Вольт-амперна характеристика діода

Розглянемо вольт-амперну характеристику ідеалізованого площинного діода, а потім зробимо необхідні уточнення, справедливі для реального діода. Ідеалізація зводиться до таких припущень:

а) перехід р-п несиметричний, ділянка р легована значно більше, ніж ділянка п (р > п). Можна вважати, що в такому переході інжекція відбувається лише в одному напрямі;

б) ширина переходу дуже мала, тому процесами, що відбуваються в ділянці переходу, можна знехтувати;

в) оскільки опір емітерної і базової ділянок незначний порів­няно з опором ділянки переходу, вважатимемо, що зовнішня на­пруга прикладена до переходу.

При прямому зміщенні переходу внаслідок інжекції дірок з емі­тера в базу створюється підвищена концентрація їх на базовій межі переходу. Із віддаленням від переходу концентрація дірок змен­шується внаслідок рекомбінації. Інжекція дірок у базу порушує її електричну нейтральність і спричинює до припливу надлишко­вих електронів із зовнішнього кола. Ці електрони розподіляються так, щоб скомпенсувати поле дірок, тобто розподіляються в базі за тим самим законом, що й дірки.

В установленому режимі в базі проходить дифузійний дірковий струм J _рд. Дірки, інжектовані в базу внаслідок наявності градієн­та їх концентрації, дифундують від більшої концентрації до меншої.

Під час дифузійного руху частина дірок рекомбінує з електронами. Для відновлення електричної нейтральності, тобто поповнення електронів, що пішли на рекомбінацію, в базу з джерела напруги надходять електрони, рух яких і є базовим струмом.

Дифузійним електронним струмом J _nд, зумовленим інжекцією електронів з бази в емітер, відповідно до нашого припущення (P_р >> п_п),нехтуємо.

Отже, при прямому зміщенні діода через нього проходить дифу­зійний дірковий струм, при зворотному відбувається явище екстрак­ції, яке й зумовлює зворотний струм діода.

Дірки бази (неосновні носії), що підійшли до ділянки переходу, внаслідок теплового ру­ху викидаються полем переходу в ділянку емітера. Порушена електрична нейтральність в емітері й базі відновлюється припливом (від джерела напруги в емітер) електронів і відпливом з ділянки бази надлишкових елек­тронів у джерело. Такий рух електронів і яв­ляє собою діркову дрейфову складову зворот­ного струму J _pE. Електронною дрейфовою складовою зворотного струму J _nЕ, що зумов­лена екстракцією електронів з емітера в ба­зу, зважаючи на припущення, що р _п >>п _р, нехтуємо. Зворотний струм діода, як і прямий, в основному дір­ковий.

Рівняння вольт-амперної характеристики ідеалізованого діода

де I=jS;

Струм I₀ називається тепловим струмом, бо він дуже залежить від температури внаслідок збільшення рівноважної концентрації неосновних носіїв (дірок) у базі р _0б. Крім того, I_о називають «зво­ротним струмом насичення». При великих значеннях зворотної при­кладеної напруги з її зміною він не змінюється. Вольт-амперну характеристику ідеалізованого діода показано на рисунку 7.2.

Із збільшенням зворотної прикладеної напруги (U< 0) збіль­шується потенціальний бар'єр, а дифузійний струм (струм основ­них носіїв) зменшується за експоненціальним законом. Загальний струм через перехід дорівнює тепловому струмові, який, будучи струмом неосновних носіїв, не залежить від напруги. При │ U │≥ 0,1... 0,2 В значення <<1і тепловий струм визначається лише кількістю неосновних носіїв, які з'являються на межі пере­ходу за одиницю часу, тобто температурою і концентрацією неоснов­них носіїв.

При збільшенні прямої напруги потенціальний бар'єр знижує­ться, дифузійний струм зростає за експоненціальним законом, а тепловий струм лишається незмінним. Ним можна знехтувати вже при U=0,1 В, бо I_о >> I_о.

Із зміною знака прикладеної до діода напруги змінюється напрям струму. При зворотних напругах проходить струм, що до­рівнює одиницям і десяткам мікроамперів. Водночас при невели­ких прямих напругах у кілька десятих вольта ці самі діоди пропус­кають струми близько 1 А. Це дає підставу твердити, що напів­провідниковий діод придатний для випрямляння змінних струмів.

Розглянута вольт-амперна характеристика ідеалізованого ді­ода добре узгоджується з експериментальною. Проте реальна вольт-амперна характеристика істотно відрізняється від ідеалізованої. У реальних діодах зворотний струм не залишається сталим, він дуже зростає із збільшенням зворотної напруги і завжди при ма­лих і великих зворотних напругах більший від теплового. Пояснює­ться це тим, що зворотний струм реального діода складається з таких струмів: теплового I_о, термогенерації I_G, поверхневого ви­току I_В.

Тепловий струм зумовлений генерацією неосновних носіїв в об'ємах, прилеглих до переходу. З цих об'ємів неосновні носії дифундують у ділянку переходу і виносяться полем в іншу ділян­ку, де вони є основними носіями. У рівноважному стані (на пере­хід не подано напруги) ці потоки компенсуються зустрічними пото­ками інжектованих основних носіїв.

Тепловий струм змінюється із зміною температури, головним чином внаслідок зміни рівноважної концентрації неосновних носіїв у базі р_об і в емітері п_ое. Якщо в ідеалізованому діоді ми вважа­ли перехід нескінченно вузьким і нехтували генерацією та реком­бінацією носіїв заряду в ньому, то в реальних діодах цього зробити не можна. Носії, що генеруються в ділянці переходу, швидко виносяться електричним полем у відповідну ділянку переходу; це і е струм термогенерації I_G. У рівноважному стані діода струм тер­могенерації I_G компенсується таким самим струмом рекомбінації І_R.

Струм рекомбінації зумовлений основними носіями, енергія яких недостатня для інжекції (подолання потенціального бар'єра), а тому вони лише проникають у перехід з емітера і бази. Поблизу точки «відбиття» ці носії мають малу швидкість і встигають рекомбінувати.

Нерідко головним фактором, що впливає на зворотну характе­ристику діода, є струм поверхневого витоку І_В. Він зумовлений насамперед явищем генерації і рекомбінації, а також молекулярни­ми плівками окислів міді, газів, парів води та інших на поверхні напівпровідника. При підвищенні зворотної напруги струм витоку зростає спочатку майже лінійно, а потім більш різко.

Характерною особливістю струму витоку є його часова неста­більність, яку називають «повзучістю». Вона виявляється в зміні зворотного струму протягом деякого часу після стрибкоподібної зміни зворотної напруги, зокрема після ввімкнення. Час наростан­ня або спадання зворотного струму змінюється від кількох секунд до кількох годин. Зворотні характеристики реальних германієвих і кремнієвих діодів показано на рисунку 5.3. При значному збільшенні зворотної напруги струм діода зростає спочатку повільно, а потім дедалі швидше. Якщо не вжити спеціальних заходів, то р - n -перехід буде пробитий.

Розрізняють польовий, лавинний, тепловий і поверхневий про­бої р-п- переходу. Польовий пробій буває двох різновидів: зенерівський і тунельний. Зенерівський пробій полягає в тому, що досить сильне електричне поле в р-п- переході іонізує атоми напівпровідника (валентні електрони з ковалентних зв'язків переходять у зону провідності), Внаслідок цього різко збільшується зво­ротний струм через перехід. Напруга зенерівського пробою залежить від питомого опору напівпровідника. Чим більший його питомий опір, тим більша напруга пробою.

Тунельний пробій пояснюється ту­нельним ефектом, суть якого полягає ось у чому. При досить сильних електрич­них полях у р-п переходах (понад 10⁷ В/см) завдяки хвильовим властивос­тям електрони можуть переходити з ва­лентної зони ділянки р у зону провідності ділянки п і в зворотному напрямі: із зони провідності ділянки п у валентну зону ділянки р без зміни їх енергії, тобто не долаю­чи потенціального бар'єра. Умови для розвитку тунельного ефекту створюються в тонких (менших від 0,01—0,02 мкм) р - п -переходах з високолегованих (N > 10¹⁹ см~³) напівпровідників.

Лавинний пробій у р-п- переходах зумовлюється явищем ударної іонізації. При цьому неосновні носії в ділянці р - п -переходу (які утворюють тепловий струм I_о) під впливом електричного поля набувають енергії, достатньої для ударної іонізації атомів напівпро­відника. Електрони, які виникли в результаті іонізації, у свою чер­гу розганятимуться полем і утворюватимуть нові електрони та дірки і т. д. При достатньо великій напруженості поля іонізація набуває лавинного характеру (подібно до самостійного розряду в газах), і зворотний струм різко збільшується. Цей вид пробою вла­стивий слабколегованим напівпровідникам, коли ширина р - п -переходу є досить великою. Напруга лавинного пробою збільшується із зростанням питомого опору напівпровідника. Встановлено, що напруга польового (зенерівського, тунельного) пробою менша як 2 В для германієвих і менша як 5 В для кремнієвих переходів.

Лавинний пробій характерний для германієвих переходів при напругах понад 5 В і для кремнієвих — 7 В. При проміжних зна­ченнях напруг обидва види пробою можуть статися одночасно.

Тепловий пробій є наслідком виділення тепла в переході під час проходження зворотного струму. Теплова енергія підвищує темпе­ратуру переходу, що в свою чергу збільшує тепловий струм і по­тужність, розсіювані в переході. Таке взаємозумовлене наростання температури і потужності, розсіюваної в переході, може набути ла­винного характеру і внаслідок цього може статися тепловий пробій.

При тепловому пробої внаслідок теплового збудження розри­ваються зв'язки між атомами кристалічної решітки. Тепловий про­бій буває при значно нижчих напруженостях електричного поля, ніж польовий і лавинний, у тих випадках, коли тепло не відводиться від переходу, який працює в режимі великих струмів. Зворотну вольт-амперну характеристику діода при польовому, лавинному і тепловому пробоях показано на рисунку 7.3.

У кремнієвих напівпровідникових приладах тепловий струм I₀ такий малий, що тепловий пробій практично виключається. На­пруга теплового пробою залежить від значення зворотного струму, опору переходу, умов тепловідведення, температури навколишнього середовища і т. д.

При всіх розглянутих видах пробою необмежене зростання стру­му призводить до руйнування переходу і повного виходу з ладу діо­да. Щоб запобігти пробою переходу, треба під час роботи послідов­но з діодом вмикати струмообмежувальний резистор з опором такої величини, щоб при пікових значеннях напруги струм у колі не перевищував допустимого значення.

Пряма гілка вольт-амперної характеристики реального діода відрізняється від вольт-амперної характеристики ідеалізованого діода через наявність струму рекомбінації в переході, вплив опору r_б і модуляцію базового шару.

При прямому зміщенні переходу знижується потенціальний бар'єр і різко зростає концентрація дірок та електронів у ділянці переходу, а також глибина їх проникнення в перехід, тому ймовірність рекомбінації збільшується, при цьому струм рекомбінації перевищує струм термогенерації. Через струм рекомбінації пряма гілка характеристики реального діода крутіша від ідеальної. Струм рекомбінації особливо відчутний у кремнієвих діодах при зниженій температурі, коли тепловий струм дуже зменшується. На пряму гілку вольт-амперної характеристики впливає опір бази внаслідок спаду напруги на ньому і зменшення напруги, прикладеної до переходу, порівняно з зовнішньою прикладеною напругою.

Пряма гілка вольт-амперної характеристики для будь-якого реального діода є більш пологою, ніж для ідеалізованого (рисунок 7.4, а). Для германієвих діодів похил вольт-амперної характеристики на початковій ділянці визначається тепловим струмом, у кремнієвих діодах — струмом рекомбінації. Збільшення прямого струму в германієвих діодах починається при менших значеннях прямої напруги, ніж у кремнієвих. Лінійна ділянка характеристи­ки германієвих діодів крутіша, ніж кремнієвих.

Оскільки у кремнієвих діодах тепловий струм I_о значно менший, ніж у германієвих, то початкова ділянка прямої гілки вольт-амперної характеристики у кремнієвих діодах дуже полога. Це пояснюється тим, що заборонена зона кремнію значно ширша, ніж германію.

Із зміною температури змінюється як зворотна, так і пряма гілка вольт-амперної характеристики (рисунок 7.4, б, в), причому зміни зворотного струму помітніші, ніж прямого. Причина цього — сильні температурні зміни концентрації неосновних носіїв, які визначають тепловий струм І ₀ і струм термогенерації I_G, основні складові зворотного струму.

Концентрація основних носіїв, яка визначає прямий струм, із зміною температури не змінюється, бо вона визначається в основному концентрацією домішок. З підвищенням температури зво­ротний струм збільшується приблизно у два рази на кожні 10° С у германієвих діодах (рисунок 7.4, б) і приблизно у два з половиною ра­зи в кремнієвих (рисунок 7.4, в). Пряма гілка характеристики з підви­щенням температури зміщується вліво і стає крутішою.

Хід роботи

— Підключити діод до вимірювального приладу в прямому напрямку, зняти пряму гілку ВАХ; повторити роботу для зворотного підключення; побудувати з отриманих ре­зультатів графіки, апроксимувати експериментальні точки аналітичною кривою.

— Змонтувати схему однопівперіодного випрямляння, підключити до напруги (12В!), спостерігати на осцилографі форми сигналу в різних точках схеми; дослідити вплив згладжувального конденсатора на форму вихідної напруги для різних величин вихідного струму.

— Дослідити форму вихідної напруги для двох інших схем випрямляння, накреслити криві з екрана осцилографа.

— Скласти схему найпростішого стабілізатора напруги, під'єднати до мостової схеми випрямляння, спостерігати на осцилографі форму напруги на вході та виході стабілізатора при зміні вихідного струму.

Зміст звіту

В звіті привести принципіальні схеми випрямлячів, стабілізатора, ВАХ діода, графіки напруг, що спостерігалися.

ЛАБОРАТОРНА РОБОТА №8