Сделай Сам Свою Работу на 5

Структура и основные элементы





Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное агентство по образованию

ГОУ ВПО “Магнитогорский государственный технический

университет им. Г.И. Носова”

 

Кафедра механизации и электрификации

Горных производств

 

 

 

Исследование

Полупроводникового диода

 

Методические указания к лабораторной работе

по дисциплине “Силовая преобразовательная

техника и элементы автоматики”

для студентов специальности 150402

 

 

Магнитогорск


Составители: Шебаршов А.А.

Савельев В.И.

 

Исследование полупроводникового диода: Методические указания к лабораторной работе по дисциплине “Силовая преобразовательная техника и элементы автоматики” для студентов специальности 150402. Магнитогорск: ГОУ ВПО “МГТУ”, 2011. 9 с.

 

Содержат теоретические сведения о выпрямляющем электрическом p-n-переходе диодов. Приведены краткое описание стенда, порядок выполнения работы, требования к содержанию отчета и контрольные вопросы для подготовки и защиты лабораторной работы.

 

 

Рецензент

 

 



© А.А. Шебаршов,

В.И. Савельев, 2011

 


Цель работы: имитация выпрямляющего электрического p-n-перехода диода при инжекции и экстракции носителей заряда с использованием ЭВМ.

Используемое оборудование: ЭВМ с установленным программным продуктом схемотехнического моделирования Electronics Workbench Multisim версии 10.1 или выше и модель лабораторного стенда для исследования полупроводникового диода в виде схемы замещения, разработанную на кафедре МиЭГП.

 

Общие СВЕДЕНИЯ

Структура и основные элементы

 

Полупроводниковый диод – это полупроводниковый прибор с одним выпрямляющим электрическим переходом и двумя выводами, в котором используется то или иное свойство выпрямляющего электрического перехода.

В качестве выпрямляющего электрического перехода в полупроводниковых диодах может быть электронно-дырочный переход, гетеропереход или выпрямляющий переход, образованный в результате контакта между металлом и полупроводником (переход Шотки).

В диоде с p-n-переходом или с гетеропереходом кроме выпрямляющего перехода должно быть два омических перехода, через которые p- и n-области диода соединены с выводами (рис. 1, а). В диоде с выпрямляющим электрическим переходом в виде контакта между металлом и полупроводником всего один омический переход (рис. 1, б).



 

 

Рис. 1. Структуры полупроводниковых диодов:

а – с выпрямляющим электрическим переходом в виде p-n-перехода, б – с выпрямляющим электрическим переходом на контакте между металлом и полупроводником, В – выпрямляющие электрические переходы, Н – невыпрямляющие, т. е. омические переходы.

 

Обычно полупроводниковые диоды имеют несимметричные p-n-переходы. Поэтому при полярности внешнего напряжения, при которой происходит понижение потенциального барьера в p-n-переходе, т. е. при прямом направлении для p-n-перехода, количество носителей заряда, инжектированных из сильнолегированной в слаболегированную область, значительно больше, чем количество носителей, проходящих в противоположном направлении. Область полупроводникового диода, в которую происходит инжекция неосновных для этой области носителей заряда, называют базой диода, т. е. в диоде базовой областью является слаболегированная область.

Если к диоду с несимметричным p-n-переходом приложено напряжение, при котором происходит повышение потенциального барьера в p-n-переходе, т. е. в обратном направлении для p-n-перехода, то экстракция неосновных носителей заряда будет происходить в основном из базы диода. Таким образом, база диода может оказывать существенное влияние на характеристики и параметры диода.

В зависимости от соотношения линейных размеров выпрямляющего электрического перехода и характеристической длины различают плоскостные и точечные диоды. Характеристической длиной для диода является наименьшая по значению из двух величин, определяющая свойства и характеристики диода: диффузионная длина неосновных носителей заряда в базе или толщина базы.



Плоскостным называют диод, у которого линейные размеры, определяющие площадь выпрямляющего электрического перехода, значительно больше характеристической длины.

Точечным называют диод, у которого линейные размеры, определяющие площадь выпрямляющего электрического перехода, значительно меньше характеристической длины.

В выпрямляющем электрическом переходе и прилегающих к нему областях происходят разнообразные физические процессы, которые могут приводить к эффекту выпрямления, к нелинейному росту тока с увеличением напряжения, к лавинному размножению носителей заряда при ударной ионизации атомов полупроводника, к туннелированию носителей сквозь потенциальный барьер выпрямляющего электрического перехода как при обратном, так в определенных условиях и при прямом напряжении, к изменению барьерной емкости с изменением напряжения, к эффекту накопления и рассасывания неосновных носителей заряда в прилегающих к выпрямляющему переходу областях. Все эти эффекты используют для создания различных видов полупроводниковых диодов: выпрямительных, смесительных, детекторных и переключательных, диодов с резким восстановлением обратного сопротивления, стабилитронов, стабисторов, шумовых, лавинно-пролетных, туннельных и обращенных диодов, варикапов. Некоторые из перечисленных эффектов являются нежелательными и даже вредными в одних диодах, но в других диодах эти же эффекты могут служить основой принципа действия.

 

Прямое включение диода

 

При прямом напряжении на диоде внешнее напряжение частично компенсирует контактную разность потенциалов на p-n-переходе, так как внешнее электрическое поле при прямом включении диода направлено противоположно диффузионному полю. Поэтому высота потенциального барьера перехода уменьшается пропорционально приложенному к диоду напряжению. Пренебрегая падением напряжения на базе диода, рассмотрим диод при малых прямых токах.

С уменьшением высоты потенциального барьера увеличивается количество носителей заряда, которые могут преодолеть потенциальный барьер и перейти в соседнюю область диода, где они окажутся неосновными носителями (рис. 2). Этот процесс называют инжекцией неосновных носителей заряда через p-n-переход.

 

 

Рис. 2. Пространственное распределение зарядов (а, б, в) и

энергетические диаграммы p-n-перехода (г, д, е):

а, г – внешнее напряжение отсутствует (),

б, д – внешнее напряжение прямое (),

в, е – внешнее напряжение обратное ().

 

Так как высота потенциального барьера уменьшается пропорционально приложенному напряжению, а носители заряда распределены по энергиям по экспоненциальному закону в соответствии со статистикой Ферми-Дирака или Максвелла-Больцмана, то прямая ветвь ВАХ диода должна быть похожа на экспоненту (рис. 3).

 

 

Рис. 3. Вольт-амперная характеристика диода

при инжекции и экстракции носителей заряда

 

При увеличении температуры диода уменьшается высота потенциального барьера и изменяется распределение носителей заряда по энергиям (электроны, например, занимают более высокие энергетические уровни в зоне проводимости). Из-за этих двух причин прямой ток через диод увеличивается с ростом температуры при неизменном прямом напряжении (рис. 4, а).

 

 

Рис. 4. Прямые ветви ВАХ диода:

а) при разных температурах,

б) при разной ширине запрещенной зоны исходного материала,

в) при разной концентрации примесей в прилегающих к p-n-переходу областях.

Если сравнить прямые ветви двух диодов, изготовленных из разных материалов, с разной шириной запрещенной зоны, то у диода из материала с большей шириной запрещенной зоны будет больше высота потенциального барьера. Следовательно, прямой ток через диод из материала с большей шириной запрещенной зоны будет меньше при том же прямом напряжении (рис. 4, б).

С увеличением концентрации примесей в прилегающих к p-n-переходу областях будет увеличиваться высота потенциального барьера перехода, а значит, будет меньше прямой ток при том же прямом напряжении (рис. 4, в).

 

Обратное включение диода

 

При обратном включении диода внешнее электрическое поле и диффузионное поле в p-n-переходе совпадают по направлению, происходит экстракция неосновных носителей заряда из прилегающих к переходу областей (рис. 2, е). Это приводит к уменьшению граничной концентрации неосновных носителей заряда около p-n-перехода и к появлению диффузии неосновных носителей к переходу – идет диффузионный ток неосновных носителей, возникающих в результате тепловой генерации в объеме n- и p-областей диода, а также на омических переходах.

За время жизни до p-n-перехода могут продиффундировать неосновные носители, возникшие в n- и p-областях на расстоянии, не превышающем соответствующей диффузионной длины (рис. 5, а, б).

 

 

 

Рис. 5. Экстракция неосновных носителей из прилегающих к p-n-переходу областей при разных обратных напряжениях на диоде

 

Остальные неосновные носители, не успев дойти до перехода, рекомбинируют в объеме. Это справедливо для разных обратных напряжений на диоде, если толщины прилегающих к переходу областей превышают диффузионные длины неосновных носителей заряда. Поэтому обратный ток, начиная с очень малых значений обратного напряжения, не будет изменяться с изменением напряжения (рис. 3). Этот неизменный с изменением напряжения обратный ток через диод называют током насыщения.

Рассмотрев физические процессы в диоде при обратном напряжении, можно выразить плотность тока насыщения через параметры полупроводникового материала:

,

где – электрический заряд;

– собственная концентрация носителей заряда при данной температуре;

– диффузионная длина дырок;

- диффузионная длина электронов;

– концентрация доноров;

– концентрация акцепторов;

– время жизни дырок;

- время жизни электронов.

Этот ток не совсем и не всегда насыщенный, так как толщина базы диода зависит от напряжения в связи с изменением толщины p-n-перехода при изменении приложенного напряжения.

При увеличении температуры диода плотность тока насыщения увеличивается, так как с температурой экспоненциально растет собственная концентрация носителей заряда.

В диодах на основе материала с большей шириной запрещенной зоны плотность тока насыщения должна быть значительно меньше, так как собственная концентрация экспоненциально уменьшается с увеличением ширины запрещенной зоны. Сравнивая германиевые и кремниевые диоды и учитывая разницу в собственных концентрациях носителей в германии и кремнии, которая составляет три порядка, следует заключить, что плотность тока насыщения в кремниевых диодах должна быть меньше на шесть порядков.

С увеличением концентрации примесей в прилегающих к переходу областях плотность тока насыщения в соответствии с (1) должна уменьшатся.

Таким образом, ВАХ диода обычно записывают в виде:

,

где – приложенное напряжение;

– коэффициент пропорциональности;

- температура.

Графическое изображение ВАХ показано на рис. 3. Для удобства масштабы прямых и обратных напряжений, а также прямых и обратных токов выбирают разными.

 








Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту:



©2015 - 2024 stydopedia.ru Все материалы защищены законодательством РФ.