2.1 Модели полупроводниковых диодов

Однопараметрическая модель Шокли описывает ВАХ идеального диода:

(1)

Здесь - разность потенциалов (напряжение) на выводах диода,- постоянная Больцмана,Т – абсолютная температура диода. Единственный параметр имеет смысл тока насыщения при обратном смещении диода при. Он равен произведению площадиp-n-перехода S и плотности тока насыщения

, (1а)

где - концентрации доноров и акцепторов вp- и n-областях соответственно, - собственная концентрация носителей,,- диффузионные длины и времена жизни неосновных электронов и дырок. Модель Шокли описывает только ток инжекции.

Если имеет место гомо p-n переход, то формулу (1а) можно модифицировать и выразить плотность тока насыщения с учетом величины ширины запрещенной зоны полупроводника:

Прямая ветвь ВАХ реального диода описывается двухпараметрической зависимостью, обобщающей формулу Шокли:

(2)

Здесь - коэффициент неидеальности диода. Он учитывает влияние на ток следующих факторов:

- рекомбинации носителей в области пространственного заряда (ОПЗ);

- утечек носителей;

- последовательного сопротивления базы.

Каждый из перечисленных факторов доминирует на определённых интервалах изменения токов или напряжений, поэтому коэффициент неидеальности и ток насыщенияпринимают на этих интервалах разные значения. В области малых токов преобладает вклад рекомбинации и утечек (при этом). В области средних токов доминируют инжекционные токи и токи утечки, поэтому коэффициент неидеальности равен. В области больших токов, где начинает сказываться падение напряжения на последовательном сопротивлении базы, коэффициент неидеальности сначала возрастает до значений, а затем зависимость вообще меняется с экспоненциальной на степенную. В полулогарифмическом масштабе график прямой ветви ВАХ диода, в широком интервале токов, имеет вид, показанный на рис.1. Здесь- границы упомянутых выше интервалов напряжений,- токи насыщения на интервалах 1 и 2 соответственно.

Рис. 1. ВАХ диода при прямом смещении в полулогарифмическом масштабе

Характер зависимости в области 4 можно установить, построив график ВАХ в логарифмическом масштабе (рис.2). Если ВАХ в области 4 удовлетворительно аппроксимируется линейной омической зависимостью

(3)

где - падение напряжения на собственноp-n –переходе, - падение напряжения на нейтральной области базы, то последовательное сопротивление этой областиможно определить графическим дифференцированием,

Практическая часть

Оборудование.

Лабораторный стенд 87Л-01, коммутационная плата №1, сменные панели №2 (использовать генератор тока ГТ, генератор напряжения ГН2, измерители АВМ1 , АВМ2 и АВО); сменную панель № 10 (использовать источник питания ИП, измерители АВМ1, АВМ2, АВО и МВ); съёмные компоненты: выпрямительные диоды КД103 (используемые в работе выпрямительные диоды имеют предельно допустимое обратное напряжение – свыше 30 В, предельно допустимый прямой ток – свыше 30 мА. Для проведения измерений необходим цифровой мультиметр с числом значащих цифр не менее 3-х.

Задание. Ознакомьтесь с параметрами диодов, в том числе и с предельно допустимыми режимами работы исследуемых компонентов

Порядок выполнения работы.

1. Соберите схему измерения параметров диодов, используя сменную панель №2 и коммутирующую плату №1. При этом присоедините соединительными проводами генератор тока ГТ с гнёздами Х1 и Х2 сменной панели. Гнёзда сменной панели Х3 и Х4 с измерителем тока АВМ1, а гнёзда измерительной панели Х5 и Х6 с измерителем тока АВМ2. При этом используйте схему, представленную на рис. 2.

2. Включите стенд 87Л-01.

3. Проведите измерения вольтамперных характеристик (ВАХ) диодов при прямом смещении в соответствии со схемой, изображённой на рис. 2. Число точек измерения не менее – 10. Для повышения точности измерения прямого падения напряжения на диоде применяйте цифровой вольтметр.

4. Выключите стенд 87Л-01.

5. Постройте график зависимости силы тока через диод в зависимости от величины прямого падения напряжения на диоде.

6. Сделайте вывод о линейности ВАХ диода.

7. Определите ток насыщения диода.

Работа №2. Исследование функционирования диодов с барьером Шоттки

Цель работы

Цель работы состоит в измерении в широком интервале вольтамперных характеристик полупроводникового диода на основе барьера Шоттки при прямом смещении и определении по ним тока насыщения и коэффициента неидеальности.

Теория.

Вольтамперная характеристика идеального диода Шоттки в моделях Бете и Давыдова-Пекара-Шоттки описывается формулой Шокли, согласно которой, также как и для диодов на p-n переходах зависимость тока от напряжения на выводах диода даётся выражением:

, (1)

где - ток насыщения (обратный ток диода при),- разность потенциалов (напряжение) на выводах диода,- постоянная Больцмана,Т – абсолютная температура диода, e – модуль заряда электрона. Экспоненциальная зависимость от напряжения обусловлена в обоих случаях надбарьерным механизмом прохождения тока. Однако физические интерпретации тока насыщения для p-n – диода и диода Шоттки совершенно различны. В первом случае он определяется эмиссией или диффузией основных носителей заряда, во втором – экстракцией неосновных носителей заряда.

Для учёта отклонений от идеальных моделей формула (1) модифицируется – в показатель экспоненты вводится коэффициент неидеальности m,

(2)

Для германиевых, арсенидгаллиевых и, с некоторыми оговорками, кремниевых диодов она следует из теории Бете. При этом ток насыщения даётся формулой Ричардсона-Дэшмэна

где - высота барьера Шоттки,А – эмпирическая константа.

Обратную ветвь ВАХ диодов Шоттки можно трактовать аналогично обратной ветви ВАХ полупроводниковых диодов с p-n-переходом. Основные причины отклонения от идеальности диода Шоттки – падение напряжения на последовательном сопротивлении, утечки по поверхности.

Токи насыщения и коэффициенты неидеальности – важные параметры диодов Шоттки. По их температурным зависимостям можно определить физические параметры структур – величину потенциального барьера со стороны металла в диоде Шоттки.