Исследование полупроводникового диода

 

Цель работы: закрепить теоретические знания о диодах, научиться рассчитывать и измерять токи, напряжения и сопротивления диодов; экспериментально получить вольтамперные характеристики диода.

Используемое оборудование и средства: персональный компьютер, программа Electronics Workbench.

Методические указания: работа выполняется студентами за два часа аудиторных занятий.

 

Краткие теоретические сведения

Полупроводниковый диод – это прибор, который образуется путем соединения двух полупроводников с различными типами проводимости p и n, как показано на рис.1.

 

Рис.1. Полупроводниковый диод

Рис. 2. Вольтамперная характеристика диода

В n – области основными подвижными носителями электрического заряда являются электроны, в p – области – дырки. На границе соединения n- и p –областей образуется электронно-дырочный, или p-n-переход. Если к p-n—областям не приложено питание (U = 0), то находящиеся вблизи p-n-перехода подвижные носители заряда диффундируют в область с проводимостью, обусловленной носителями противоположного знака и взаиморекомбинируют. Поэтому у p-n-перехода образуется обедненный свободными носителями двойной слой пространственного заряда (рис.1). В p-области этот слой создается оставшимися после рекомбинации свободных носителей отрицательными ионами акцепторной примеси, в n-области – положительными ионами донорной, и его электрическое поле противодействует дальнейшей диффузии. Это поле на рис.1 обозначено Е_к (контактное поле). Разность потенциалов между p и n областями, или потенциальный барьер, составляет десятые доли вольта.

В полупроводниках постоянно образуются и рекомбинируют тепловые электронно-дырочные пары, создавая неосновные носители (электроны в p-области и дырки в n-области). Неосновные носители, прежде чем успевают рекомбинировать с основными, попадают в контактное поле (Е_к) и образуют дрейфовый ток. Таким образом, в полупроводниковом диоде протекают диффузионный (I_диф) и дрейфовый (I_др) токи.

Если к p-области приложить положительный относительно n-области потенциал (прямое смещение), то поле источника питания (Е_п) будет направлено против контактного поля (Е_к), как показано на рис.1. С увеличением напряжения прямого смещения поле питания (Е_п) увеличивается и все больше компенсирует контактное поле (Е_к). Следовательно, потенциальный барьер снижается и далее исчезает, что приводит к диффузии подвижных носителей через переход и увеличению диффузионного тока (I_диф). Пересекающие переход носители становятся неосновными и рекомбинируют с основными носителями области, в которую они диффундируют. Пополнение рекомбинировавших основных носителей обеспечивается притоком из внешней цепи – через p-n-переход протекает прямой диффузионный ток (правая ветвь вольтамперной характеристики, показанной на рис.2).

Если к р-области приложить отрицательный относительно n-области потенциал (обратное смещение), то поле питания (Е_п) будет направлено в одном направлении с контактным полем (Е_к) и потенциальный барьер будет увеличиваться. С увеличением напряжения обратного смещения диффузионный ток основных носителей убывает и далее совсем прекращается, а дрейфовый ток неосновных носителей (обратный ток) возрастает, быстро достигая насыщения (левая ветвь вольтамперной характеристики рис.2).

Таким образом, если диод включен в прямом направлении ("+" к области р, а "-" к области n), то диод открыт и через него протекает прямой ток. При обратном включении ("-" к области р, а "+" к области n) через диод протекает незначительный обратный ток, т.е. фактически диод закрыт. Следовательно, можно считать, что диод пропускает ток только в одном направлении, что позволяет использовать его в качестве выпрямительного элемента.

Если к диоду подключен источник питания Е через резистор R, то через диод будут протекать прямой (I_пр) и обратный (I_обр) токи:

                                                                                   (1)

                             ,                                              (2)

где U_пр и U_обр – напряжение на диоде при прямом и обратном включении питания соответственно.

Вольтамперная характеристика p-n-перехода, а, следовательно, и диода описывается выражением:

                        ,                                             (3)

где I – ток через переход при напряжении U;

         I_о – обратный ток;

         U_t–температурный потенциал перехода, равный при комнатной температуре 26 мВ.

Статическое и динамическое сопротивления (R_ст  и R_д) диода определяются на основании вольтамперных характеристик и вычисляются по формулам:

                                                                                                  (4)

                             ,                                                           (5)

где U – напряжение на диоде;

  I – ток через диод;

dU и dI – приращения напряжения и тока.

 

Задание на подготовку к работе

1. Изучить физические процессы, происходящие в p-n-переходе.

2. Изучить сущность проводимых в данной лабораторной работе исследований и нарисовать необходимые схемы и таблицы.

 

Контрольные вопросы

1. Почему в p-n-переходе образуется потенциальный барьер?

2. Чем обусловлен диффузионный ток?

3. Чем обусловлен дрейфовый ток?

4. Как необходимо подключить источник питания к диоду, чтобы p-n-переход был смещен в прямом направлении?

5. Как необходимо подключить источник питания к диоду, чтобы p-n-переход был смещен в обратном направлении?

6. Когда диод открыт (при прямом или обратном смещении)?

7. Дайте определение вольтамперной характеристики диода.

8. Чем отличается стабилитрон от диода?

 

Порядок выполнения работы

 1. Измерение напряжения на диоде и вычисление тока через диод:

Соберите и включите схему рис.3.

Измерьте с помощью мультиметра (М) и запишите напряжение на диоде при прямом смещении (U_пр).

Переверните диод Д1 и снова включите схему.

Измерьте и запишите напряжение на диоде Д1 при обратном смещении  (U_об).

Используя формулы 1 и 2, вычислите и запишите токи, протекающие через диод, при прямом (I_пр) и обратном (I_об) смещении.

Объясните полученный результат.

 

Рис.3 Схема измерения напряжения на диоде

 

2. Измерение тока, протекающего через диод, при прямом и обратном включении источника питания:

В схеме рис. 3 мультиметр (М) включите для измерения тока в цепи (между резистором R и диодом Д1).

Включите схему, измерьте и запишите ток диода при прямом включении источника питания (I_пр).

Переверните диод, включите схему, измерьте и запишите ток диода при обратном включении источника питания (I_об).

Сравните результаты расчета и эксперимента.

3. Измерение статического сопротивления диода:

Переключите мультиметр (М) в режим омметра.

Измерьте сопротивление диода в прямом и обратном направлении.

4. Снятие вольтамперной характеристики диода:

Соберите и включите схему, изображенную на рис. 4.

 

Рис. 4 Схема исследования ВАХ диода

 

Последовательно устанавливайте значения ЭДС источника (Е) равными 5В, 4В, 3В, 2В, 1В, 0,5В, 0В. Запишите значения напряжения U_пр и тока I_прв таблицу 1.

Таблица 1

 

Е [B]	Uпр [mB]	Iпр [mA]
5 4 3 2 1 0,5 0

 

Переверните диод Д1, включите схему и заполните таблицу 2.

Таблица 2

 

Е[B]	Uоб [mB]	Iоб[mA]
0 5 10 15

 

По данным таблиц 1 и 2 постройте графики зависимости

                            и

Проведите касательную линию к графику прямой ветви вольтамперной характеристики в точке I_пр = 4 mА.

Используя формулу (5), определите дифференциальное сопротивление диода. Выполните те же расчеты для I_пр=0,4 mА и I_пр=0,2 mА. Аналогично определите дифференциальное сопротивление диода при обратном напряжении 5В.

Используя формулу (4), определите статическое сопротивление диода при I_пр = 4 mА.

Объясните полученные результаты.

 

Содержание отчета

 

1. Название и цель лабораторной работы.

2. Наименование каждого пункта работы, схемы, результаты расчетов и измерений.

3. Выводы по результатам исследований.

 

Лабораторная работа № 2