 |
Исследование полупроводникового диода
|
|
|
|
Министерство образования и науки Российской Федерации
Иркутский государственный технический университет
Институт Авиамашиностроения и транспорта
Кафедра Оборудования и автоматизации машиностроения
ЭЛЕКТРОНИКА
Методические указания по лабораторным работам
| Укрупненная группа направлений и специальностей | 220700 “Автоматизация технологических процессов и производств” |
| Направление подготовки: | “Автоматизированное управление жизненным циклом продукции” |
Иркутск 2014 г.
Лабораторная работа № 1
Исследование полупроводникового диода
Цель работы: закрепить теоретические знания о диодах, научиться рассчитывать и измерять токи, напряжения и сопротивления диодов; экспериментально получить вольтамперные характеристики диода.
Используемое оборудование и средства: персональный компьютер, программа Electronics Workbench.
Методические указания: работа выполняется студентами за 2 часа аудиторных занятий.
Краткие теоретические сведения
Полупроводниковый диод – это прибор, который образуется путем соединения двух полупроводников с различными типами проводимости p и n, как показано на рис.1.
Рис.1. Полупроводниковый диод
| 
Рис. 2. Вольтамперная характеристика диода
|
В n – области основными подвижными носителями электрического заряда являются электроны, в p – области – дырки. На границе соединения n- и p –областей образуется электронно-дырочный, или p-n-переход. Если к p-n—областям не приложено питание (U = 0), то находящиеся вблизи p-n-перехода подвижные носители заряда диффундируют в область с проводимостью, обусловленной носителями противоположного знака и взаиморекомбинируют. Поэтому у p-n-перехода образуется обедненный свободными носителями двойной слой пространственного заряда (рис.1). В p-области этот слой создается оставшимися после рекомбинации свободных носителей отрицательными ионами акцепторной примеси, в n-области – положительными ионами донорной, и его электрическое поле противодействует дальнейшей диффузии. Это поле на рис.1 обозначено Ек (контактное поле). Разность потенциалов между p и n областями, или потенциальный барьер, составляет десятые доли вольта.
|
|
|
В полупроводниках постоянно образуются и рекомбинируют тепловые электронно-дырочные пары, создавая неосновные носители (электроны в p-области и дырки в n-области). Неосновные носители, прежде чем успевают рекомбинировать с основными, попадают в контактное поле (Ек) и образуют дрейфовый ток. Таким образом, в полупроводниковом диоде протекают диффузионный (Iдиф) и дрейфовый (Iдр) токи.
Если к p-области приложить положительный относительно n-области потенциал (прямое смещение), то поле источника питания (Еп) будет направлено против контактного поля (Ек), как показано на рис.1. С увеличением напряжения прямого смещения поле питания (Еп) увеличивается и все больше компенсирует контактное поле (Ек). Следовательно, потенциальный барьер снижается и далее исчезает, что приводит к диффузии подвижных носителей через переход и увеличению диффузионного тока (Iдиф). Пересекающие переход носители становятся неосновными и рекомбинируют с основными носителями области, в которую они диффундируют. Пополнение рекомбинировавших основных носителей обеспечивается притоком из внешней цепи – через p-n-переход протекает прямой диффузионный ток (правая ветвь вольтамперной характеристики, показанной на рис.2).
Если к р-области приложить отрицательный относительно n-области потенциал (обратное смещение), то поле питания (Еп) будет направлено в одном направлении с контактным полем (Ек) и потенциальный барьер будет увеличиваться. С увеличением напряжения обратного смещения диффузионный ток основных носителей убывает и далее совсем прекращается, а дрейфовый ток неосновных носителей (обратный ток) возрастает, быстро достигая насыщения (левая ветвь вольтамперной характеристики рис.2).
|
|
|
Таким образом, если диод включен в прямом направлении ("+" к области р, а "-" к области n), то диод открыт и через него протекает прямой ток. При обратном включении ("-" к области р, а "+" к области n) через диод протекает незначительный обратный ток, т.е. фактически диод закрыт. Следовательно, можно считать, что диод пропускает ток только в одном направлении, что позволяет использовать его в качестве выпрямительного элемента.
Если к диоду подключен источник питания Е через резистор R, то через диод будут протекать прямой (Iпр) и обратный (Iобр) токи:
(1)
, (2)
где Uпр и Uобр – напряжение на диоде при прямом и обратном включении питания соответственно.
Вольтамперная характеристика p-n-перехода, а, следовательно, и диода описывается выражением:
, (3)
где I – ток через переход при напряжении U;
Iо – обратный ток;
Ut–температурный потенциал перехода, равный при комнатной температуре 26 мВ.
Статическое и динамическое сопротивления (Rст и Rд) диода определяются на основании вольтамперных характеристик и вычисляются по формулам:
(4)
, (5)
где U – напряжение на диоде;
I – ток через диод;
dU и dI – приращения напряжения и тока.
|
|
|
