13267

ИССЛЕДОВАНИЕ ДИОДОВ

Лабораторная работа

Физика

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 8 ЭТ ИССЛЕДОВАНИЕ ДИОДОВ Цель работы: Изучение полупроводниковых диодов и стабилитронов снятие их вольтамперных характеристик. Приборы: 1.Универсальный стенд.

Русский

2013-05-11

361.5 KB

9 чел.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 8 ЭТ

ИССЛЕДОВАНИЕ ДИОДОВ

Цель работы:  Изучение полупроводниковых диодов и стабилитронов,  

                                снятие их вольтамперных характеристик.

Приборы:                  1.Универсальный стенд.

                                   2. Осциллограф.

 3. Вольтметр.

 4. Амперметр.

        8.1.Теоретическое введение

8.1.1.Общие сведения о полупроводниковых приборах.

Полупроводники являются широким классом материалов, которые по своей электропроводности занимают промежуточное положение между проводниками и диэлектриками. При комнатной температуре удельное сопротивление проводников – 10-8…10-5, полупроводников – 10-6... 108 и диэлектриков – 107... 1017.;

Наиболее широкое распространение получили полупроводниковые элементы германий (Ge) и кремний (Si), расположенные в четвертой группе периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева, а также некоторые соединения – арсенид галлия (GaAs), окись цинка (ZnO).

Заметим, что кремний широко распространен, его содержание в земной коре составляет 28%, но техника получения чистого кремния очень сложна, поэтому кремниевые приборы стоят дороже, чем германиевые, хотя германий является редким элементом. 

Полупроводниковые материалы четвертой группы образуют кристаллическую решетку с парными ковалентными связями между атомами кристаллической решетки. Число ковалентных парных связей равно числу валентных электронов, т.е. четырем (рис. 8.1(а) ).

Если на атомы идеального кристалла не действуют внешние источники энергии (свет, теплота), способные нарушить его электронную структуру, то все атомы электрически нейтральны. Такой идеальный кристалл кремния не проводит электрический ток.

                Рис.8.1. Атомная структура полупроводников:

                                                 а - чистый полупроводник;

                   б - электропроводность n-типа;

                   в - электропроводность p-типа.

При температуре  в чистом полупроводнике отсутствуют носители электрического заряда. При повышении температуры некоторые ковалентные связи в кристаллической решетке нарушаются, что обусловлено температурными колебаниями атомов. При этом выделяются носители зарядов двух типов: отрицательные – электроны и положительные – дырки. Таким образом, при воздействии температуры в полупроводнике появляются носители электрических зарядов двух знаков.

Процесс образования носителей заряда под воздействием температуры называется термогенерацией носителей. Обратный процесс называется рекомбинацией носителей. В количественном отношении носители заряда в полупроводнике взаимно компенсируют друг друга. Электропроводность полупроводника, обусловленная образованием носителей заряда под действием температуры, называется собственной.

Проводимость металлов обусловлена наличием свободных электронов проводимости, слабо связанных с атомами. В соответствии с представлениями зонной теории непрерывная последовательность свободных разрешенных энергетических уровней непосредственно примыкает к заполненной части зоны энергий валентных электронов и переход электронов из валентных в свободные может происходить при сколь угодно малых затратах энергии.

В полупроводниках зона энергетических уровней совокупности атомов кристалла в соответствии с принципом запрета Паули отделена от зоны энергетических уровней свободных электронов проводимости запрещенной зоной (рис.8.2) для перехода валентного электрона в свободный ему необходимо сообщить некоторое количество энергии. Эта энергия может быть тепловой, обусловленной нагревом, энергией излучения или другой. С увеличением температуры возрастает  число электронов, переходящих из валентной зоны в зону проводимости; в отличие от проводников проводимость полупроводников возрастает с ростом температуры.

Рис.8.2. Энергетическая диаграмма.

Электропроводность n-типа. Сильное влияние на электропроводность полупроводников оказывают примеси. Если в полупроводниковый материал четвертой группы периодической системы добавить в виде примеси материал из пятой группы (например, фосфор), то четыре валентных электрона примеси образуют ковалентные связи с четырьмя валентными электронами полупроводника, а пятый валентный электрон примеси такой связи не образует, т.е. появляются носители электрического заряда - свободные электроны, которые могут свободно перемещаться по объему полупроводника.

Электропроводность полупроводника, обусловленная носителями электрического заряда отрицательного знака, т.е. свободными электронами, носит название электропроводности п-типа, а полупроводник, реализующий электропроводность  p-типа. называется полупроводником п-типа (рис.8.1(б)). Примесь, которая обусловливает электропроводность n-типа, называется донорной (отдающей). При образовании свободного электрона атом примеси приобретает положительный заряд и становится неподвижным ионом.

Электропроводность p-типа. Если в полупроводниковый материал четвертой группы периодической системы добавить в виде  примеси материал из третьей группы (например, индий), то три валентных электрона примеси образуют ковалентные связи с тремя валентными электронами полупроводника. Недостающий валентный электрон для образования ковалентной связи легко притягивается атомом примеси от одного из соседних атомов полупроводника. На месте разорванной ковалентной связи образуется носитель электрического заряда положительного знака (дырка), а атом примеси при этом приобретает отрицательный заряд и становится неподвижным ионом.

Электропроводность полупроводника, обусловленная носителями электрического заряда положительного знака, т.е. свободными дырками, носит название электропроводности р-типа, а полупроводник, реализующий электропроводность p-типа, называется полупроводником р-типа (рис. 8.1(в)). Примесь, которая обусловливает электропроводность p-типа, называется акцепторной (принимающей).

Носители электрического заряда, образующиеся в результате добавления примеси в полупроводник, количественно преобладают над носителями заряда, получаемыми в результате процесса термогенерации, поэтому электроны в n-полупроводнике и дырки в p-полупроводнике носят название основных носителей электрического заряда. В свою очередь электроны в p-полупроводнике и дырки в n-полупроводнике носят название неосновных носителей электрического заряда.

Полупроводниковым диодом называют полупроводниковый прибор с одним выпрямляющим электрическим переходом, имеющим два вывода. В качестве выпрямляющего электрического перехода используется электронно-дырочный (р-п) переход, разделяющий p- и n-области кристалла полупроводника (рис. 8.3).

                     

Рис.8.3. Схема включения полупроводникового диода и пространственное распределение объемных зарядов p-n- перехода в отсутствии внешнего напряжения.

К р- и n-областям кристалла привариваются или припаиваются металлические выводы, и вся система заключается в металлический, металлокерамический, стеклянный или пластмассовый корпус.

По конструктивному выполнению различают точечные и плоскостные диоды. Широкое применение диоды получили в источниках вторичного электропитания (выпрямителях). Одна из полупроводниковых областей кристалла, имеющая более высокую концентрацию примесей (а следовательно, и основных носителей заряда), называется эмиттером, а вторая, с меньшей концентрацией, – базой. Если эмиттером является p-область, для которой основными носителями заряда служат дырки, а базой - n-область (основные носители заряда – электроны), то выполняется условие      pp»nn , где pp - дырки в p-области; nn-электроны в n-области.

Дырки в n-области, где они являются не основными носителями зарядов, обозначают pn.

Принцип работы диода. При отсутствии внешнего напряжения, приложенного к выводам диода, в результате встречной диффузии дырок (из р- в n-область) и электронов (из п- в p-область) в объеме полупроводникового кристалла, расположенного вблизи границы раздела двух областей с различной проводимостью, окажутся некомпенсированными заряды неподвижных ионов примесей (акцепторов для p-области и доноров для n-области), которые по обе стороны раздела полупроводникового кристалла создадут область объемного заряда (рис.8.3). Для сохранения электрической нейтральности полупроводниковой структуры число диффундируемых через р-n-переход основных носителей заряда из одной области должно равняться числу диффундируемых основных носителей заряда из другой области. С учетом того что концентрация электронов пn в базе значительно меньше концентрации дырок рр  эмиттере, область объемного заряда со стороны базы будет боль-ре, чем со стороны эмиттера. Образованный в результате встречной диффузии объемный заряд создает напряженность Езар электрического поля, препятствующего дальнейшей встречной диффузии основных носителей зарядов.

Диффузия практически прекращается, когда энергия носителей заряда недостаточна, чтобы преодолеть созданный потенциальный барьер.

                    

Разность потенциалов  на p-n-переходе называется высотой потенциального барьера.

Если к выводам диода приложить прямое напряжение, то создаваемая им напряженность  электрического поля будет противоположна направлению напряженности  объемного заряда. В область базы (по мере возрастания напряжения ) будет вводиться (инжектироваться) все большее число дырок, являющихся не основными для n-области базы носителями заряда, которые и образуют прямой ток диода . Встречной инжекцией пп в область эмиттера можно пренебречь, учитывая, что рр » пn.

Если к выводам диода приложить обратное напряжение , то создаваемая им напряженность  электрического поля, совпадая по направлению с напряженностью  объемного заряда, повышает потенциальный барьер и препятствует переходу основных носителей заряда в соседнюю область. Однако суммарная напряженность электрических полей способствует извлечению (экстракции) не основных носителей заряда: пр - из р- в n-область и рп - из п- в p-область, которые и образуют обратный ток р-п-перехода. Число не основных носителей заряда значительно изменяется при изменении температуры, возрастая с ее повышением, поэтому обратный ток, образованный за счет не основных носителей, называют тепловым током .

Вольтамперная характеристика диода имеет вид, приведенный на рис. 8.4 (сплошная линия), и определяется следующим выражением:

                              

Рис.8. 4.Вольтамперная характеристика полупроводникового диода.

где напряжение на р-n-переходе; температурный потенциал (при , ). Здесь постоянная Больцмана; абсолютная температура; заряд электрона.

Эта формула  соответствует ВАХ идеального р-п-перехода и не отражает некоторых свойств реального диода.

При определенном значении напряжения  начинается лавинообразный процесс нарастания тока , соответствующий электрическому пробою р-п-перехода (отрезок АВ на рис.8.4). Если в этот момент ток не ограничить, то электрический пробой переходит в тепловой (участок ВАХ после точки В). Такая последовательность лавинообразного процесса нарастания тока  характерна для кремниевых диодов. Для германиевых диодов с увеличением обратного напряжения тепловой пробой р-n-перехода наступает практически одновременно с началом лавинообразного процесса нарастания тока . Электрический пробой обратим, т.е. после уменьшения напряжения  работа диода соответствует пологому участку обратной ветви ВАХ. Тепловой пробой необратим, так как разрушает р-n -переход.

Прямой ток диода также зависит от температуры окружающей среды, возрастая с ее повышением, хотя и в значительно меньшей степени, чем обратный ток. Для оценки температурной зависимости прямой ветви ВАХ диода служит температурный коэффициент напряжения, ,

                       

который показывает относительное изменение прямого напряжения за счет изменения температуры на 1  при некотором значении прямого тока.

Диоды классифицируют по следующим признакам: площадь перехода –плоскостные, точечные; полупроводниковый материал – германиевые, кремниевые, из арсенида галлия; назначение – выпрямительные, импульсные, сверхвысокочастотные, стабилитроны, варикапы; принцип действия – туннельные, диоды Шотки, излучающие, диоды Ганна.

Рассмотрим некоторые из них, наиболее широко применяемые на практике.

Выпрямительный диод представляет собой электронный ключ, управляемый приложенным к нему напряжением. Такой диод использует вентильные свойства р-n-перехода и применяется в выпрямителях переменного тока. В качестве исходного материала при изготовлении выпрямительных диодов используют германий и кремний. Если напряжение приложено в прямом направлении, то ключ замкнут, а при обратном - разомкнут. Однако в обоих случаях этот ключ не является идеальным. При подаче прямого напряжения  ключ обладает небольшим дифференциальным сопротивлением, поэтому за счет падения напряжения  на открытом диоде выпрямленное напряжение, снимаемое с нагрузочного устройства, несколько ниже входного напряжения ( не превышает у германиевых диодов 0,5 В, а у кремниевых 1,5 В).

Основными параметрами выпрямительных диодов являются:

– максимальное (за период входного напряжения) значение среднего прямого тока диода

– допустимое наибольшее значение постоянного обратного напряжения диода ;

– максимально допустимая частота входного напряжения

– значение прямого падения напряжения на диоде при заданном прямом токе .

Выпрямительные диоды классифицируют также по мощности и частоте:

маломощные ( 0,3 А), средней мощности (0,3 А   10 А), большой мощности ( 10А); низкочастотные (< 103 Гц), высокочастотные (> 103 Гц)

В качестве выпрямительных устройств также применяют диоды, выполненные на выпрямляющем переходе металл – полупроводник (диоды Шотки). Их отличает меньшее, чем у диодов с р-n- переходом, напряжение  и лучшие частотные характеристики.

Импульсный диод – полупроводниковый диод, имеющий малую длительность переходных процессов и использующий, так же как и выпрямительный диод, при своей работе прямую и обратную ветви ВАХ.

Длительность переходных процессов в диоде обусловлена тем, что изменение управления и значения тока через него при изменении подводимого к нему напряжения не может происходить мгновенно из-за перезаряда емкости выпрямляющего перехода и инерционных процессов рассасывания инжектированных в базу не основных носителей заряда. Последнее явление определяет быстродействие диодов и характеризуется специальным параметром – временем вoccmaновления  его обратного сопротивления, которое равно интервалу времени между моментом переключения напряжения на диод прямого на обратное и моментом, когда обратный ток, равный момент переключения напряжения прямому току, достигнет своего минимального значения. Поэтому кроме параметров , , , характеризующих выпрямительные свойства, для импульсных диодов вводится параметр , характеризующий быстродействие.

Для повышения быстродействия импульсные диоды изготовляют в виде точечных структур, что обеспечивает минимальную площадь p-n-перехода. Одновременно толщину базы делают минимально возможной для достижения минимального времени восстановления диодов. В качестве импульсных находят применение и диоды Шотки.

Точечный диод – это прибор, в котором все размеры электрического перехода меньше размеров областей, окружающих его и определяющих физические процессы в переходе. Такой переход возникает, например, при вплавлении кончика металлической иглы в полупроводниковую пластину с одновременной присадкой легирующего вещества. Из-за малой площади перехода точечный диод относится к маломощным приборам и применяется главным образом в аппаратуре сверхвысоких частот. Допустимая мощность рассеивания точечных диодов – около 20 мВт при значениях прямого тока 10–20 мА.

Плоскостной диод представляет собой прибор, в котором p-n-переход возникает на значительной по площади (до 1000 мм2 в силовых выпрямительных диодах) границе между полупроводниками p- и n-типов. В таких диодах переход получается методами плавления полупроводниковых пластин p- и n-типов или диффузии в исходную полупроводниковую пластину примесных атомов. Вследствие большой площади p- и n-переходов допустимая мощность рассеивания плоскостных диодов малой мощности с естественным охлаждением достигает 1 Вт при значениях прямого тока до 1А.

Стабилитрон и стабистор применяются в нелинейных цепях постоянного тока для стабилизации напряжения. В этих диодах используется явление неразрушающего электрического пробоя p-n-перехода при определенных значениях  обратного напряжения. Значение напряжения неразрушающего пробоя определяется конструкцией p-n-перехода и электрофизическими свойствами полупроводника. Отличие стабилитрона от стабистора заключается в используемой ветви ВАХ для стабилизации напряжения. Вольтамперная характеристика диода имеет участки АВ и CD (рис.8.4), на которых значительному изменению тока соответствует незначительное изменение напряжения при сравнительно линейной их зависимости. Для стабилизации высокого напряжения (больше 3 В) используют обратную ветвь (участок АВ) ВАХ. Применяемые для этой цели диоды называют стабилитронами. Для стабилизации небольших значений напряжений (меньше 1 В, например, в интегральных схемах) используют прямую ветвь (участок CD) ВАХ, а применяемые в этом случае диоды называют стабисторами.

Стабилитроны и стабисторы изготовляют, как правило, из кремния. При использовании высоколегированного кремния (высокая концентрация примесей, а следовательно, и свободных носителей заряда) напряжение стабилизации понижается, а с уменьшением степени легирования кремния - повышается. Соответственно различают низко – и высоковольтные стабилитроны с напряжением стабилизации от 3 до 400 В.

                                    

 Рис.8.5. Вольтамперная характеристика стабилитрона и простейшая схема  

стабилизатора напряжения со стабилитроном.

К основным параметрам стабилитрона относятся:

– напряжение стабилизации при заданном токе ;

– дифференциальное сопротивление при заданном токе ; 

– минимально допустимый ток стабилизации ;

– максимально допустимый ток стабилизации ;

– максимально допустимая рассеиваемая мощность ;

             8.2. Электрическая схема

                  

Рис.8.6.  Схема для снятия вольтамперных характеристик диодов

                      

Рис.8.7. Схема для осцилографирования вольтамперных характеристик диодов

                       8.3. Ход работы.

Задание 1. Снятие вольтамперных характеристик диодов.

1. Подключить амперметр и вольтметр.

2. Включить стол.

3. С помощью ключа  П1 установить входное напряжение (5 или 15 В).

4. С помощью ключа  П2 замкнуть ветвь, содержащую диод VД1.

5. Меняя потенциометр RП , произвести снятие вольтамперных характеристики диодаи занести данные в таблицу №1.

6. С помощью ключа П5–П5` поменять полярность на диодах.

7. Произвести аналогичные измерения зависимости , занести данные в таблицу, причем учесть, что данные значения являются отрицательными.

8. Для диода VД2 и стабилитрона VД3 проделать пункты 5–7.

Таблица№1

VД1

, мА

, В

, мА

, В

VД2

, мА

, В

, мА

, В

VД3

, мА

, В

, мА

, В

По полученным данным определить прямые сопротивления диодов по формуле динамические сопротивления: , где приращения  и  определяются графически; обратные сопротивления:  и занести в таблицу №2. Построить вольтамперные характеристики.

Задание 2. Осциллографирование прохождения синусоидального

                   сигнала  через диоды.

  1.  С помощью ключей П1,П2,П3 замыкаем диоды VД1,VД2 и стабилитрон VД3.
  2.  Подключить один из каналов осциллографа, замкнуть условный «минус» на землю (), а условный «плюс» на вход X и Y.
  3.  Зарисовать осциллограммы, при этом зафиксировать коэффициенты.

Таблица №2

VД1

VД2

VД3

Rпр,

Ом

Rд,

Ом

Rобр,

Ом

Rпр,

Ом

Rд,

Ом

Rобр,

Ом

Rпр,

Ом

Rд,

Ом

Rобр,

Ом

        8.4.Контрольные вопросы.

1. Электронные структуры полупроводников p- и n-типа.

2. Явления, возникающие на границе раздела полупроводников p- и n-типов.

3. Полупроводниковый диод, его вольтамперная характеристика.

4. Выпрямительный диод, его основные параметры.

5. Импульсный диод и его характеристика.  

6. Точечные и плоскостные диоды.

7. Принцип работы и вольтамперная характеристика стабилитрона.

PAGE  1


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

58000. Форматування тексту 55 KB
  Мета уроку: знайомити учнів з поняттям форматування та видами Форматування; Вчити використовувати засоби форматування тексту, Застосовувати кнопки панелі інструментів та нестандартні символи при оформлені текстів; розвивати абстрактне мислення, творчий підхід до ство рення документів.
58001. ФОРМУЛИ СКОРОЧЕНОГО МНОЖЕННЯ 151.5 KB
  Вчитель відкриває на ІАД правильні відповіді які до цього момента були приховані. Вчитель викликає до дошки по черзі чотирьох учнів кожен з яких за допомогою стрілок з’єднує записи завдань із записами правильних рішень.
58002. Freizeit. Вільний час 4.64 MB
  Мета: Тренувати учнів у вживанні нової лексики: die Freizeit, das Spiel, spielen, der Fussball, der Volleyball, der Federball, fernsehen, der Basketball, das Klavier, rauchen, der Rad, schwimmen, skaten, stricken, hören, die Musik, fahren, lesen, tanzen, nähen, backen, tauchen.
58003. Freizeit und Hobbys 93.5 KB
  Мета: Активізувати вживання вивчених ЛО до теми “Freizeit”. Навчати учнів вести бесіду, працювати у парах та групах. Повторити граматичний матеріал Модальні дієслова. Удосконалювати навички говоріння,читання,письма, аудіювання.
58004. Загальні відомості про функції. Класифікація функцій 299.5 KB
  Загальні відомості про функції. Навчити студентів застосовувати стандартні та функції користувача при реалізації програмних кодів на мові С....
58005. Квадратична функція у=ах2+вх.+с, (а≠0), її графік і властивості 60.5 KB
  Мета: систематизувати та узагальнювати матеріал, опрацьований на попередніх уроках, повторити, уточнити нові поняття; систематизувати та узагальнювати знання, отримані учнями в процесі вивчення теми. Розвивальні: розвивати увагу, мислення, память, культуру математичного мовлення...
58006. Функція у = х2 її властивості, графік 64.5 KB
  Функція у = х2 її властивості графік Мета: домогтися засвоєння учнями властивостей функції у = х2 і властивостей її графіка та способу застосування графіка функції у = х2 для графічного розвязання рівнянь виду х2 = а; формувати вміння відтворювати зміст вивчених понять відпрацювати навички роботи з графіком функції...
58007. Від атома до Галактики 158 KB
  Мета уроку: Узагальнити і систематизувати знання учнів по темі „Степінь з цілим показником”. Формувати в учнів вміння встановлювити головне. Самостійно застосовувати набуті знання в стандартних і не стандартних ситуаціях, а також вміння аналізувати певні математичні твердження, робити висновки.
58008. Чотирикутники. Подібність трикутників. Теорема Піфагора. Площі многокутників Розв’язування прямокутних трикутників 175.5 KB
  Мета уроку: Вдосконалення компентентності учнів з теми: Подібність трикутників, теореми Піфагора; площі многокутників; розв’язування прямокутних трикутників. Формувати вміння застосовувати їх під час розв’язування практичних (прикладних) задач; активізувати пізнавальну діяльність учнів;