Контрольные вопросы

1. Назвать параметры резисторов.

2. Привести классификацию резисторов.

3. Какие стандартные значения сопротивления и мощности имеют резисторы?

4. Назвать параметры и привести классификацию конденсаторов.

5. Назвать параметры и привести классификацию катушек индуктивности.

6. Что такое добротность катушки индуктивности?

Лабораторная работа №2 полупроводниковый диод

Цель работы: изучение устройства, принципа работы и основных характеристик полупроводниковых диодов. Снятие вольтамперной характеристики.

Теоретическая часть

Полупроводниковым диодом называют электропреобразовательный полупроводниковый прибор с одним р-п переходом и двумя выводами из областей кристалла с различными типами проводимости. Именно р-п - переход является основой любого полупроводникового прибора, определяет его свойства, технические характеристики и параметры.

Электронно-дырочный или р-п - переход образуется между двумя областями полупроводника, одна из которых имеет электронную электропроводность, а другая дырочную. Идеализированная одномерная структура p-n-перехода, распределение в нем примесей и зонная диаграмма изображены на рис. 1.

При равных концентрациях электронов в п - области и дырок в р – области, возникает диффузия дырок из р - области в п - область и встречная диффузия электронов в противоположном направлении. Плотность дырочного и диффузного тока при этом соответственно j_{p диф} и j_{n диф}. Уходя из полупроводника n-типа, электроны оставляют в приконтактной области n-полупроводника нескомпенсированный положительный неподвижный заряд ионов доноров Q_D+. Аналогично в приконтактной области p-полупроводника появляется равный по величине нескомпенсированный отрицательный неподвижный заряд ионов акцепторов Q_A-.

В области контакта появляется встроенное электрическое поле, которое характеризуется контактной разностью потенциалов. Это электрическое поле называется запирающим.

Действие запирающего поля Е_зап проявляется в том, что через р-п переход могут дрейфовать (перемещаться под действием электрического поля) лишь неосновные носители заряда, т.е. дырки из полупроводника п-типа и электроны из полупроводника р - типа, которые обуславливают дрейфовые токи j_{p др} и j_{n др}.

Плотность полного тока через р-п переход определяется суммой диффузных и дрейфовых составляющих плотностей токов, которые при отсутствии внешнего напряжения равны. Направление токов дрейфа противоположно токам диффузии. В состоянии равновесия полный ток через р-п переход равен нулю

j_{p диф} + j_{n диф} + j_{p др} + j_{n др} = 0. (1)

Рис. 1. Распределение носителей зарядов и потенциала в р и п – областях:

р_п, п_п – концентрация дырок и электронов в п – области; р_р, п_р – концентрация дырок и электронов в р – области; Е_с, Е_v – уровень соответствующий дну зоны проводимости и потолку валентной зоны; F - энергия уровня Ферми.

Состояние термодинамического равновесия устанавливается при равенстве потоков основных и неосновных носителей заряда, при этом p-n-переход характеризуется контактной разностью потенциалов  _к и шириной области пространственного заряда (или шириной p-n-перехода) .

Увеличение температуры приводит к уменьшению контактной разности потенциалов и ширины p-n-перехода. Это, в первую очередь, определяется тем, что при высоких температурах уровни Ферми в n- и p-полупроводниках приближаются к середине запрещенной зоны, электропроводность полупроводников стремится к собственной.

При возрастании концентрации легирующих примесей N_D и N_A контактная разность потенциалов возрастает, а ширина p-n-перехода уменьшается.

Встроенное электрическое поле в p-n- переходе определяется зарядом неподвижных ионов примеси, при этом суммарный заряд структуры равен нулю: Q_D⁺ = Q_A^–.

Необходимо отметить, что область p-n-перехода обеднена подвижными носителями заряда, так как любой, возникший в этой области или попавший в нее, подвижный заряд выталкивается из области перехода электрическим полем. Поэтому сопротивление p-n-перехода значительно выше, чем сопротивление n- и p - областей.

Таким образом, причиной односторонней электропроводимости p-n-перехода является существующее в переходе встроенное электрическое поле.

+

х

р

п



х

р

п

E, эВ

а б

Рис. 2. Включения p-n-перехода перехода:

а – прямое; б – обратное.

Если приложить к р-п - переходу внешнее электрическое поле Е_вн путем подключения полупроводника к источнику напряжения таким образом, чтобы плюс был приложен к области полупроводника п - типа, а минус к области полупроводника р - типа (такое включение называют обратным рис. 2), то обеденный слой расширяется, так как под воздействием внешнего напряжения электроны и дырки, как основные носители заряда, смещаются от р-п - перехода в разные стороны. Напряженность результирующего поля в переходе Е_рез определяется

Е_рез = Е_зап + Е_вн. (2)

Практически все напряжение при этом прикладывается к запирающему слою, т.к. его сопротивление значительно больше сопротивление остальной части полупроводника. Высота потенциального барьера возрастает, поскольку полярность внешнего напряжения совпадает с полярностью контактной разности потенциалов

 = _к + U, (3)

а ширина его тоже увеличивается. При этом диффузная составляющая тока через р-п - переход уменьшается. Дрейфовая составляющая тока не изменяется, поскольку концентрация неосновных носителей заряда определяется лишь процессом термогенерации, а не уровнем напряжения. При обратном включении р-п - перехода через него проходит обратный ток I_обр, который определяется неосновными носителями и при увеличении обратного напряжения приближается к постоянному значению I_о = I_{п др} + I_{р др}. Ток I_обр = I_о называют тепловым током или током насыщения.

Если поменять полярность источника внешнего напряжения Е_вн (такое включение называют прямым рис. 3), то обедненный слой р-п - перехода сужается, а его проводимость увеличивается. Это связано с тем, что обедненный слой пополняется основными носителями заряда из объемов областей р и п - типов, поскольку под воздействием внешнего напряжения электроны и дырки полупроводника движутся навстречу друг к другу и р-п - переходу. Так как напряжение внешнего источника прикладывается встречно полярности контактной разности потенциалов, поэтому потенциальный барьер снижается и становится равным

 = _к – U. (4)

При этом создаются условия для инжекции основных носителей заряда - дырок из полупроводника р-типа в полупроводник п-типа и электронов в противоположном направлении и через р-п - переход проходит большой прямой ток I_пр обусловленный диффузией основных носителей заряда (диффузный ток). Инжекция - ввод носителей заряда через р-п - переход в область, где они являются неосновными.

В теории полупроводниковых приборов показывается, что зависимость между током и напряжением для идеального р-п - перехода описывается уравнением

, (5)

где I - тока через р-п – переход; I_о – обратный ток через р-п – переход; U - напряжение на р-п – переходе; q - заряд электрона; k - постоянная Больцмана; Т – температура.

График зависимости между прикладываемым к р-п-переходу напряжением и протекающим через него током, называемый вольтамперной характеристикой (ВАХ), приведен на рис. 3.

Рис. 3. Вольтамперная характеристика полупроводникового диода:

1 - прямая ветвь, 2 - обратная ветвь при лавинном пробое, 3 - обратная ветвь при тепловом пробое.

При приложении внешней разности потенциалов U в обратном (запорном) направлении ток через переход стремится к величине I_о. Она достигается уже при U = 0,1 В. Обратный ток определяется потоком через р-п - переход неосновных носителей и является небольшой величиной. Таким образом, обратное смещение на переходе обуславливает его большое сопротивление.

При приложении к р-п - переходу разности потенциалов в прямом направлении сила тока через переход растет по экспоненте и уже при незначительных напряжениях достигает большого значения, т.к. сопротивление р-п -перехода в прямом направлении незначительно.

Таким образом, р-п - переход обладает свойством односторонней проводимости, что позволяет использовать его в целях выпрямления переменного тока.

Если обратное напряжение превышает некоторое значение U_обр пр (риc. 3) называемое пробивным, то обратный ток резко возрастает. Если его не ограничить, то произойдет электрический пробой р-п - перехода, сопровождаемый часто тепловым пробоем. Электрический пробой объясняется тем, что при U_обр > U_{обр пр} электрическое поле в р-п - переходе становится столь сильным, что в состоянии сообщить электронам и дыркам энергию, достаточную для ударной ионизации вещества р-п - перехода с лавинообразным процессом размножения дополнительных пар зарядов. Эти пары способствуют резкому возрастанию обратного тока. Кратковременный электрический пробой не разрушает р-п - переход, т.е. является обратимым явлением. При тепловом же пробое происходит недопустимый перегрев р-п - перехода и он выходит из строя.

Изучение свойств полупроводников и р-п – перехода, позволило создать полупроводниковые диоды, транзисторы, оптроны, тиристоры, различные датчики, на основе которых создаются все электронные приборы бытового и промышленного назначения.

Полупроводниковые диоды подразделяют на выпрямительные, высокочастотные, сверхвысокочастотные, импульсные, стабилитроны, варикапы и т.д.

Наиболее распространенными являются выпрямительные диоды, основными параметрами которых являются:

1. Прямое напряжение U_пр - напряжение на диоде при прохождении через него прямого тока.

2. Прямой ток I_пр - ток, протекающий через прибор при приложении к нему прямого напряжения.

3. Максимальный прямой ток I_{пр max} - максимально допустимое среднее за период значение прямого тока, длительно протекающего через прибор.

4. Максимально допустимая скорость нарастания прямого тока через диод I_кр.

5. Обратное напряжение U_обр.

6. Максимальное обратное напряжение U_{обр max} - максимально допустимое среднее за период значение обратного напряжения, длительно прикладываемое к диоду без выхода его строя.

7. Обратный ток I_обр - ток, протекающий через прибор при приложении к нему обратного напряжения.

8. Дифференциальное сопротивление диода на переменном токе r_диф=dU/dI;

9. Частотный диапазон f.

В реальных диодах последовательно с р-п - переходом включено сопротивление областей полупроводника и омических контактов (Rs). При увеличении тока дифференциальное сопротивление р-п - перехода падает, поэтому сопротивление Rs может стать существенным в полном сопротивлении диода r_д

r_д = Rs + r_диф. (6)

По вольтамперной характеристике диода можно определить и контактную разность потенциалов _к (пример определения показан на рис.3).