Полупроводниковый прибор с одним р-n-переходом, имеющий два омических вывода, называют полупроводниковым диодом (рис.1.). Одна из областей р-n-структуры (р+), называемая эмиттером, имеет большую концентрацию основных носителей заряда, чем другая область, называемая базой.
Рис.1
Статическая вольт-амперная характеристика (ВАХ) полупроводникового диода изображена на рис.1. Здесь же пунктиром показана теоретическая ВАХ электронно-дырочного перехода, определяемая соотношением
I=I0(еU/(mjт)-1), (1)
где Iо — обратный ток насыщения(ток экстракции, обусловленный неосновными носителями заряда; значение его очень мало); U — напряжение на p-n-переходе; jт = kT/e — температурный потенциал (k — постоянная Больцмана, Т — температура, е — заряд электрона); m — поправочный коэффициент: m = 1 для германиевых р-n-переходов и m = 2 для кремниевых p-n-переходов при малом токе).
Кремниевые диоды имеют существенно меньшее значение обратного тока по сравнению с германиевыми, вследствие более низкой концентрации неосновных носителей заряда. Обратная ветвь ВАХ у кремниевых диодов при данном масштабе практически сливается с осью абсцисс. Прямая ветвь ВАХ у кремниевых диодов расположена значительно правее, чем у германиевых.
Максимально допустимое увеличение обратного тока диода определяет максимально допустимую температуру диода, которая составляет 80 – 100 °С для германиевых диодов и 150 – 200 °С для кремниевых.
Минимально допустимая температура диода лежит в пределах -(60 – 70)°С.
Дифференциальным сопротивлением диода называют отношение приращения напряжения на диоде к вызванному им приращению тока:
rДИФ = dU/dI (2)
Отсюда следует, что для p-n-перехода rДИФ@jт/I.
При обратном напряжении диода свыше определенного критического значения наблюдается резкий рост обратного тока (рис. 2). Это явление называют пробоем диода. Пробой диода возникает либо в результате воздействия сильного электрического поля в р-n-переходе (рис.2, кривая 1 и 2). Такой пробой называется электрическим. Он может быть туннельным – кривая 2 или лавинным – кривая 1. Либо пробой возникает в результате разогрева p-n-перехода при протекании тока большого значения и при недостаточном теплоотводе, необеспечивающем устойчивость теплового режима перехода (рис. 2, кривая 3). Такой пробой называется тепловым пробоем.
Рис.2
Электрический пробой обратим, т. е. он не приводит к повреждению диода, и при снижении обратного напряжения свойства диода сохраняются. Тепловой пробой является необратимым. Нормальная работа диода в качестве элемента односторонней проводимостью возможна лишь в режимах, когда обратное напряжение не превышает пробивного значения Uо6р mах .
Значение допустимого обратного напряжения устанавливается с учетом исключения возможности электрического пробоя и составляет (0,5 - 0,8) Uпроб .
Цель
- исследование напряжения и тока диода при прямом и обратном смещении p-n перехода;
- исследование сопротивления диода при прямом и обратном смещении p-n перехода;
- построение и исследование ВАХ для полупроводникового диода;
- решение задачи аппроксимации опытной ВАХ аналитической зависимостью y = f(x) c использованием кубической сплайн-интерполяции программы Mathcad
2. Приборы и элементы.
В работе используются следующие приборы и элементы: функциональный генератор, мультиметр, осциллограф, источник постоянного напряжения, диод (по указанию преподавателя), резисторы.
Порядок выполнения работы рассмотрим на примере.
3.1 Вычисление тока протекающего через диод.
Собрать схему, показанную на рис.1, и измерить напряжение на диоде при прямом смещении n-p перехода. Данные измерений записать в таблицу 1.
Рис.1. Схема измерения U при прямом смещении n-p перехода
Собрать схему, показанную на рис.2, и измерить напряжение на диоде при обратном смещении n-p перехода. Данные измерений записать в таблицу 1.
Рис. 2. Схема измерения U при обратном смещении n-p перехода
По данным измерения вычислить токи IПР и IОБР.
По закону Кирхгофа для напряжений: ,
3.2. Измерение тока.
Измерение тока при прямом и обратном смещении n-p перехода производится мультиметром в режиме амперметра.
Схема измерения тока при прямом смещении n-p перехода показана на рис.3. Данные измерений записать в таблицу 1.
Удалить диод из схемы и произвести его ротацию. После установки диода в схему рис.4 запустить схему и измерить ток при обратном смещении n-p перехода. Данные измерений записать в таблицу 1.
.
Рис. 3. Схема измерения тока диода при прямом смещении p-n-перехода
Рис. 4. Схема измерения тока диода при обратном смещении p-n-перехода
.
Таблица 1.
№ опыта
напряжение , В
ток , А
прямое
обратное
прямой
обратный
1. измерение напряжения и вычисление тока
2. измерение тока
.
Сравнить токи, полученные по результатам вычислений и измерений с помощью мультиметра и сделать выводы.
3.3. Измерение статического сопротивления диода.
Измерение статического сопротивления диода производится мультиметром в режиме омметра. Статическое сопротивление нелинейного резистора является величиной переменной и определяется отношением напряжения и тока в соответствующих точках ВАХ диода.
Измерьте сопротивление диода в прямом и обратном подключении в соответствии со схемами, приведенными на рис. 5. Измерение сопротивления производится для различных установок измерительного тока омметра (клавиша SETTINGS на лицевой панели мультиметра).
Рис.5. Схема измерения сопротивления диода при прямом и обратном смещении p-n-перехода
.
Результаты измерений для различных значений измерительных токов записать в таблицу 2.
Показания сопротивления при прямом смещении различны для различных токов. ПОЧЕМУ?
Таблица 2
Ток, А
Статическое сопротивление, Ом
При прямом смещении
При обратном смещении
3.4. Снятие вольтамперной характеристики диода.
3.4.1. Прямая ветвь ВАХ. Собрать схему, приведённую на рис. 6. Последовательно устанавливая значение э.д.с. источника от 0 до значения, при котором напряжение на диоде , где - контактная разность потенциалов , величина которой приведена в окне «Параметры диода» (Diode Properties; клавишаEdit) программы, измерить напряжение и ток диода. Данные измерений напряжения и тока записать в таблицу 3.
, 
, В
, А
, где 
- контактная разность потенциалов 
, величина которой приведена в окне «Параметры диода» (Diode Properties; клавишаEdit) 
программы, измерить напряжение и ток диода. Данные измерений напряжения и тока записать в таблицу 3.