Исследование характеристик полупроводниковых диодов
Цель работы: изучение полупроводниковых диодов и их характеристик.
I. Теоретическая часть
Основные понятия и определения
Электронно-дырочный переход (p-n переход) - область пространства на стыке двух полупроводников p- и n-типа, в которой происходит переход от одного типа проводимости к другому.
В полупроводнике p-типа концентрация дырок намного превышает концентрацию электронов. В полупроводнике n-типа концентрация электронов намного превышает концентрацию дырок. Если между двумя такими полупроводниками установить контакт, то возникнет диффузионный ток — носители заряда, хаотично двигаясь, перетекают из той области, где их больше, в ту область, где их меньше. При такой диффузии электроны и дырки переносят с собой заряд. Как следствие, область на границе станет заряженной, и область в полупроводнике p-типа, которая примыкает к границе раздела, получит дополнительный отрицательный заряд, приносимый электронами, а пограничная область в полупроводнике n-типа получит положительный заряд, приносимый дырками. Таким образом, граница раздела будет окружена двумя областями пространственного заряда противоположного знака.
Включенный в электрическую цепь p-n-переход обладает односторонней проводимостью, т.е. хорошо проводит ток в одном направлении и гораздо хуже в другом.
Технологический процесс создания электронно-дырочного перехода может быть различным: сплавление, диффузия одного вещества в другое, эпитаксия (ориентированный рост одного кристалла на поверхности другого) и др.
Р-n переход является основой для полупроводниковых диодов, триодов и других электронных элементов с нелинейной вольт-амперной характеристикой (ВАХ).
а) б)
Рисунок 1 – Плоскостной диод:
а) структура диода; б) условно-графическое изображение
Упрощенная структура p-n перехода представлена на рисунке 1а. Поверхность, по которой контактируют слои p- и n-, называется металлургической границей, а прилегающая к ней область объемных зарядов p-n переходом. Два других (внешних) контакта диода – невыпрямляющие, поэтому их называют омическими. Плоскостным диодом и соответственно плоскостным переходом называются такие диоды и переходы, у которых граница между слоями плоская, а площади обоих переходов одинаковые.
Прямое смещение p-n перехода (к области p подведён высокий потенциал, а к области n низкий): Процесс переноса основных носителей заряда через прямосмещенный p-n переход в область полупроводника, где они становятся неосновными носителями заряда, называется инжекцией. А прямой ток называют током инжекции.
Обратное смещение p-n перехода (к области p подведён низкий потенциал, а к области n высокий): Процесс переноса неосновных носителей заряда через обратносмещенный p-n переход в область полупроводника, где они становятся основными носителями заряда, называется экстракцией. Обратный ток зависит только от количества неосновных носителей, появляющихся на границах области объемного заряда. Еще его называют, тепловым током или током насыщения.
Вольт-амперная характеристика p-n перехода представляет собой зависимость тока через p-n-переход от приложенного напряжения I=f(U). Если приложенное напряжение снижает потенциальный барьер, то оно называется прямым, а если повышает его – обратным.
Рисунок 2 – ВАХ p-n-перехода
_________ зависимость при нормальной температуре Т1;
_ _ _ _ _ _ зависимость при повышенной температуре Т2;
На рисунке 2 Т2>Т1.
На ВАХ диода существенное влияние оказывает температура окружающей среды. Так, на рисунке 2 видно, что при повышении температуры прямая ветвь характеристики становится более крутой.
При обратном смещении переход ведет себя как изолятор. Однако дальнейшее увеличение приложенного напряжения приводит к ситуации, когда обратный ток резко увеличивается – это явление называется пробоем p-n перехода.
Тепловой пробой – возникает из-за потери устойчивости теплового режима перехода. При увеличении приложенного к переходу обратного напряжения мощность, рассеиваемая на нем, растет. Это приводит к увеличению температуры перехода и соседних с ним областей полупроводника.
Туннельный и лавинный пробои объединяют под названием электрического пробоя. При электрическом пробое в p-n переходе не происходит необратимых изменений его структуры, и после снятия напряжения работоспособность перехода сохраняется.
Распределение напряжённости электрического поля в p-n переходе может существенно изменить заряды, находящиеся на поверхности полупроводника, а поверхностный заряд влияет на толщину перехода. В результате пробой может произойти не в объёме диода, а на его поверхности, т.е. имеет место поверхностный пробой.
По функциональному назначениюp-n переходы разделяют на подгруппы:
1. Диоды выпрямительные. Предназначены для преобразования значительного по величине переменного тока в постоянный. Особенность таких диодов: имеют малые сопротивления в проводящем состоянии и позволяют пропускать большие токи.
· средняя рассеиваемая мощность (от 100 мВт до 10 Вт и больше);
· средний выпрямленный ток (от 100 мА до 10 А).
2. Диоды импульсные. Предназначены для работы цепях с быстроменяющимися импульсными сигналами. Такие диоды характеризуются малой длительностью (10-7 - 10-10 с) переходных процессов при его переключении (изменении полярности подаваемых импульсов). Высокое быстродействие достигается главным образом уменьшением площади р-n-перехода.
3. Стабилитроны. Предназначены для стабилизации напряжения. При работе стабилитрона используется участок пробоя на обратной ветви ВАХ, где значительному изменению тока соответствует очень малое изменение напряжения.
а) б)
Рисунок 3 – Стабилитрон:
а) ВАХ; б) условное графическое обозначение.
Основные параметры стабилитронов:
· напряжение стабилизации (от нескольких В до десятков В);
· максимальный ток стабилизации Iст.макс (от нескольких мА до нескольких А);
· минимальный ток стабилизации Iст.мин (от долей до нескольких десятков мА);
4. Варикапы. Используются в качестве управляемой электрическим напряжением ёмкости. В основе работы варикапа лежит эффект изменения ширины p-n перехода и следовательно его ёмкости от приложенного к нему напряжения.
· общая ёмкость – ёмкость между выводами варикапа при заданном обратном напряжении (10-100 nФ);
· коэффициент перекрытия по емкости: КЕ = СВ1/СВ2 , где
СВ1 и СВ2 - емкости диода при заданных Uобр1 и Uобр2;
· сопротивление потерь;
· добротность – отношение реактивного сопротивления варикапа на заданной частоте переменного сигнала к сопротивлению потерь при заданном значении ёмкости или обратного напряжения;
· температурный коэффициент ёмкости.
5. Диоды туннельные. В таких диодах туннельный эффект приводит к появлению на вольт-амперной характеристике участка с отрицательным дифференциальным сопротивлением.
а) б)
Рисунок 5 - Туннельный диод:
а) ВАХ; б) условное графическое обозначение
Одной из разновидностей туннельного диода является обращённый диод, который характеризуется тем, что вместо участка с отрицательным дифференциальным сопротивлением на характеристике имеется практически горизонтальный участок. Обращённый диод применяется в высокочастотных схемах детектирования слабых сигналов, а также в смесителях СВЧ сигналов.
а) б)
Рисунок 6 – Диод обращённый:
а) ВАХ; б) условное графическое обозначение
6. Светодиоды – полупроводниковый прибор с электронно-дырочным переходом, создающий оптическое излучение при пропускании через него электрического тока.
ВАХ светодиодов в прямом направлении нелинейна. Диод начинает проводить ток начиная с некоторого порогового напряжения. Это напряжение позволяет достаточно точно определить материал полупроводника.
а) б)
б) 
Диоды туннельные. В таких диодах туннельный эффект приводит к появлению на вольт-амперной характеристике участка с отрицательным дифференциальным сопротивлением.
б) 
