Материал: лаб_раб 1

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ТРАНСПОРТА

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования

«Петербургский государственный университет путей сообщения Императора Александра I»

(ФГБОУ ВО ПГУПС)

Кафедра «Электрическая связь»

ИССЛЕДОВАНИЕ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ДИОДОВ

Методические указания к выполнению лабораторной работы № 1 по курсу

«Электроника»

Санкт-Петербург

2009

ИССЛЕДОВАНИЕ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ДИОДОВ Лабораторная работа №1

1.Цель и содержание работы

Целью работы является исследование свойств полупроводниковых диодов плоско-

стного и точечного типов. В работе снимаются вольтамперные характеристики и определяются параметры диодов в широком диапазоне частот.

2.Краткие сведения из теории

Работа полупроводниковых диодов основана на свойствах р-n перехода, который

образуется на границе раздела областей полупроводника с дырочной (р) и электронной проводимостью (n). Концентрация электронов в n – области значительно больше, чем в р- области больше, а дырок p – области больше, чем в n - области. Неодинаковая плотность частиц вызывает диффузию основных носителей из областей с большей концентрацией: электронов из n-области и дырок из р-области. В результате рекомбинации на границе р- и n -областей возникает обедненный носителями слой, который называется запирающим (рисунок 1, а). Ионы донорной и акцепторной примеси в области запирающего слоя создают электрическое поле с напряженностью , которое препятствует дальнейшей диффузии основных носителей и создает дрейфовый ток, обусловленный неосновными носителями.

Рисунок 1.

При подключении источника э.д.с. к n-р переходу в зависимости от направления вектора напряженности источника ИСТ ( ИСТ( ) ) ширина запирающего слоя может:

-уменьшаться - векторы напряженности источника и запирающего слоя противоположны, что приводит увеличению диффузионного тока; -увеличиваться - векторы напряженности источника и запирающего слоя направле-

ны в одну сторону, что приводит к уменьшению диффузионных токов практически до нуля и увеличению дрейфового тока.

Перечисленные свойства p-n перехода используются полупроводниковых диодах. Полупроводниковым диодом называется прибор с одним р-n переходом и двумя

выводами, позволяющими включать его во внешнюю электрическую цепь. Полупроводниковые диоды имеют несимметричные электронно-дырочные переходы. Одна область полупроводника с более высокой концентрацией примесей (высоколегированная область) служит эмиттером, а другая с меньшей концентрацией примесей (низколегированная об- ласть)-базой.

Вывод, который подключает эмиттер к внешней электрической цепи, называется катодным, а вывод, который подключается к базе-анодным (Рисунок 1, б).

Выпрямительные диоды предназначены для преобразования переменного тока в ток одного направления.

Вольтамперная характеристика (ВАX) полупроводникового диода показана на рисунке 2.

Рисунок 2-Вольтамперная характеристика полупроводникового диода.

Вольтамперная характеристика имеет прямую («1» на рисунке 2) и обратную («2» на рисунке 2) ветви.

При включении диода в прямом направлении (прямая ветвь ВАХ) вектор напряженности внешнего источника ИСТ направлен противоположно вектору напряженности р-n перехода диода, положительный полюс источника ИСТ подключен к аноду диода, а отрицательный полюс ИСТ к катоду диода. При этом суммарный вектор напряжѐнности уменьшается. Это приводит к уменьшению потенциального барьера в n - p переходе.

В этом режиме часть основных носителей заряда с наибольшими значениями энергии будет преодолевать понизившийся потенциальный барьер и проходить через р-n- переход. В переходе нарушится равновесное состояние, и через него потечет диффузионный ток обусловленный инжекцией электронов из n-области в p-полупроводник и дырок - из р- области в n-полупроводник.

Напряжение пор, начиная с которого малые приращения прямого напряжения вызывают резкое увеличение тока, называют пороговым (рисунок 2).

При включении диода в обратном направлении (обратная ветвь ВАХ) направление вектора напряженности внешнего источника ИСТ совпадает с вектором напряженности поля перехода: отрицательный полюс источника ИСТ соединен с катодом диода, a положительный полюс ИСТ соединен с анодом диода. Такое включение диода источника приводит к увеличению потенциального барьера р-п перехода диода и ток через переход будет определяться неосновными носителями заряда: электронами из р-области в n-область

и дырками из n – области в p – область. Этот процесс называется экстракцией неосновных носителей, а ток, протекающий через диод, называют обратным током Обр.

При дальнейшем увеличении обратного напряжения, приложенного к диоду, при некотором значении обр1 в нем будет происходить резкий рост обратного тока-участок "3" на рисунке 2. Это явление называется пробоем. Различают электрический и тепловой пробой p-n перехода. Лавинный пробойэто электрический пробой перехода, вызванный лавинным размножением носителей заряда под действием сильного электрического поля. Электроны, ускорившись в поле запирающего слоя, выбивают из атомов полупроводника валентные электроны, которые, в свою очередь, успевают ускориться и выбить новые электроны, и т.д. Процесс развивается лавинообразно и сопровождается быстрым нарастанием обратного тока.

Тепловой пробой возникает из-за перегрева р-n перехода или отдельного его участка (участок «4» на рисунке 2). При этом происходит интенсивная генерация пар электрондырка и увеличивается обратный ток, что приводит к увеличению мощности, выделяющейся в р-n переходе и дальнейшему его разогреву. Этот процесс также лавинообразный, завершается расплавлением перегретого участка перехода и выходом диода из строя.

В зависимости от соотношения линейных размеров выпрямляющего р-n перехода полупроводниковые диоды делятся на два класса: точечные и плоскостные.

Точечные диоды имеют малую емкость р-n перехода (обычно менее 1 пФ) и применяются для выпрямления переменного тока любых частот вплоть до СВЧ. В плоскостных диодах емкость р-n перехода составляет десятков пФ. Различие в собственных емкостях Соб полупроводниковых диодов сказывается на их работе: с увеличением частоты внешнего источника Е, приложенного к диоду, сопротивление собственной емкости

1

об = 2 Ссоб уменьшается и обратный ток Обр возрастает, что приводит к тому, что диод теряет свойство односторонней проводимости. Поэтому на частотах свыше 50 кГц применяют главным образом точечные полупроводниковые диоды.

3. Порядок выполнения работы на лабораторном стенде.

Используемая в работе лабораторная установка, состоит из двух модулей: базового и лабораторного.

Включение установки производится нажатием выключателя, расположенного на базовом модуле в верхнем левом углу в положение, «Вкл».

Подготовка установки к работе производится в следующем порядке: На базовом модуле:

1.Собрать схемы измерений в соответствии с рисунком 3 (4).

2.Включить мультиметр 1.

3.Вольтметр 1 переключить в режим измерения постоянного токаU_.

4.Включить генератор низкой частоты.

5.Переключать генератор низкой частоты в режим генерирования синусоидальных

импульсов.

6.Включить источник напряжения Е.

7.На источнике напряжения Е нажать кнопку 100 мА. На лабораторном модуле:

1.На источнике напряжения Е установить выключателем предел 1В.

2.На генераторе НЧ установить аттенюатор в положение 1:100.

3.1. Снятие прямой ветви вольтамперной характеристики диода.

Схема исследования диодов показана на рисунке 3.

Рисунок 3-Схема прямого включения полупроводникового диода.

На диод должно подаваться прямое смещения от источника питания.

Изменяя напряжение источника Е снять прямую ветвь статической характеристики диода. При снятии характеристик диодов, обязательно отметить значения напряжений пор при котором наблюдается резкое увеличение тока.

Результаты внести в таблицу 1. Шаг измерений приведен в таблице.

Таблица 1.

Тип диода: плоскостной –Д223А(точечный-КД552А)

Аналогично выполнить измерения для точечного диода и внести их в таблицу 1.

3.2. Снятие обратной ветви вольтамперной характеристики диода.

Для исследования обратной ветви статической характеристики необходимо собрать схему, показанную на рисунке 4 на диод надо подать обратное смещение от источника пи-

тания (рисунок 4).

Рисунок 4-Схема обратного включения.

Изменяя напряжение источника снять обратную ветвь вольтамперной характеристики диода и определить пор. Шаг измерений приведен в таблице 2.

Результаты измерений занести в таблицу 2.