Основные теоретические положения

ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК И ПАРАМЕТРОВ

ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ДИОДОВ

Цель работы - исследование характеристик германиевого и кремниевого диодов, изучение методики измерения характеристик и расчет параметров математической модели диода по характеристикам.

 

Основные теоретические положения

Полупроводниковым диодом называется полупроводниковый прибор с одним выпрямляющим электрическим переходом и двумя внешними выводами. В качестве выпрямляющего перехода используется p-n-переход или переход Шоттки. Выпрямляющее действие проявляется как существенная (в несколько порядков) разница токов диода при изменении полярности напряжения на диоде. Большинство диодов выполняются на основе несимметричных p-n-переходов, когда в p- и n-областях создаются разные концентрации примеси (степени легирования). Область с более высокой степенью легирования называется эмиттером, область с меньшей степенью легирования называется базой диода.

При образовании p-n-перехода происходит диффузия основных носителей заряда через переход, в приграничных зонах p- и n- областей уменьшается концентрация основных носителей заряда и образуются нескомпенсированные заряды ионов примесей. Эти заряды создают в переходе электрическое поле, которое препятствует диффузии основных носителей заряда, т. е. создает для них потенциальный барьер. С другой стороны, это электрическое поле ускоряет дрейф неосновных носителей заряда через переход. Таким образом, при отсутствии внешнего напряжения дрейф неосновных носителей уравновешивается диффузией основных носителей заряда, дрейфовый ток равен диффузионному и общий ток через переход равен нулю. При этом внутреннее электрическое поле перехода характеризуется контактной разностью потенциалов φ_К. При прямом включении p-n-перехода внешнее напряжение прикладывается плюсом к p-области, а минусом к n-области, и напряженность электрического поля в переходе будет уменьшаться (уменьшается высота потенциального барьера перехода). Это приводит к увеличению диффузионного тока по сравнению с дрейфовым, т. е. I_дифф>I_др и прямой ток будет в основном создаваться диффузией основных носителей заряда. Прямое включение сопровождается инжекцией – введением носителей заряда в область полупроводника, где они являются неосновными из-за снижения потенциального барьера. Вследствие инжекции растет концентрация неосновных носителей заряда вне p-n-перехода, т. е. в p- и n-областях. В несимметричных p-n-переходах преобладает инжекция носителей заряда из эмиттера в базу.

При обратном включении p-n-перехода внешнее напряжение прикладывается плюсом к n-области, а минусом к p-области, напряженность электрического поля в переходе будет возрастать и потенциальный барьер перехода будет повышаться. В этом случае диффузионный ток уменьшается по сравнению с дрейфовым и при U_обр ≈ 0,1 В становится практически равным 0. Отметим, что дрейфовый ток не зависит от внешнего напряжения и определяется концентрацией неосновных носителей заряда на границах p-n-перехода. Поэтому обратный ток, обусловленный дрейфом неосновных носителей заряда через переход, оказывается на несколько порядков меньше прямого и при U_обр > 0,1 В практически не зависит от внешнего напряжения. При обратном включении происходит экстракция – выведение неосновных носителей заряда в область, где они являются основными, из-за повышения потенциального барьера. Таким образом, p-n-переход обладает свойством выпрямления тока.

Выше был описан принцип работы так называемого идеального p-n-перехода, при этом некоторые факторы, действующие в реальных p-n-переходах, не были учтены. Свойства идеального p-n-перехода подтверждаются его вольт-амперной характеристикой (ВАХ) – зависимостью тока через переход от напряжения на переходе которая может быть представлена уравнением

 

I = I_T (exp(U/φ_T) – 1),

 

где I_T – тепловой ток (ток насыщения), φ_T =kT/e – тепловой потенциал.

ВАХ идеального p-n-перехода и реального диода показаны на рис. 3. При прямом включении ток через переход нелинейно возрастает и при U_пр ≈ φ_К ВАХ идеального p-n-перехода практически вертикальна. При обратном включении ВАХ идеального перехода горизонтальна: I_обр = I_др = I_T = const (кроме начального участка протяженностью менее 0,1 В).

Как показано на рис. 3, ВАХ реального диода отличается от ВАХ идеального p-n-перехода. При прямом включении эти отличия обусловлены рекомбинацией носителей заряда в p-n-переходе и падением напряжения на сопротивлении базы диода r_б. При малых прямых токах рекомбинация носителей заряда в p-n-переходе оказывает более существенное влияние на ВАХ, т. к. падение напряжения на r_б незначительно. Рекомбинация в переходе приводит к дополнительному возрастанию прямого тока, поэтому начальный участок прямой ветви ВАХ реального диода проходит несколько выше идеальной ВАХ. Для его описания в уравнении ВАХ проводится замена φ_T на mφ_T, где m – коэффициент неидеальности. В зависимости от структуры диода m может принимать значения от 1 до 2, причем часто m оказывается близок к 1. Тогда ВАХ реального диода на начальном участке практически совпадает с идеальной ВАХ. При увеличении прямого тока рекомбинация в переходе проявляется слабо, зато падение напряжения на r_б увеличивается и становится соизмеримым с напряжением на переходе. ВАХ реального диода отклоняется от идеальной ВАХ, на ней появляется линейный участок, наклон которого определяется величиной r_б. С учетом вышеизложенного уравнение для прямой ветви ВАХ реального диода может быть представлено как

 

I = I_T (exp((U - Ir_б)/φ_T) – 1) или U= φ_Tln((I/I_T)+1)+I r_б.

Рис. 3. ВАХ идеального p-n-перехода и реального диода (а); ВАХ германиевого и кремниевого диодов (б)

 

При больших прямых токах за счет инжекции носителей заряда в базу величина r_б уменьшается и ВАХ отклоняется от прямой линии.

Обратный ток реального диода может значительно превышать обратный ток идеального p-n-перехода, т. к. помимо теплового тока I_T он включает в себя ток утечки I_У и ток термической генерации носителей заряда в переходе I_TГ. При увеличении обратного напряжения ток I_TГ возрастает, поэтому обратный ток реального диода с увеличением обратного напряжения также будет возрастать, но вид обратной ветви ВАХ будет зависеть от соотношения токов I_T, I_TГ  и I_У.

На рис. 3, б показаны ВАХ германиевого и кремниевого диодов. Прямые ветви ВАХ имеют похожий вид, однако ВАХ кремниевого диода находится правее ВАХ германиевого диода, что объясняется разной величиной контактной разности потенциалов их p-n-переходов. Типовые значения φ_К для кремниевых p-n-переходов 0,7-0,8 В, для германиевых 0,3-0,4 В, поэтому у кремниевых диодов прямые напряжения оказываются больше, чем у германиевых. Кремниевые диоды имеют обратные токи гораздо меньшие, чем германиевые, а разная форма обратных ветвей их ВАХ объясняется различным соотношением составляющих обратного тока I_T, I_TГ  и I_У. В германиевых диодах I_T значительно превышает I_TГ и I_У, поэтому при малых обратных напряжениях I_обр резко возрастает, а далее ВАХ может идти почти горизонтально. В кремниевых диодах I_T << I_TГ, поэтому начальный скачок обратного тока мал, а зависимость обратного тока от обратного напряжения проявляется гораздо сильнее, чем в германиевых диодах. При превышении обратным напряжением некоторого предельного значения наблюдается резкое возрастание обратного тока, называемое пробоем p- n-перехода. Для германиевых диодов типичным является тепловой пробой, а для кремниевых диодов – лавинный или (реже) туннельный.

Рис.4. Влияние температуры на ВАХ германиевого (а) и кремниевого (б) диодов

Из-за нелинейности ВАХ диода его сопротивление переменному току, т.е. дифференциальное сопротивление r_диф, существенно отличается от сопротивления постоянному току R₀. Дифференциальное сопротивление диода, определяется выражением r_диф = dU/dI и связано с крутизной ВАХ диода в выбранной точке. Для идеального перехода r_диф = φ_T (I+ I_T). Для реального диода в прямом включении r_диф = φ_T (I+ I_T)+ r_б.

Влияние температуры на ВАХ диода показано на рис. 4. Изменение температуры оказывает большее влияние на обратную ветвь ВАХ, т. к. все составляющие обратного тока зависят от концентрации неосновных носителей заряда. Часто используется приближенная зависимость обратного тока диода от температуры:

 

I_обр(T) ≈ I_обр (T₀) 2^ΔT/T2,

 

где I_обр (T₀) – значение обратного тока, измеренное при заданной T₀ (часто T₀=298 К), ΔT = T - T₀, T₂ – «температура удвоения», т. е. изменение температуры, при котором обратный ток удваивается. Для германия T2 обычно находится в пределах 8-10 К, для кремния – 6-7 К. Также при приближенных расчетах полагают, что при увеличении T на каждые 10 К обратный ток германиевых диодов увеличивается в 2 раза, а кремниевых в 2,5 раза. Прямое напряжение диода уменьшается в среднем на 2,2 мВ при увеличении температуры на 1 К.

Стабилитроном называется полупроводниковый диод, работа которого основана на использовании явления электрического пробоя, предназначенный для стабилизации напряжения. Рабочим участком ВАХ стабилитрона является участок пробоя (рис. 5), на котором большим изменениям тока соответствуют малые изменения напряжения.

 

Рис. 5. Обратная ветвь  ВАХ стабилитрона

 

 К основным параметрам стабилитрона, определяемым для заданного номинального тока стабилизации I_ст.ном, относятся: номинальное напряжение стабилизации U_ст и его разброс; дифференциальное сопротивление r_диф =dU/dI ≈ ΔU /ΔI, температурный коэффициент напряжения стабилизации ТКU_ст. Стабилитроны с низким (менее 5 В) U_ст выполняются на основе p-n-переходов с низкоомной базой, поэтому пробой в них носит туннельный характер и с ростом температуры происходит уменьшение U_ст (ТКU_ст < 0). Для стабилитронов со сравнительно высокоомной базой напряжения стабилизации превышают 5-6 В, для них типичным является лавинный пробой, а с ростом температуры U_ст возрастает (ТКU_ст > 0). Дифференциальное сопротивление стабилитронов различных типов может находиться в пределах от десятых долей Ом до десятков Ом, с ростом тока стабилизации оно уменьшается.

 

Задание и порядок выполнения работы

 

1. Начертить принципиальные схемы для снятия прямых и обратных ветвей ВАХ диода с указанием полярности подключения источника питания и типов измерительных приборов (рис. 6). Для приборов указать пределы измерений. Выписать из приложений 1-2 типы и основные параметры исследуемых диодов и стабилитрона. Исследуемые диоды обозначены на макете VD1 и VD2; один из диодов германиевый, другой кремниевый. Стабилитрон имеет обозначение VD3. Типы исследуемых приборов указаны на макете.

Рис. 6. Схемы для исследования прямой ветви ВАХ диода (а), обратной ветви ВАХ диода (б) и обратной ветви ВАХ стабилитрона (в)

 

Замечание. При снятии ВАХ нужно свести к минимуму погрешности, вносимые измерительными приборами из-за их неидеальности: внутреннее сопротивление вольтметра очень высокое, но не бесконечное, а внутреннее сопротивление измерителя тока отличается от нуля и зависит от предела измерения. Поэтому схемы снятия прямой и обратной ветвей ВАХ диода отличаются не только полярностью подключения источника питания, но и способом включения в схему измерительных приборов. Так, при снятии прямой ветви ВАХ (рис. 6, а) вольтметр подключен параллельно диоду и измеряет напряжение на нем, а миллиамперметр измеряет сумму тока диода и тока, протекающего через вольтметр, что и приводит к измерению тока с погрешностью. Однако из-за высокого внутреннего сопротивления вольтметра (порядка 10 МОм) ток вольтметра будет составлять единицы мкА, т. е. для большей части измеряемой ВАХ будет минимум на 2-3 порядка меньше тока диода. Поэтому погрешность измерения тока диода будет небольшой. Если же подсоединить вольтметр к схеме так, как показано на рис. 6, б, то он будет измерять сумму прямого напряжения на диоде и падения напряжения на внутреннем сопротивлении миллиамперметра, которые могут оказаться соизмеримыми. В этом случае погрешность измерения будет гораздо большей.

Однако при снятии обратной ветви ВАХ именно вариант, показанный на рис. 6, б обеспечивает минимальную погрешность измерения, т. к. падение напряжения на внутреннем сопротивлении микроамперметра (достаточно далеком от нуля), создаваемое очень малым обратным током диода, будет на несколько порядков меньше обратного напряжения диода. Если же вольтметр подключить непосредственно к диоду, то он будет измерять только обратное напряжение диода, но микроамперметр будет измерять сумму обратного тока диода и тока вольтметра. Малый обратный ток диода может быть соизмерим с током вольтметра, а для кремниевых диодов может быть и гораздо меньше, и в этом случае погрешность измерения обратного тока диода может быть недопустимо большой.

2. Снять прямую ветвь ВАХ диодов VD1 и VD2.

Собрать схему для снятия характеристики; диод VD1 включить в прямом направлении в соответствии со схемой рис. 6, а. При снятии начального участка прямой ветви ВАХ (токи менее 150 мкА) последовательно с диодом включить резистор 100 кОм. Изменяя выходное напряжение источника питания, последовательно устанавливать токи диода 50 мкА, 100 мкА; 500 мкА, 1 мА, 2 мА, 5 мА, 7 мА, 10 мА и измерять соответствующие им напряжения на диоде. Для получения токов 500 мкА и более заменить резистор 100 кОм на 620 Ом, предварительно отключив источник питания (либо уменьшив его выходное напряжение до нуля). Аналогично снять прямую ветвь ВАХ диода VD2.

По результатам измерений построить графики прямых ветвей ВАХ диодов VD1 и VD2 в одной системе координат.