Лабораторна робота № 7.2  „Дослідження напівпровідникового діода”.

Мета роботи: вивчення принципу дії напівпровідникового діода, зняття вольтамперної характеристики діода, визначення його основних параметрів і ширини забороненої зони напівпровідника.

Вимірювальний стенд (схема на рис. 7. 6) складається з блока І для зняття прямої гілки характеристики і блока ІІ для зняття зворотної гілки характеристики, змонтованих в одному корпусі. Блок І включає джерело постійного струму, який регулюється двома потенціометрами R₁ (“грубо”) i R₂ (“точно”), транзистор Т, вольтметр V₁ на 1 В і міліамперметр А₁ на 500 мА. До досліджуваного діода Д₁, Д₂, Д₃ або Д₄ цей блок підключається з допомогою перемикача П₁. Всі позначення на панелі стенда, які відносяться до цього блока, виконані червоним кольором.

Блок ІІ складається з джерела постійного струму, двох потенціометрів R₃ (“грубо”) i R₄ (“точно”), трьохграничного вольтметра зворотної напруги V₂ з границями вимірювання 0, 1 В, 1 В, 10 В, двохграничного мікроамперметра А₂ з границями вимірювання 100 мкА і 1 мА (1000 мкА). Блок ІІ підключається до досліджуваного діода Д₁, Д₂, Д₃ або Д₄ за допомогою того самого перемикача П₁. Всі позначення на панелі стенда, пов’язані з блоком ІІ, виконані чорним кольором. Окрім трьох досліджуваних діодів Д₁, Д₂, Д₃, вбудованих в корпус стенда під склом, ще один досліджуваний діод Д₄ знаходиться в сушильній шафі і приєднується провідниками до клем “Вих” в верхній частині панелі стенда.

Принцип дії стенда і методика вимірювань полягає в наступному. Коли блок І підключений перемикачем П₁ до одного з досліджуваних діодів, позначених червоними літерами Д₁, Д₂, Д₃ або Д₄, то через діод тече прямий струм І_пр, який регулюється потенціометрами R₁ i R₂ в межах від 0 до 500 мА і вимірюється міліамперметром А₁. Кожному значенню прямого струму відповідає своє значення прямого спаду напруги U_пр, який вимірюється в десятих і сотих долях вольта вольтметром V₁.

Коли до досліджуваного діода перемикачем П₁ підключений блок ІІ (чорні літери і цифри Д₁, Д₂, Д₃ або Д₄ ), то до нього прикладається зворотна напруга U_звор, яка регулюється потенціометрами R₃ i R₄ і вимірюється вольтметром V₂ в межах від 0 до 10 В. Кожному значенню зворотної напруги відповідає своє значення зворотного струму, яке вимірюється в мікроамперах мікроамперметром А₂.

Таким чином, зняття вольт-амперної характеристики діода полягає в вимірюванні ряду пар значень прямого струму І_пр і прямого спаду напруги U_пр і, аналогічно, зворотної напруги U_звор і зворотного струму І_звор. Значення прямого струму і зворотної напруги задаються наперед викладачем або лаборантом і встановлюються як вказано вище, а вимірюються, власно кажучи, відповідні значення прямого спаду напруги і зворотного струму. За даними вимірювань будується на міліметровому папері вольт-амперна характеристика (рис. 7. 6) і визначаються її параметри: напруга відсічки прямої гілки U₀ (точка перетину продовження її прямолінійної частини з віссю абсцис), динамічний опір діода в прямому напрямку R_{д пр} (який визначається по нахилу прямолінійної частини прямої гілки характеристики), динамічний опір діода в зворотному напрямку R_{д звор} при нульовій напрузі, струм насичення діода в зворотному напрямку і_s і коефіцієнт випрямлення k, який дорівнює відношенню прямого струму при класифікаційному прямому спаді напруги до зворотного струму насичення.

Визначення ширини забороненої зони напівпровідника – кремнію або германію, з яких виготовлений діод, засноване на експериментальному вивченні температурної залежності дрейфового струму і_Е. Як зазначалось, цей струм обумовлений рухом в контактному полі неосновних носіїв заряду і пропорційний їх концентраціям n_p i p_n. Неосновні ж носії заряду з’являються при переході електронів з валентної зони в зону провідності (перехід зона-зона) за рахунок енергії фононів. Їх концентрація того ж порядку і пропорційна концентрації електронів і дірок у власному (бездомішковому) напівпровіднику n_i = p_i. А остання визначається шириною забороненої зони і температурою напівпровідника.

Враховуючи сказане, ми можемо привести без детального доказу дещо спрощене вираження для сили дрейфового струму:

.                                              (7. 19)

Прологарифмуємо це вираження:

                   .                                                     (7. 20)

Можна бачити, що ln i_E лінійно залежить від оберненої температури 1/ Т. Позначивши

y = ln i_E, a = ln A, b = (-De_G/2kT) i x = 1/T, одержимо

y = a + bx.                                                           (7. 21)

Робоча формула для визначення ширини забороненої зони напівпровідника De_G має вигляд:

                   .                                                (7. 22)

Коефіцієнт 1, 6× 10^-19 введений в знаменник щоб одразу одержати значення ширини забороненої зони в електронвольтах, а не в джоулях.

У випадку германієвих діодів дрейфовий струм дорівнює зворотному струмові насичення i_E = i_s. Кремнієві ж діоди насичення не зазнають, так як через них тече ще один вид струму – рекомбінаційно-генераційний, слабко зростаючий із зростанням зворотної напруги. Отже, дослідження температурної залежності дрейфового струму треба проводити при такій зворотній напрузі, при якій рекомбінаційно-генераційний струм ще дуже малий, а дифузійний струм вже дуже малий порівняно з дрейфовим. Аналіз показує, що ці умови сповна виконуються при зворотній напрузі U_звор = 1 В.