Лабораторна робота № 1
Тема: Дослідження ВАХ діоду.
Мета: Освоєння методики дослідження статичних характеристик різних типів діодів, визначення їх основних параметрів та побудова еквівалентних схем заміщення.
Обладнання: Л17-03 :V1, V2 – КД1О3А, Д9Б; Джерела живлення: ГТ1, ІСН;
Вимірювальні прилади АВ1 з шкалою 10 ма; АВ0 з шкалою 10 мка, АВ3 з шкалою 2,5 В і ІЗМВ в положенні перемикача ІСН.
Теоретичні відомості
Напівпровідниковим діодом називають електронний прилад з одним електричним (p-n) переходом та двома виводами.
Принцип роботи діода базується на несиметричності вольт-амперної характеристики (ВАХ) електронно-діркового переходу, яка зумовлена процесами інжекції та екстракції неосновних носіїв заряду. ВАХ ідеального діода описується наступним виразом:
,
(1.1)
де
- струм зумовлений екстракцією неосновних
носіїв заряду з електронейтральних
областей, U
– спад
напруги на p-n переході,
– температурний потенціал.
,
де k =
1,38
еВ/К, Т -
абсолютна температура у градусах
Кельвіна,
– заряд електрона. При прикладанні
зворотної напруги –
струм через p-n перехід перестає залежати
від напруги і набуває постійного значення
.
Якщо площу p-n переходу позначити через
S,
то струм екстракції буде визначатися
із наступного виразу:
,
(1.2)
де
-
коефіцієнти дифузії електронів дірок,
відповідно;
,
-
рівноважні концентрації неосновних
носіїв заряду;
-
дифузійні довжини електронів дірок,
відповідно.
Вираз (1.1) із значенням зворотного струму, який визначається за формулою (1.2) з високою ступеню точності описує ВАХ діодів виготовлених із матеріалів які мають малі значення ширини забороненої зони (це стосується, зокрема, германію). Для діодів виготовлених на основі кремнію (або інших широко зонних матеріалів) необхідно врахувати процеси генерації в ОПЗ та струми втрат.
Струм генерації. В реальному p-n-переході при зворотних напругах носії заряду, що утворюються в результаті термічної генерації, рухаються в електричному полі в протилежних напрямках: електрони - в сторону n-області, а дірки – в сторону p-області. Дрейфовий струм цих носіїв створює струм генерації. Цей струм визначається наступним аналітичним виразом:
(1.3)
де
d(U) –
товщина p-n-переходу,
- концентрація носіїв заряду у власному
напівпровіднику, τ
– час життя носіїв заряду у власному
напівпровіднику.
Відповідно,
зворотній струм реального p-n-переходу
більший, чим ідеального, оскільки окрім
теплового струму
протікає струм генерації. Останній
зростає із ростом зворотної напруги,
що зв’язано із збільшенням товщини
збідненого шару. Із порівняння виразів
(1.2) та (1.3) слідує, що
~
~
тобто доля струму генерації у загальному
струмі тим більша, чим більша ширина
забороненої зони і нижча температура.
Струми втрат.
Реальний p-n-перехід має ділянки які
виходять на поверхню напівпровідникового
кристалу. На поверхні внаслідок забруднень
і впливу поверхневого заряду між p- і
n-областями можуть утворюватись плівки
і провідні канали, по яких протікає
струм втрат –
.
Він зростає пропорційно напрузі і при
достатньо великій напрузі може
перевищувати тепловий струм і струм
генерації. Для цього струму характерна
незначна залежність від температури.
У кремнієвих приладах поверхня
покривається спеціальним захисним
шаром і струми втрат, як правило, є
нехтуєче малими.
Таким чином повний
зворотній струм -
буде
визначатись виразом
(1.4)
Для реального діода необхідно також врахувати пробій p-n-переходу. Механізми пробою розглядаються в наступній лабораторній роботі.
Пряма ділянка ВАХ.
Струм рекомбінації.
В області p-n-переходу, як і в нейтральних
областях напівпровідника, відбувається
рекомбінація носіїв. Електрони n-області,
які мають велику енергію, можуть попадати
в збіднений шар і рекомбінувати там з
дірками, які рухаються із p-області. При
цьому електрони рухаються із n-області,
а дірки – із p-області. Внаслідок такого
руху носіїв виникає додатковий прямий
струм, який називають струмом
рекомбінації.
Повний прямий струм p-n-переходу
складається із струму інжекції
,
який визначається із (1.2), і струму
рекомбінації
.
Відповідно, в реальному p-n-переході
прямий струм більший, чим в ідеальному.
Струм рекомбінації
(1.5)
де
- контактна різниця потенціалів.
Цей вираз справедливий
при
Проаналізуємо
співвідношення між струмами інжекції
(1.2) та струмом рекомбінації (1.5). Струм
інжекції більш різко залежить від
напруги
~
в
той час як струм рекомбінації
~
.
Збільшенню струму інжекції на порядок
відповідає збільшення напруги на
(60 мВ при Т=300 К), а для струму рекомбінації
-
(120 мВ при Т=300 К). Струм інжекції пропорційний
~
,
він більш різко залежить від температури
і ширини забороненої зони, ніж струм
рекомбінації, який пропорційний
~
.
Таким чином, із порівняння (1.1) та (1.5)
слідує, що струм рекомбінації є основною
складовою прямого струму (
»
)
при малих прямих напругах в напівпровідниках
з широкою забороненою зоною.
Вплив опору бази.
В реальних p-n-переходах опір бази -
складає
десятки і сотні Ом. При цьому зовнішня
напруга розподіляється між збідненим
шаром і базовою областю. Тоді у виразі
(1.1) замість U
необхідно підставити (U-I
),
тобто
або
(1.6)
На практиці пряму ділянку ВАХ реального діода апроксимують формулою:
(1.7)
де
і m=(1÷2)
(фактор неідеальності) – це параметри
апроксимації, які підбираються з-за
умови найкращого співпадання формули
(1.7) із експериментальною ВАХ.
Статична модель діода. Для побудови статичної моделі діода проводять кусково-лінійну апроксимацію його ВАХ (рис. 1.1,a). У цьому випадку реальна ВАХ діода розділяється на три області:
область провідності
область відсікання
область пробою
На основі одержаних рівнянь прямих можна побудувати еквівалентну схему діода (рис. 1.1,б).
Методика досліджень
Дослідження прямих
ділянок ВАХ випрямних діодів проводити
за схемою приведеною на рис. 1.2). При
цьому значення прямого струму
не має перевищувати максимально
допустимий прямий струм для
даного типу діода.