование и снятие характеристик полупроводникового диода.

Тема: Исследование и снятие характеристик полупроводникового диода.

Цель работы: Ознакомиться с п / п диодом, исследовать его свойства, снять ВАХ и проанализировать ее.

Оборудование: 1. Стенд для исследования диода

Выпрямитель ВС-24М

Измерительные приборы

Порядок выполнения работы

1. Изучить назначение и принцип работы п/п диодов.

2. Собрать схему эксперимента. Переключатель установить в положение «Прямое включение». Увеличивая напряжение от 0 до тех пор пока ток не достигнет значения 300 мА снять показания для 6-8 точек (табл.1.)

 

Рис 1 – Схема исследования полупроводникового диода

 

3. Переключатель установить в положение «Обратное включение». Увеличивая напряжение от 0 до тех пор пока ток не начнет резко увеличиваться снять показания для 6-8 точек (табл.2.).

4. Измеренные значения занести в таблицу и построить по ним ВАХ диода. Проанализировать ее.

Таблица 1.

Uпр, В
Iпр, мА

Таблица 2.

Uобр, В
Iобр, мA

5. Сделать вывод.

Основные теоретические сведения.

P-n-переход и его свойства

Действие полупроводниковых приборов основано на использовании свойств полупроводников. Полупровод­ники занимают промежуточное положение между провод­никами и диэлектриками. К полупроводникам относятся элементы IV группы периодической системы элементов Д.И. Менделеева, которые на внешней оболочке имеют четыре валентных электрона. Типичные полупроводники - Ge (германий) и Si (кремний).

Чистые полупроводники кристаллизуются в виде решетки (рис. 1 а). Каждая валентная связь содержит два электрона, оболочка атома имеет восемь электронов, и атом находится в состоянии равновесия. Чтобы «вырвать» электрон в зону проводимости, необходимо затратить большую энергию.

Чистые полупроводники обладают высоким удель­ным сопротивлением (от 0, 65 Ом-м до 10⁸ Ом-м). Для сни­жения высокого удельного сопротивления чистых полу­проводников в них вводят примеси, такой процесс называ­ется легированием, а соответствующие полупроводнико­вые материалы - легированными. В качестве легирующих примесей применяют элементы III и V групп периодиче­ской системы элементов Д.И. Менделеева.

Элементы III группы имеют три валентных элек­трона, поэтому при образовании валентных связей одна связь оказывается только с одним электроном (рис. 1 б). Такие полупроводники обладают дырочной электропро­водностью, так как в них основными носителями заряда являются дырки. Под дыркой понимается место, не занятое электроном, которому присваивается положительный за­ряд. Такие полупроводники также называются полупроводниками р-типа, а примесь, благодаря которой в полу­проводнике оказался недостаток электронов, называется акцепторной.

Элементы V группы имеют пять валентных элек­тронов, поэтому при образовании валентных связей один электрон оказывается лишним (рис. 1 в). Такие полупро­водники обладают электронной электропроводностью, так как в них основными носителями заряда являются элек­троны. Они называются полупроводниками п-типа, а при­месь, благодаря которой в полупроводнике оказался избы­ток электронов, называется донорной.

Рис. 1. Фрагмент решетки:

а) чистого полупроводника;

б) полупроводника с акцепторной примесью;

в) полупроводника с донорной примесью

 

 

Удельное электрическое сопротивление легиро­ванного полупроводника существенно зависит от концен­трации примесей. При концентрации примесей 10²⁰ ÷ 10²¹ на 1 см³ вещества оно может быть снижено до 5·10^-6 Ом·м для германия и 5·10^-5 Ом·м для кремния.

Основное значение для работы полупроводнико­вых приборов имеет электронно-дырочный переход, кото­рый называют р-п-переходом (область на границе двух по­лупроводников, один из которых имеет дырочную, а дру­гой - электронную электропроводность).

На практике p-n-переход получают введением в полупроводник дополнительной легирующей примеси. Например, при введении донорной примеси в определен­ную часть полупроводника р-типа в нем образуется об­ласть полупроводника n-типа, граничащая с полупровод­ником р-типа.

Схематически образование p-n-перехода при со­прикосновении двух полупроводников с различными ти­пами электропроводности показано на рис. 2. До сопри­косновения в обоих полупроводниках электроны, дырки, ионы были распределены равномерно (рис. 2 а).

Рис. 2. Образование p-n-перехода: распределение носителей заряда

Рис. 5. Вольт-амперная характеристика р-п-перехода

 

В сильнолегированных полупроводниках может возникать квантово-механический туннельный эффект, который состоит в том, что при очень малой толщине за­пирающего слоя основные носители могут преодолевать запирающий слой без изменения энергии, что приводит к возрастанию тока на этих участках.

Закрытый p-n-переход обладает -электрической ем­костью, которая зависит от его площади и ширины, а так­же от диэлектрической проницаемости запирающего слоя.

Свойства p-n-перехода широко используются в по­лупроводниковых приборах.

Полупроводниковые диоды

Полупроводниковым диодом называют двухэлектродный полупроводниковый прибор, содержащий один электронно-дырочный р-п переход.

По конструктивному исполнению полупроводни­ковые диоды разделяются на плоскостные и точечные. Плоскостные диоды представляют собой p-n-переход с двумя металлическими контактами, присоединенными к р- и n-областям. В точечном диоде вместо плоской использу­ется конструкция, состоящая из пластины полупроводника и металлического проводника в виде острия. При сплавле­нии острия с пластиной образуется микропереход. По сравнению с плоскостным диодом падение напряжения на точечном в прямом направлении очень мало, ток в обрат­ном направлении значительно меняется в зависимости от напряжения. Точечные диоды обладают малой межэлек­тродной емкостью.

Рассмотрим некоторые группы полупроводнико­вых диодов.

Выпрямительный полупроводниковый диод исполь­зуется для выпрямления переменного тока.

Типичная вольт-амперная характеристика выпря­мительного диода подобна характеристике, представлен­ной на рис. 5. Основным свойством выпрямительного диода является большое различие сопротивлений в прямом и обратном направлениях, что обуславливает вентильные свойства выпрямительного диода, т.е. способность про­пускать ток преимущественно в одном (прямом) направле­нии. Электрические параметры выпрямительного диода: прямое напряжение U_np, которое нормируется при опреде­ленном прямом токе 1_пр; максимально допустимый прямой ток 1_{пр тах} максимально допустимое обратное напряжение Uобр таx, обратный ток 1_обр, который нормируется при опре­деленном обратном напряжении Uo6_P, межэлектродная ем­кость, сопротивление постоянному и переменному току.

Полупроводниковый стабилитрон - полупровод­никовый диод, напряжение на котором в области электри­ческого пробоя слабо зависит от тока.

Вольт-амперная характеристика стабилитрона при­ведена на рис. 6.

Как видно, в области пробоя напряжение на стаби­литроне U_cm лишь незначительно изменяется при больших изменениях тока стабилизации 1_ст.

Рис. 6. Вольтамперная характеристика стабилитрона

Основные параметры стабилитрона: напряжение на участке стабилизации U_cm; динамическое сопротивление на участке стабилизации R_д = dU_cm/dI_cm; минимальный ток стабилизации 1_{ст min}, максимальный ток стабилизации f_{cm max}, температурный коэффициент напряжения на участ­ке стабилизации TKU=(dU_cm/dT)·100.

Стабилитроны используются для стабилизации и ограничения напряжения, а также в качестве источника опорного (эталонного) напряжения в прецизионной изме­рительной технике.

Туннельный диод - это полупроводниковый диод, в котором благодаря использованию высокой концентрации примесей возникает очень узкий барьер и наблюдается туннельный механизм переноса зарядов через р-п-переход. Характеристика туннельного диода имеет область отрица­тельного сопротивления, т. е. область, в которой положи­тельному приращению напряжения соответствует отрица­тельное приращение тока (пунктирная линия на рис. 83).

Варикап - полупроводниковый диод, в котором ис­пользуется зависимость емкости p-n-перехода от обратного напряжения, который предназначен для применения в ка­честве элемента с электрически управляемой емкостью.

Фотодиод - полупроводниковый диод, в котором в результате освещения p-n-перехода повышается обрат­ный ток.

Светодиод - полупроводниковый диод, в котором в режиме прямого тока в зоне p-n-перехода возникает ви­димое или инфракрасное излучение.

Фотодиоды используются в солнечных батареях, применяемых на космических кораблях и в южных рай­онах земного шара. Светодиоды находят применение для индикации в измерительных приборах, в наручных часах, микрокалькуляторах и других приборах.

 

К С -156 А

Г Д -507 Б

I II III IV

I – показывает материал полупроводника:

Г (1) – германий; К (2) – кремний; А (3) – арсенид галлия.

II – тип полупроводникового диода:

Д – выпрямительные, ВЧ и импульсные диоды;

А – диоды СВЧ;

C – стабилитроны;

В – варикапы;

И – туннельные диоды;

Ф – фотодиоды;

Л – светодиоды;

Ц – выпрямительные столбы и блоки.

III – три цифры – группа диодов по своим электрическим параметрам:

IV – модификация диодов в данной (третьей) группе.

Условные графические обозначения рассмотрен­ных полупроводниковых диодов представлены на рис. 7.

Рис. 7 Условные графические обозначения

полупроводниковых диодов:

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

 

Виды диодов, их применение

Маркировка диодов

 

Тема: Исследование и снятие характеристик полупроводникового диода.

123Следующая ⇒

Поделиться:

Популярное:

1. CASE-средства. Общая характеристика и классификация
2. Delphi. Основные характеристики и терминология
3. I. Общая характеристика толпы. Психологический закон ее духовного единства
4. II. Исследование дактилокарт
5. II. Сравнительное исследование
6. III.3.5. ХАРАКТЕРИСТИКА ИММУНГЛОБУЛИНОВ — АНТИТЕЛ
7. А. Общие транспортные характеристики и свойства наливных грузов.
8. Аварии на химико-технологических объектах: характеристика разрушительного воздействия, типовая модель развития аварии, поражающие факторы.
9. Административное правонарушение понятие и характеристика.
10. Алгоритм 3. Снятие заливки области построения
11. Алгоритм формирования техники двигательных действий легкоатлетических упражнений. Характеристика и технология обучения технике легкоатлетического вида из школьной программы (по выбору).
12. Англо-саксонская система права: общая характеристика.