Проверка исправности и определение выводов полупроводникового диода
Лабораторная работа №4-5
Исследование полупроводникового диода.
Построение вольтамперной характеристики диода по точкам
Цель работы: научиться определять исправность и выводы различных полупроводниковых диодов, получать и строить по точкам вольтамперную характеристику полупроводникового диода.
Приборы и принадлежности:
1. Авометр АВО-63,
2. Комбинированный прибор Щ4313 - 2 шт.,
3. Источник электропитания ИЭПП-2 или ИПС-1,
4. Магазин сопротивлений,
5. Полупроводниковые диоды,
6. Резисторы,
8. Соединительные провода.
Контрольные вопросы
1.Какие химические элементы являются полупроводниками. Чем они отличаются от проводников и диэлектриков?
2. Объясните зависимости, представленные на рисунках 1 и 2. Поясните участки 1 и 2 графика, приведённого на рисунке 2.
3. Объясните механизмы протекания тока в собственном и примесном полупроводниках. Для чего используют примеси? Какие бывают примесные полупроводники и как их получают?
4. Рассмотрите принцип работы электронно-дырочного перехода в равновесном состоянии. Объясните механизмы возникновения потенциального барьера, диффузионного и дрейфового токов.
5. Рассмотрите электронно-дырочный переход при прямом подключении. Как осуществляется прямое подключение p - n-перехода. Какие токи и сопротивления характерны для p - n-перехода при прямом подключении.
6. Рассмотрите электронно-дырочный переход при обратном подключении. Как осуществляется обратное подключение p - n-перехода. Какие токи и сопротивления характерны для p - n-перехода при обратном подключении.
|
|
|
7. Что такое полупроводниковый диод. Приведите его структурную схему и условное обозначение. В чём заключается принцип работы полупроводникового диода. Чем устройство и принцип работы полупроводникового диода отличаются от устройства и принципа работы симметричного p - n-перехода?
8. Что представляет вольтамперная характеристика диода? Что представляет прямая ветвь ВАХ диода? Что представляет обратная ветвь ВАХ диода? Как зависит вид ВАХ диода от масштаба, выбранного по горизонтальной оси, вертикальной оси?
9. Как экспериментально получают прямую ветвь ВАХ диода. Объясните выбор принципиальной электрической цепи. Как будет учитываться влияние измерительных приборов на режим работы цепи?
10. Как экспериментально получают обратную ветвь ВАХ диода. Объясните выбор принципиальной электрической цепи. Как будет учитываться влияние измерительных приборов на режим работы цепи?
11. Как проверить исправность полупроводникового диода. Объясните, используя теорию, методику проверки.
|
|
|
12. Как называются выводы диода. Как определить выводы диода. Объясните, используя теорию, методику определения выводов.
Задание
1. Построить теоретические прямые ветви вольтамперных характеристик для германиевого и кремниевого диодов в одних осях, используя формулу:
и приняв I0=0,1мА для германиевого диода и I0=1мкА для кремниевого диода, j т =0,026В. При построении прямой ветви подставить положительные значения токов от 0 до 10 мА (5-6 точек). Уметь объяснять расчётную формулу из задания и значения величин I0 и j т .
Краткая теория
Полупроводниковый диод представляет собой двухэлектродный прибор, действие которого основано на использовании электрических свойств p-n перехода или контакта металл-полупроводник.
Собственные и примесные полупроводники
По значению удельного электрического сопротивления полупроводники занимают промежуточное положение между проводниками и диэлектриками.
На рисунке 1 приведена зависимость удельного сопротивления ρ чистого полупроводника от абсолютной температуры. Видно, что с понижением температуры сопротивление возрастает и вблизи абсолютного нуля полупроводник практически становится изолятором; тогда как с повышением температуры сопротивление уменьшается, а это означает, что полупроводник начинает хорошо проводить электрический ток.
|
|
|
Однако некоторые свойства полупроводника и проводника различны. Так, например, температурная зависимость удельного сопротивления полупроводника отличается от аналогичной зависимости проводника (см. рис.2): с понижением температуры сопротивление металлов падает.
Рис. 1
|
Рис.2
|
Различие графиков объясняется различием химических связей в элементах, и механизмов протекания электрического тока.
Собственные полупроводники
Химически чистые полупроводники называются собственными полупроводниками. К ним относятся ряд химически чистых элементов (германий, кремний, селен и т. д.) и многие химические соединения (арсенид галия - GaAs, арсенид индия - InАs, карбит кремния - SiC и т. д.).
Электронно-дырочный механизм проводимости проявляется только у чистых (т. е. без примесей) полупроводников. Он называется собственной электрической проводимостью полупроводников.
Рассмотрим процесс протекания электрического тока на примере германия.
Атомы германия на внешней оболочке имеют четыре слабо связанных электрона. Их называют валентными электронами. В кристаллической решетке каждый атом окружен четырьмя ближайшими соседями. Связь между атомами в кристалле германия является ковалентной, т. е. осуществляется парами валентных электронов. Каждый валентный электрон принадлежит двум атомам (см. рис. 3).
|
|
|
Валентные электроны в кристалле германия связаны с атомами гораздо сильнее, чем в металлах; поэтому концентрация электронов проводимости при комнатной температуре в полупроводниках на много порядков меньше, чем у металлов. Вблизи абсолютного нуля температуры в кристалле германия все электроны заняты в образовании связей. Такой кристалл электрического тока не проводит.
|
Рис. 3 Парно-электронные связи в кристалле германия
и образование электронно-дырочной пары
При повышении температуры некоторая часть валентных электронов может получить энергию, достаточную для разрыва ковалентных связей. Тогда в кристалле возникнут свободные электроны - электроны проводимости. Одновременно в местах разрыва связей образуются вакансии, которые не заняты электронами. Эти вакансии получили название дырок. Вакантное место может быть занято валентным электроном из соседней пары, тогда дырка переместится на новое место в кристалле (см. рис. 3).
При заданной температуре полупроводника в единицу времени образуется определенное количество электронно-дырочных пар. В то же время идет обратный процесс – при встрече свободного электрона с дыркой, восстанавливается электронная связь между атомами германия. Этот процесс называется рекомбинацией.
Электронно-дырочные пары могут рождаться также при освещении полупроводника за счет энергии электромагнитного излучения.
В отсутствие электрического поля электроны проводимости и дырки участвуют в хаотическом тепловом движении.
Если полупроводник поместить в электрическое поле, то в упорядоченное движение вовлекаются не только свободные электроны, но и дырки, которые ведут себя как положительно заряженные частицы (см. рис. 3). Поэтому ток I в полупроводнике складывается из электронного 
и дырочного 
токов: 
.
Концентрация электронов проводимости в полупроводнике равна концентрации дырок: 
.
Примесные полупроводники
В применяемые полупроводниковые материалы при выращивании кристаллов умышленно добавляют примеси других элементов, приводящих к нарушению равенства 
и, соответственно, к преобладанию одной проводимости над другой во много раз.
Рассмотрим на примере типичного германиевого полупроводника образование примесных уровней.
|
|
Рис.4 Образование полупроводников n -типа (слева) и p -типа (справа)
Полупроводники n-типа
Введем в решетку четырехвалентного германия пятивалентные атомы, например, мышьяка (As). Тогда из пяти его валентных электронов в связях с четырехвалентной решеткой кристалла германия будут участвовать только четыре электрона. Пятый электрон будет «лишним», он слабо удерживается атомом мышьяка и, как следствие, становится электроном проводимости (см. рис.4). Известно, что добавка в кристалл кремния примесей фосфора в количестве 0,001 атомного процента уменьшает удельное сопротивление более чем на пять порядков. Такая примесь называется донорной примесью, так как обеспечивает полупроводник электронами проводимости.
На месте ушедшего электрона образуется «замороженная дырка», т. е. положительный ион As, он жестко связан с решеткой и не может в ней перемещаться. Электроны же, находясь в междоузлии кристалла, свободно перемещаются в нем. Под действием электрического поля они обретают упорядоченное движение, т. е. возникает ток. Таким образом, носителями тока будут лишь электроны. Такие кристаллы, обладающие лишь электронной проводимостью, называются кристаллами n-типа. Буква n – первая в латинском слове negativ – «отрицательный», т.к. заряд электрона отрицателен.
Полупроводники p-типа
Если ввести в четырехвалентный кристалл Ge трехвалентные атомы, например, атомы индия (In), то в кристалле образуется дырочная проводимость (см. рис.4). Как видим, атом индия может недостающий электрон принять от соседнего атома германия, но там образуется «дырка», которая будет хаотически перемещаться в кристалле.
Такие кристаллы, с носителями тока – «дырками», называются кристаллами р-типа. Буква p – первая в латинском слове positiv – «положительный», т.к. заряд «дырки» считается положительным.
Атом In, приняв электрон, становится отрицательным ионом, жестко связанным с решеткой, поэтому не способен участвовать в токе.
Кристаллы р-типа как и кристаллы n-типа при этом электрически нейтральны.
P -n переход
Граница соприкосновения двух полупроводников, один из которых имеет электронную, а другой – дырочную проводимость, называется р-n-переходом.
Рассмотрим подробнее процесс образования p-n перехода.
P-n переход в равновесном состоянии
Равновесным называют такое состояние перехода, когда отсутствует внешнее напряжение.
Напомним, что в р-области имеются два вида основных носителей заряда: неподвижные отрицательно заряженные ионы атомов акцепторной примеси и свободные положительно заряженные дырки; а в n-области имеются также два вида основных носителей заряда: неподвижные положительно заряженные ионы атомов донорной примеси и свободные отрицательно заряженные электроны (см. рис.5).
До соприкосновения p и n полупроводников электроны, дырки и ионы примесей распределены равномерно. При контакте на границе p и n областей вследствие разницы концентрации свободных носителей заряда в областях возникает диффузия. Электроны из n-области переходят в p и рекомбинируют там с дырками. Дырки из р-области переходят в n-область и рекомбинируют там с электронами (см. рис.5).
Рис.5
| 
Рис.6
|
В результате такого движения свободных носителей заряда в пограничной области их концентрация убывает почти до нуля и в тоже время в р-области образуется отрицательный пространственный заряд ионов акцепторной примеси, а в n-области положительный пространственный заряд ионов донорной примеси (см. рис.6). Между этими зарядами возникает контактная разность потенциалов φк и электрическое поле Ек, которое препятствует диффузии свободных основных носителей заряда из глубины р- и n-областей через р-n-переход (см. рис.7) и одновременно способствует движению свободных неосновных носителей заряда из глубины р- и n-областей через р-n-переход (см. рис.8).
Рис.7
| 
Рис.8
|
Таким образом, в равновесном состоянии через р-n переход движутся два встречных потока зарядов (протекают два тока). Это дрейфовый ток неосновных носителей заряда (см. рис.8) и диффузионный ток, который связан с основными носителями заряда (см. рис.5). Так как внешнее напряжение отсутствует, и тока во внешней цепи нет, то дрейфовый ток и диффузионный ток взаимно уравновешиваются и результирующий ток равен нулю:
Это соотношение называют условие динамического равновесия процессов диффузии и дрейфа в равновесном p-n-переходе.
Р-n переход при внешнем напряжении, приложенном к нему
Внешнее напряжение нарушает динамическое равновесие токов в p-n-переходе. P-n-переход переходит в неравновесное состояние. В зависимости от полярности напряжения приложенного к областям в p-n-перехода возможно два режима работы.
Рис.9
| 
Рис.10
|
Прямое смещение p-n перехода
Р-n-переход считается смещённым в прямом направлении, если положительный полюс источника питания подсоединен к р-области, а отрицательный к n-области (см. рис.9).
При прямом смещении, напряжения φк и U направлены встречно, результирующее напряжение на p-n-переходе убывает до величины φк - U . Это приводит к тому, что напряженность электрического поля Ек убывает, уменьшается ширина p-n перехода и возобновляется процесс диффузии основных носителей заряда. Ток диффузии становится много больше дрейфового. Через p-n-переход протекает прямой ток: 
.
При увеличении U ток резко возрастает.
Обратное смещение p-n перехода
Обратное смещение возникает, когда к р-области приложен минус, а к n-области плюс, внешнего источника напряжения (см. рис.10).
Такое внешнее напряжение U включено согласно φк. Оно увеличивает высоту потенциального барьера до величины φк + U. Напряженность электрического поля Ек возрастает, ширина p-n перехода возрастает так же. Процесс диффузии полностью прекращается и через p-n переход протекает дрейфовый ток: 
.
Этот ток мал по величине т.к. связан с неосновными носителями заряда, концентрация которых мала.
Полупроводниковые диоды
Полупроводниковый прибор с одним р-n-переходом, имеющий два омических вывода, называют полупроводниковым диодом (см. рис.11).
Условное обозначение полупроводникового диода (рис.11, внизу) в соответствии со структурной схемой выглядит следующим образом:
Рис.11
Вывод р-области называется анод, вывод n-области – катод.
В конце XIX в. устройства подобного рода были известны под именем выпрямителей, и лишь в 1919 г. Вильям Генри Иклс ввёл в оборот слово «диод», образованного от греческих корней «di» – два, и «odos» – путь.
Рис.12
В большинстве случаев полупроводниковый диод отличается от симметричного p-n перехода тем, что p-область диода, называемая эмиттером, имеет значительно большее количество примесей, чем n-область ( 
). Такое устройство носит название несимметричного p-n перехода. В этом случае n- область носит название базы диода.
При подаче на такой переход обратного напряжения ток насыщения будет состоять почти только из потока дырок из базы в p-область и будет иметь меньшую величину, чем для симметричного перехода. При подаче прямого напряжения прямой ток тоже почти полностью будет состоять из потока дырок из p-области в базу и уже при небольших прямых напряжениях будет возрастать экспоненциально (см. формулу 1).
ВАХ диода
Вольт-амперная характеристика полупроводникового диода – зависимость тока диода от приложенного к диоду напряжения.
Вольт-амперная характеристика (ВАХ) полупроводникового диода изображена на рисунке 13. Здесь же пунктиром показана теоретическая ВАХ электронно-дырочного перехода, определяемая соотношением
. (1)
где 
- обратный ток насыщения (ток, обусловленный неосновными носителями заряда); U — напряжение на p-n-переходе; 
= 
- 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.
Рис.13
| 
Рис.14
|
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.
Пробой диода
При обратном напряжении диода свыше определенного критического значения наблюдается резкий рост обратного тока (см. рис. 14). Это явление называют пробоем диода. Пробой диода возникает либо в результате воздействия сильного электрического поля в р-n-переходе (рис.14, кривая 1 и 2). Такой пробой называется электрическим. Он может быть туннельным – кривая 2 или лавинным – кривая 1. Либо пробой возникает в результате разогрева p-n-перехода при протекании тока большого значения и при недостаточном теплоотводе, необеспечивающим устойчивость теплового режима перехода (рис. 14, 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.
Электрические принципиальные схемы для получения ВАХ диода по точкам представлены на рисунке 15: слева – цепь для снятия прямой ветви, справа – для обратной ветви. Резистором обозначен магазин сопротивлений, амперметр – прибор АВО-63 или Щ4313, вольтметр – Щ4313.
|
|
Рис.15
Проверка исправности и определение выводов полупроводникового диода
Проверка исправности полупроводниковых диодов может осуществляться с помощью омметра. Для этого измеряют сопротивление диода, подключая его к омметру сначала в одном направлении, а потом - в обратном. Как указывалось выше, при подключении диода в прямом направлении его ток достаточно велик (порядок тока - миллиампер), а значит сопротивление малое. При обратном подключении ток диода наоборот мал (порядка микроампер), а сопротивление – большое. У исправного диода сопротивления при прямом и обратном направлении различны. Сопротивление при прямом подключении в несколько раз будет меньше сопротивления при обратном подключении. У неисправного диода сопротивления в обоих случаях либо очень малы (близки к нулю), либо очень велики (стремятся к бесконечности).
Для определения выводов диода необходимо подключить его к омметру АВО-63 в прямом направлении, и посмотреть, какой вывод диода подключен к проводу омметра, соединённому с положительным полюсом внутреннего источника питания. Этот вывод диода и будет анодом.
Дата добавления: 2021-11-30; просмотров: 45; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!