Лабораторная работа № 2

«Исследование полупроводниковых диодов»

Цель работы:

1. Исследование напряжения и тока диода при прямом и обратном смещении р-п перехода.

2. Построение и исследование вольтамперной характеристики (ВАХ) для полупроводникового диода.

3. Исследование сопротивления диода при прямом и обратном смещении по вольтамперной характеристике.

4. Анализ сопротивления диода (прямое и обратное смещение) на переменном и постоянном токе.

Приборы и элементы	Условное обозначение
Функциональный генератор
Мультиметр
Осциллограф
Источник постоянного напряжения
Диод 1N4001
Резисторы

Краткие теоретические сведения

Основным элементом большинства полупроводниковых приборов является электронно-дырочный переход (р-n-переход), представляющий собой переходный слой между двумя областями полупроводника, одна из которых имеет электронную электропроводность, а другая — дырочную.

Полупроводниковый прибор с одним р-n-переходом, имеющий два омических вывода, называют полупроводниковым диодом. Одна из областей р-n-структуры (р+), называемая эмиттером, имеет большую концентрацию основных носителей заряда, чем другая область, называемая базой.

Статическая вольтамперная характеристика (ВАХ -2) полупроводникового диода изображена на рис.1. Здесь же пунктиром показана теоретическая ВАХ (1) электронно-дырочного перехода, определяемая соотношением

Iпр = Iо [еU/(mjт)-1], (1)

Iоб = Io[mjт/(eU) - 1] (2)

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).

Рисунок 1. Отличие реальной вольтамперной характеристики p-n перехода

от теоретической.

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.

Если через германиевый диод протекает постоянный ток, при изменении температуры падение напряжения на диоде изменяется приблизительно на 2,5 мВ/°С:

dU/dT= -2,5 В/°С. (3)

Для диодов в интегральном исполнении dU/dT составляет от —1,5 мВ/°С в нормальном режиме до —2 мВ/°С в режиме микротоков.

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:

r = dU/dI (4)

Отсюда следует, что для p-n-перехода r = jт/I.

Пробой диода. При обратном напряжении диода свыше определенного критического значения наблюдается резкий рост обратного тока (рис. 1). Это явление называют пробоем диода. Пробой диода возникает либо в результате воздействия сильного электрического поля в р-п-переходе (рис.1, кривая 5 и 4). Такой пробой называется электрическим. Он может быть туннельным – кривая 4 или лавинным – кривая 5. Либо пробой возникает в результате разогрева p-n-перехода при протекании тока большого значения и при недостаточном теплоотводе, необеспечивающем устойчивость теплового режима перехода (рис. 1, кривая 3). Такой пробой называется тепловым пробоем. Электрический пробой обратим, т. е. он не приводит к повреждению диода, и при снижении обратного напряжения свойства диода сохраняются. Тепловой пробой является необратимым.