Теоретичні відомості. Мінiстерство освiти і науки України

МІНIСТЕРСТВО ОСВIТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ “Львiвська полiтехнiка”

ДОСЛІДЖЕННЯ НАПІВПРОВІДНИКОВИХ ДІОДІВ

МЕТОДИЧНІ ВКАЗІВКИ

для самостійної роботи та інструкція

до лабораторної роботи № 1

з дисципліни “Електроніка та мікросхемотехніка”

для студентів базового напряму

6.050202 (6.0925) “Автоматизація та комп’ютерно-інтегровані технології”

Затверджено

на засiданнi кафедри

автоматизації теплових i хiмiчних процесів

Протокол № 8 вiд 28.01.2010 р.

Львів – 2010

Дослідження напівпровідникових діодів. Методичні вказівки для самостійної роботи та інструкція до лабораторної роботи № 1 з курсу “Електроніка та мікросхемотехніка” для студентів базового напряму 6.050202 (6.0925) “Автоматизація та комп’ютерно-інтегровані технології”. /Укл. Грень Я.В., Мичуда Л.З., Вашкурак Ю.З. Львiв: Видавництво Національного університету “Львiвська полiтехнiка”, 2010. - 6 с.

Укладачі	Грень Я.В., доцент, к.т.н.,
	Мичуда Л.З., доцент, к.т.н.,
	Вашкурак Ю.З., доцент, к.т.н.

Відповідальний за випуск	Пістун Є.П., професор, д.т.н.

Рецензенти	Кріль Б.А., доцент, к.т.н., Фединець В.О., доцент, к.т.н

Мета роботи: практичне ознайомлення з характеристиками i властивостями напівпровідникових діодів.

Необхідна підготовка: знання принципу дії i вольт-амперних характеристик напівпровідникових діодів.

Теоретичні відомості

Якщо опір приладу сталий, не залежить від струму або напруги, то зв’язок між струмом і напругою виражається законом Ома:

І=U/R або I=GU

тут I – струм

U - напруга

R – електричний опір

G= 1/R провідні, величина обернена до опору.

Струм прямо пропорційний напрузі. Графік залежності між струмом і напругою називається вольт-амперною характеристикою приладу. Для провідника приладу вольт-амперна характеристика є прямою лінією, що проходить через початок координат (рис. 1). Чим більший опір R, тим менше провідність G і тим менший струм при даній напрузі. Тому для великих опорів характеристика більш полога. Пристрої, принцип дії яких базується на закону Ома, а вольт-амперна характеристика має вигляд прямої лінії, що проходить через початок координат, називаються лінійними. Існують пристрої, опір яких не є постійною величиною, а залежить від напруги або струму. Для таких пристроїв зв’язок між струмом і напругою виражається не законом Ома, а складнішими залежностями і вольт-амперна характеристика не є прямою лінією, що проходить через початок координат. Такі пристрої називаються нелінійними. Конструктивно оформлений електронно-дірковий перехід та два невипрямні переходи (виводи) називають напівпровідниковим діодом. Напівпровідниковий діод є нелінійним пристроєм. Приклад вольт-амперної характеристики діоду невеликої потужності наведено на рис. 2. Зауважте, що на рисунку масштаби в області прямого та зворотного включення діоду, різні. З рис. 2 видно, що при прямій напрузі в десяті частки вольта протікає прямий струм в десятки міліампер. Тому прямий опір, зазвичай не перевищує десятки ом. Для більш потужних діодів прямий струм складає сотні міліампер і при такій же напрузі прямий опір діода становить одиниці і частки ома.

Рис. 1. Вольт-амперна характеристика провідника   Рис. 2. Вольт-амперна характеристика напівпровідникового діода

Зворотній струм малий порівняно з прямим, і при зворотній напрузі до сотень вольт в малопотужних діодах складає одиниці і десятки мікроампер. Відповідно опір діоду при зворотному включенні становить сотні кілоом.

Вольт-амперна характеристика в області прямої напруги має значну нелінійність, оскільки при зростанні прямої напруги опір запірного шару зменшується. Тому крутизна кривої зростає. При певному значення напруги (десяті вольта) запірний шар зникає і залишається опір тільки n - та р -облаті, який наближено мажна вважати постійним. І тому характеристика стає майже лінійною. Не лінійність в цій частині пояснюється нагрівом діоду і тому його опір знижується.

Зворотний струм при збільшенні зворотної напруги спочатку швидко зростає. Це пов’язано з тим, що вже при невеликій зворотній напрузі за рахунок підвищення потенціального бар’єру в переході різко знижується дифузійний струм, який направлений назустріч струму провідності. Отже, повний струм різко збільшується. Проте при подальшому підвищенні зворотної напруги струм зростає незначно. Зростання струму відбувається внаслідок нагріву переходу, за рахунок витоку по поверхні, а також за рахунок лавинного розмноження носіїв заряду, тобто збільшення кількості носіїв заряду в результаті ударної іонізації. Явищеударній іонізації полягає в тому, що при вищій зворотній напрузі електрони набувають великої швидкості і, вдаряючись в атоми кристалічної решітки, вибивають з них нові електрони, які, у свою чергу, розганяються полем і також вибивають з атомів електрони. Такий процес посилюється з підвищенням напруги.

При деякому значенні зворотної напруги виникає пробій п-р-переходу, при якому зворотний струм різко зростає і опір запірного шару різко зменшується. Розрізняють електричний і тепловий пробій п-р -переходу. Електричний пробій, області якого відповідає на рис. 2 ділянка АВС характеристики, є зворотнім, тобто при цьому пробої в переході не відбувається незворотних змін (руйнування структури речовини). Тому допускається робота діода в режимі електричного пробою. Спеціальні діоди для стабілізації напруги — напівпровідникові стабілітрони — працюють на ділянці ВС характеристики. Існують два види електричного пробою, які нерідко супроводять один одного: лавинний і тунельний.

Лавинний пробій пояснюється лавинним розмноженням носіїв за рахунок ударної іонізації і за рахунок виривання електронів з атомів сильним електричним полем. Цей пробій характерний для п- р-переходів великої товщини при порівняно малій концентрації домішок в напівпровідниках. Напруга для лавинного пробою складає десятки або сотні вольт.

Тунельний пробій пояснюється явищем тунельного ефекту. Суть останнього полягає в тому, що при полі напруженістю понад 10⁵ В/см, що діє в n-р-переході малої товщини, деякі електрони проникають через перехід без зміни своєї енергії. Тонкі переходи, в яких можливий тунельний ефект, утворюються при високій концентрації домішок. Напруга тунельного пробою, зазвичай не перевищує одиниць вольт.

Області теплового пробою відповідає на рис. 2 ділянка CD. Тепловий пробій незворотній, оскільки він супроводжується руйнуванням структури речовини в місці n-р- переходу. Причиною теплового пробою є порушення стійкості теплового режиму n-р- переходу. Це означає, що кількість теплоти, що виділяється в переході від нагріву його зворотним струмом, перевищує кількість теплоти, що відводиться від переходу. В результаті температура переходу зростає, опір його зменшується і струм збільшується, що приводить до перегріву переходу і його теплового руйнування.

Електропровідність напівпровідникових пристроїв істотно залежить від температури. При збільшенні температури зростає генерація пар носіїв заряду, тобто зростає концентрація носіїв і провідність зростає. Вольт-амперні характеристики отримані при різних температурах показані на рис. 3. З рисунку видно, що при зростанні температури зростають прямий та зворотний струми. При нагріві на кожні 10°С в германієвих діодах зворотній струм зростає приблизно в 2 рази, в кремнієвих – в 2.5. Напруга пробою при зростанні температури спочатку незначно зростає, а потім знижується. Прямий струм діоду при нагріві зростає не так інтенсивно, як зворотний. Це пояснюється тим, що прямий струм виникає головним чином за рахунок домішкової провідності, а концентрація домішок від температури не залежить.

Рис. 3. Вплив температури на вольт-амперну характеристику діода

Дата добавления: 2015-10-26