Свйства электронно-дырочного перехода

Содержание

1. Цель работы... 3

2. Краткие теоретические сведения.. 3

2.1 СВЙСТВА ЭЛЕКТРОННО-ДЫРОЧНОГО ПЕРЕХОДА.. 3

2.2 ДИОДЫ... 7

2.3 ДИОДЫ ШОТТКИ.. 10

2.4 СВЕТОИЗЛУЧАЮЩИЕ ДИОДЫ... 11

2.5 СТАБИЛИТРОНЫ... 14

3. техническиЕ средствА ДЛЯ выполнения работы. 15

4. ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ ЭКПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ.. 15

4. 1 Снятие вольтамперной характеристики резистора. 15

4. 2 Снятие вольтамперной характеристики диода. 17

4. 3 Снятие вольтамперной характеристики диода Шоттки. 19

4. 4 Снятие вольтамперной характеристики светодиода. 20

4. 5 Снятие вольтамперной характеристики стабилитрона. 21

5. ОБРАБОТКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ДАННЫХ.. 22

6. Содержание отчета о выполнении лабораторной работы... 23

7. Порядок защиты работы... 24

8. Контрольные вопросы... 24

Библиографический список.. 24

приложение а.. 25

 

Цель работы

Исследование характеристик диодов, стабилитронов, светоизлучающих диодов.

Краткие теоретические сведения

СВЙСТВА ЭЛЕКТРОННО-ДЫРОЧНОГО ПЕРЕХОДА

Электронно-дырочным переходом называют тонкий слой между двумя частями полупроводникового кристалла, в котором одна часть имеет электронную, а другая — дырочную электропроводность. Технологический процесс создания электронно-дырочного перехода может быть различным: сплавление (сплавные диоды), диффузия одного вещества в другое (диффузионные диоды), эпитаксия — ориентированный рост одного кристалла на поверхности другого (эпитаксиальные диоды) и др. По конструкции электронно-дырочные переходы могут быть симметричными и несимметричными, резкими и плавными, плоскостными и точечными и др. Однако для всех типов переходов основным свойством является несимметричная электропроводность, при которой в одном направлении кристалл пропускает ток, а в другом — не пропускает.

Устройство электронно-дырочного перехода показано на рис. 1.

Рис. 1. – Устройство электронно-дырочного перехода

Одна часть этого перехода легирована донорной примесью и имеет электронную проводимость. Другая часть, легированная акцепторной примесью, имеет дырочную проводимость. Концентрация электронов в одной части и концентрация дырок в другой существенно различаются. Кроме того, в обеих частях имеется небольшая концентрация неосновных носителей.

Электроны в N-области стремятся проникнуть в P-область, где концентрация электронов значительно ниже. Аналогично, дырки из P-области перемещаются в N-область. В результате встречного движения противоположных зарядов возникает так называемый диффузионный ток. Электроны и дырки, перейдя через границу раздела, оставляют после себя противоположные заряды, которые препятствуют дальнейшему прохождению диффузионного тока. В результате на границе устанавливается динамическое равновесие и при замыкании N- и P-областей ток в цепи не протекает. Распределение плотности объемного заряда в переходе приведено на рис. 1.

При этом внутри кристалла на границе раздела возникает собственное электрическое поле E_собст. направление которого показано на рис. 1.     Напряженность этого поля максимальна на границе раздела, где происходит скачкообразное изменение знака объемного заряда. На некотором удалении от границы раздела объемный заряд отсутствует и полупроводник является нейтральным.

Высота потенциального барьера на P-N-переходе определяется контактной разностью потенциалов N- и Р-областей. Контактная разность потенциалов, в свою очередь, зависит от концентрации примесей в этих областях.

Контактная разность потенциалов для германия имеет значение 0,6... 0,7 В, а для кремния — 0,9...1,2В. Высоту потенциального барьера можно изменять приложением внешнего напряжения к P-N-переходу. Если внешнее напряжение создает в P-N-переходе поле, которое совпадает с внутренним, то высота потенциального барьера увеличивается, при обратной полярности приложенного напряжения высота потенциального барьера уменьшается. Если приложенное напряжение равно контактной разности потенциалов, то потенциальный барьер исчезает.

Для описания зависимости тока через двухполюсник от напряжения на этом двухполюснике используют вольтамперную характеристику(ВАХ). Она описывает поведение двухполюсника при помощи функции выражающей эту зависимость или графика этой функции. Чаще всего рассматривают ВАХ нелинейных элементов (степень нелинейности определяется коэффициентом нелинейности 

.

Вольтамперная характеристика P-N-перехода представляет собой зависимость тока через переход при изменении на нем значения и полярности приложенного напряжения. Если приложенное напряжение снижает потенциальный барьер, то оно называется прямым, а если повышает его — обратным. Приложение прямого и обратного напряжения P-N-переходу показано на рис. 2.

Рис. 2. – Приложение обратного и прямого напряжений к P-N-переходу

 

Обратный ток в P-N-переходе вызывается неосновными носителями одной из областей, которые, дрейфуя в электрическом поле области объемного заряда, попадают в область, где они уже являются основными носителями. Так как концентрация основных носителей существенно превышает концентрацию неосновных, то появление незначительного дополнительного количества основных носителей практически не изменит равновесного состояния полупроводника. Таким образом, обратный ток зависит только от количества неосновных носителей, появляющихся на границах области объемного заряда. Внешнее приложенное напряжение определяет скорость перемещения этих носителей из одной области в другую, но не число носителей, проходящих через переход в единицу времени. Следовательно, обратный ток через переход является током проводимости и не зависит от высоты потенциального барьера, т. е. он остается постоянным при изменении обратного напряжения па переходе. Этот ток называется током насыщения и обозначается

При прямом смещении P-N-перехода появляется (диффузионный) ток, вызванный диффузией основных носителей, преодолевающих потенциальный барьер. Пройдя P-N-переход, эти носители попадают в область полупроводника, для которой они являются неосновными носителями. Концентрация неосновных носителей при этом может существенно возрасти по сравнению с равновесной концентрацией. Такое явление носит название инжекции носителей.

Таким образом, при протекании прямого тока через переход из электронной области в дырочную будет происходить инжекция электронов, а из дырочной области будет происходить инжекция дырок. Диффузионный ток зависит от высоты потенциального барьера и по мере его снижения увеличивается экспоненциально:

,                                      (1)

где U — напряжение на P-N -переходе,

– температурный потенциал; k – постоянная Больцмана;

T – абсолютная температура в градусах кельвина; e – заряд электрона.

Кроме диффузионного тока прямой ток содержит ток проводимости, протекающий в противоположном направлении, поэтому полный ток при прямом смещении P-N перехода будет равен разности диффузионного тока (1) и тока проводимости:

                               (2)

 

Уравнение (2) называется уравнением Эберса — Молла, а соответствующая ему вольтамперная характеристика P-N-перехода приведена на рис. 3.

Рис. 3. – Вольтамперная характеристика P-N -перехода

 

Поскольку при T=300 К тепловой потенциал =25мВ, то уже при U=0,1 В можно считать, что

                                         

Дифференциальное сопротивление P-N-перехода можно определить, воспользовавшись формулой (2)

откуда получаем .

Так, например, при токе I=1А и =25 мВ дифференциальное сопротивление перехода равно 25мОм.

Предельное значение напряжения на P-N-переходе при прямом смещении не превышает контактной разности потенциалов . Обратное напряжение ограничивается пробоем P-N-перехода. Пробой P-N-перехода возникает за счет лавинного размножения неосновных носителей. Существует три вида пробоев: туннельный, лавинный и тепловой. Туннельный и лавинный пробои представляют собой разновидности электрического пробоя и связаны с увеличением напряженности электрического поля в переходе. Тепловой пробой определяется перегревом перехода.

При лавинном пробое P-N-перехода ток через переход ограничивается лишь сопротивлением питающей P-N-переход электрической цепи.

ДИОДЫ

Полупроводниковым диодом называют прибор, который имеет два вывода и содержит один (или несколько) P-N-переходов. Все полупроводниковые диоды можно разделить на две группы: выпрямительные и специальные. Выпрямительные диоды, как следует из самого названия, предназначены для выпрямления переменного тока. В зависимости от частоты и формы переменного напряжения они делятся на высокочастотные, низкочастотные и импульсные. Специальные типы полупроводниковых диодов используют различные свойства P-N-переходов; явление пробоя, барьерную емкость, наличие участков с отрицательным сопротивлением и др.

Конструктивно выпрямительные диоды делятся на плоскостные и точечные, а по технологии изготовления на сплавные, диффузионные и эпитаксиальные. Плоскостные диоды благодаря большой площади P-N-перехода используются для выпрямления больших токов. Точечные диоды имеют малую площадь перехода и, соответственно, предназначены для выпрямления малых токов. Напряжение лавинного пробоя выпрямительных диодов может превышать 1000 В.

 Для увеличения напряжения лавинного пробоя используются выпрямительные столбы, состоящие из ряда последовательно включенных диодов.

Выпрямительные диоды большой мощности называют силовыми. Материалом для таких диодов обычно служит кремний или арсенид галлия. При большом токе через P-N-переход значительное напряжение падает в объеме полупроводника, и пренебрегать им нельзя. С учетом выражения (2) вольт- амперная характеристика выпрямительного диода приобретает вид

                                    

где R — сопротивление объема полупроводникового кристалла, которое называют последовательным сопротивлением.

Условное графическое обозначение полупроводникового диода, его структура и ВАХ приведены на рис. 4. Электрод диода, подключенный к области Р, называют анодом, а электрод, подключенный к области N, — катодом.

 

Рис. 4. – Полупроводниковый диод и его ВАХ

Силовые диоды обычно характеризуют набором статических и динамических параметров.

К статическим параметрам диода относятся:

• падение напряжения U_пр. на диоде при некотором значении прямого тока;

• обратный ток I_обр., при некотором значении обратного напряжения;

• среднее значение прямого тока I_пр.ср.;

• импульсное обратное напряжение U_{обр. и}

К динамическим параметрам диода относятся его временные или частотные характеристики.

К таким параметрам относятся:

• время обратного восстановления диода t_вос.;

• время нарастания прямого тока t_нар;

• предельная частота без снижения режимов диода f_mах.

Статические параметры можно установить по вольтамперной характеристике диода.

Время обратного восстановления диода t_вос. является основным параметром выпрямительных диодов, характеризующим их инерционные свойства. Оно определяется при переключении диода с заданного прямого тока I_пр. на заданное обратное напряжение U_обр. Графики такого переключения приведены и схема испытания приведены на рис. 5.

Схема испытания представляет собой однополупериодный выпрямитель, работающий на резистивную нагрузку и питаемый от источника напряжения прямоугольный формы.

Рис. 5. – Графики процессов запирания и отпирания диода и схема испытания

Напряжение на входе схемы в момент времени t=0 скачком приобретает положительное значение Um. Из-за инерционности диффузионного процесса ток в диоде появляется не мгновенно, а нарастает в течение времени t_нар. Совместно с нарастанием тока в диоде снижается напряжение на диоде, которое после t_нар. становится равным U_пр.. В момент времени в цепи устанавливается стационарный режим, при котором ток диода i= I_n ≈ Um / Rн.

Такое положение сохраняется вплоть до момента времени t₂. когда полярность напряжения питания меняется на противоположную. Однако заряды, накопленные на границе P-N-перехода, некоторое время поддерживают диод в открытом состоянии, но направление тока в диоде меняется на противоположное. По существу, происходит рассасывание зарядов на границе P-N-перехода (т. е. разряд эквивалентной емкости). После интервала времени рассасывания начинается процесс выключения диода, т. е. процесс восстановления его запирающих свойств.

К моменту времени t₃, напряжение на диоде становится равным нулю, и в дальнейшем приобретает обратное значение. Процесс восстановления запирающих свойств диода продолжается до момента времени t₄, после чего диод оказывается запертым. К этому времени ток в диоде становится равным I_обр., а напряжение достигает значения - Um. Таким образом, время t_вос. можно отсчитывать от перехода Uд через нуль до достижения током диода значения I_обр..

Рассмотрение процессов включения и выключения выпрямительного диода показывает, что он не является идеальным вентилем и в определенных условиях обладает проводимостью в обратном направлении. Время рассасывания неосновных носителей в P-N-переходе можно определить по формуле

                                            

где  — время жизни неосновных носителей. Обычные значения  находятся в пределах 0,1-10 мкс.

Время восстановления обратного напряжения на диоде можно оценить по приближенному выражению

                                            

Следует отмстить, что при R =0 (что соответствует работе диода на емкостную нагрузку) обратный ток через диод в момент его запирания может во много раз превышать ток нагрузки в стационарном режиме.

Из рассмотрения графиков на рис. 5 следует, что мощность потерь в диоде резко повышается при его включении и, особенно, при выключении. Следовательно, потери в диоде растут с повышением частоты выпрямленного напряжения. При работе диода на низкой частоте и гармонической форме напряжения питания импульсы тока большой амплитуды отсутствуют и потери в диоде резко снижаются.

При изменении температуры корпуса диода изменяются его параметры. Эта зависимость должна учитываться при разработке аппаратуры. Наиболее сильно зависят от температуры прямое напряжение на диоде и его обратный ток. Температурный коэффициент напряжения (ТКН) на диоде имеет отрицательное значение, так как при увеличении температуры напряжение на диоде уменьшается. Приближенно можно считать, что ТКН U_пр. = -2 мВ/К.

Обратный ток диода зависит от температуры корпуса еще сильнее и имеет положительный коэффициент. Так, при увеличении температуры на каждые 10°С обратный ток германиевых диодов увеличивается в 2 раза, а кремниевых — 2,5 раза.

Потери в выпрямительных диодах можно рассчитывать суммируя потери в диоде при прямом направлении тока, потери в диоде при обратном токе, потери в диоде на этапе обратного восстановления.

Приближенное значение потерь в прямом направлении можно рассчитать по формуле

,                                (3)

где и — средние значения прямого тока и прямого напряжения на диоде.

 

Потери мощности при обратном токе:

Потери в диоде на этапе обратного восстановления.

,

где — частота переменного напряжения.

ДИОДЫ ШОТТКИ

Для выпрямления малых напряжений высокой частоты широко используются диоды с барьером Шоттки (ДШ). В этих диодах вместо P-N-перехода используется контакт металлической поверхности с полупроводником. В месте контакта возникают обедненные носителями заряда слои полупроводника, которые называются запорными. Диоды с барьером Шоттки отличаются от диодов с P-N-переходом по следующим параметрам:

• более низкое прямое падение напряжения;

• имеют более низкое обратное напряжение;

• более высокий ток утечки;

• почти полностью отсутствует заряд обратного восстановления.

 

   Условное графическое обозначение полупроводникового диода с барьером Шоттки, приведено на рис. 6.

Рис. 6. – Полупроводниковый диод с барьером Шоттки

 

Две основные характеристики делают эти диоды незаменимыми при проектировании низковольтных высокочастотных выпрямителей: малое прямое падение напряжения и малое время восстановления обратного напряжения. Кроме того, отсутствие неосновных носителей, требующих времени на обратное восстановление, означает физическое отсутствие потерь на переключение самого диода.

В диодах с барьером Шоттки прямое падение напряжения является функцией обратного напряжения. Максимальное обратное напряжение современных диодов Шоттки составляет сотни вольт. При этом напряжении прямое напряжение диодов Шоттки меньше прямого напряжения диодов с P-N-переходом на 0,2...0,3В.

Преимущества диода Шоттки становятся особенно заметными при выпрямлении малых напряжений. Например, 45-вольтный диод Шоттки имеет прямое напряжение 0,4...0,6В, а при том же токе диод с р-л-переходом имеет падение напряжения 0,5... 1,0В. При понижении обратного напряжения до 15В прямое напряжение уменьшается до 0,3...0,4В. В среднем применение диодов Шоттки в выпрямителе позволяет уменьшить потери примерно на 10... 15%. Максимальная рабочая частота ДШ превышает 200 кГц при токе до 30 А.

 

СВЕТОИЗЛУЧАЮЩИЕ ДИОДЫ

При пропускании электрического тока через  P-N-переход в прямом направлении носители заряда — электроны и дырки — могут рекомбинировать с излучением фотонов (из-за перехода электронов с одного энергетического уровня на другой). При использовании различных полупроводниковых материалов можно получить излучение в диапазоне от инфракрасного до ультрафиолетового. Схема включения светодиода приведена на рис. 7.

Рис. 7. – Схема включения светодиода

Токоограничивающий добавочный резистор Rд можно рассчитать по формуле:

                                              (4)

 

где: Rд - сопротивление токоограничивающего резистора;
Uип - напряжение источника питания;
Uсд - падение напряжения на светодиоде;
Iсд - рабочий ток светодиода.

    Мощность рассеивающуюся на светодиоде можно рассчитать по формуле:

                                                   (5)

Мощность рассеивающаяся на добавочном резисторе Rд можно рассчитать по формуле:

                                                             (6)

Рабочий ток большинства индикаторных светодиодов не превышает 10-20 мА. Максимальный рабочий ток осветительных светодиодов может достигать нескольких ампер. Технические характеристики светодиодов, которые оказывают влияние на его работу, условно называют входными. Речь идёт о прямом (обратном) токе и напряжении и их графической зависимости.

Техническим параметром светодиода является ток, протекающий в прямом направлении через P-N-переход. Номинальный (рабочий) ток – это ток, при котором производитель гарантирует заявленную яркость в течение всего срока эксплуатации. Также указывается максимальный ток, превышение которого ведёт к электрическому пробою.

Для некоторых модификаций номинальный прямой ток теоретически равен максимальному. В таких случаях рекомендуется эксплуатировать светодиод на 90-95% от номинального значения. Величина рабочего тока во многом зависит от размера кристалла и режима работы. Например, ток органического светодиода, используемого для формирования OLED матриц, не превышает нескольких микроампер. И, наоборот, кристалл мощностью 1 вт потребляет около 0,35 А.

Важный параметр светодиода - прямое падение напряжения при протекании через P-N-переход номинального тока. Его значение зависит от химического состава полупроводника (цвета свечения). Наименьшим прямым напряжением обладают инфракрасные диоды (около 1,9В), а наибольшим ультрафиолетовые (от 3,1 до 4,4В).

Часто указывают диапазон возможных значений от U_нач. до U_{пред. max.}

Под максимальным обратным напряжением понимают напряжение обратной полярности, прикладываемое к P-N-переходу, при превышении которого происходит электрический пробой и, как следствие, выход из строя полупроводникового прибора. Для большинства светодиодов его значение составляет 5В. Среди излучающих диодов ИК-диапазона немало приборов с допустимым обратным напряжением 1 или 2 вольта.

Мощность, рассеиваемая корпусом, определяется как произведение максимального тока и прямого напряжения и указывает на наибольшее количество энергии, которую способен эффективно рассеивать светодиод в течение длительного времени. При превышении паспортного значения в кристалле полупроводника возникает электрический или тепловой пробой.

Вольтамперная характеристика светодиода представляет собой графическую зависимость прямого тока от прикладываемого прямого напряжения. С помощью этого технического параметра можно легко узнать падение напряжения на светодиоде при задании тока определённой величины без проведения лабораторных исследований. ВАХ помогает произвести теоретические расчёты будущей электрической цепи. На рис. 8 приведены ВАХ  светодиода.

Рис. 8. – ВАХ светодиода

Под выходными параметрами подразумевают характеристики светодиодов, измеренные при определённых условиях. Замер выходных параметров производят на номинальном токе и температуре окружающей среды, равной 25°C.

Оптические характеристики светодиода выражают в виде светового потока и силы света. Световой поток (лм) – это количество световой энергии (видимый свет), излучаемой кристаллом и переносимой на поверхность за единицу времени. Для слаботочных светодиодов с рассеивающей линзой обычно указывают силу света (кд). Её физический смысл состоит в отношении светового потока к углу, внутри которого распространяется излучение. Другими словами, сила света – это интенсивность светового потока в некотором направлении. Отсюда следует, что светодиод с меньшим углом излучения обладает большей силой света при одинаковом световом потоке. Современные 5 мм светодиоды высокой яркости способны выдавать до 15 кд.

СТАБИЛИТРОНЫ

 

Для поддержания постоянства напряжения в цепях питания электронной аппаратуры широко используются стабилитроны. Стабилитроны (диоды Зенера) — это полупроводниковые диоды, предназначенные для стабилизации напряжений. Стабилитрон является разновидность полупроводникового диода, работающего при напряжении обратного смещения в режиме лавинного или туннельного пробоя. До момента наступления электрического пробоя P-N-перехода через стабилитрон течет очень малый ток утечки, а его сопротивление достаточно высокое. В момент пробоя ток через него резко увеличивается, а дифференциальное сопротивление стабилитрона снижается до малых величин. За счет этого в режиме пробоя напряжение на стабилитроне поддерживается с удовлетворительной точностью в большом диапазоне обратных токов.

ВАХ стабилитрона показанная на рис.9 а схема стабилизатора напряжения на рис. 10.

Рис. 9. – ВАХ стабилитрона

 

Рис. 10. – Схема стабилизатора напряжения

 

Работа стабилизатора основана на том свойстве стабилитрона, что на рабочем участке вольтамперной характеристики (от I_{ст. min} до I_{ст. max}) напряжение на стабилитроне практически не изменяется.

В приведенной схеме, при изменении входного напряжения или тока нагрузки - напряжение на нагрузке Rн практически не меняется (оно остаётся таким же, как и на стабилитроне), вместо этого изменяется ток через стабилитрон (в случае изменения входного напряжения и ток через балластный резистор R_б тоже). То есть, излишки входного напряжения гасятся балластным резистором R_б, величина падения напряжения на этом резисторе зависит от тока через него, а ток через него зависит в том числе от тока через стабилитрон Iст, и таким образом, получается, что изменение тока через стабилитрон регулирует величину падения напряжения на балластном резисторе.

Для нормальной работы такого стабилизатора необходимо, чтобы ток I_ст, протекающий через стабилитрон, не был меньше, чем I_{ст. min}, и не больше, чем I_{ст. max}. При изменении тока, протекающего через стабилитрон в этих пределах, на нем и на подключенной параллельно ему нагрузке Rн напряжение, называемое напряжением стабилизации U_СТ стабилитрона, будет оставаться постоянным.

Одним из важнейших параметров стабилизатора является коэффициентом стабилизации (Кст), количественно равный отношению относительного изменения напряжения на входе стабилизатора (ΔUвх/Uвх) к относительному изменению напряжения на его выходе (ΔUвых/Uвых)

                                              (7)

Приближенное значение потерь на стабилитроне (рассеиваемая мощность) в режиме стабилизации можно рассчитать по формуле

                                             (8)

Важный параметр стабилитронов ГОСТ - температурный коэффициент напряжения (ТКН), который определяется как отношение относительного изменения напряжения стабилизации к абсолютному изменению температуры окружающей среды при заданном постоянном токе стабилизации. ТКН обычных, не термокомпенсированных стабилитронов, при их номинальных токах составляет для стабилитронов туннельного пробоя (U _ст<4 E _g) от −0,05 до −0,1 %/°C, а для стабилитронов лавинного пробоя (U _ст<4 E _g) — от 0,05 до 0,1 %/°C.

Иными словами, при нагреве стабилитрона от +25 °C до +125 °C сдвиг напряжения стабилизации составит от 5 до 10 % начального значения.