Цель работы

Цель работы – изучение принципа действия и свойств плоскостных (выпрямительных) и туннельных диодов путем практического снятия и исследования их статических вольтамперных характеристик.

1. Краткие сведения из теории

1.1. Выпрямительные диоды

Полупроводниковым диодом называется электропреобразовательный прибор, содержащий электронно-дырочный переход и имеющий два вывода. Выпрямительные диоды имеют плоскостной p-n и предназначены для выпрямления переменного тока низкой частоты (до 20 кГц).Работа полупроводниковых выпрямительных диодов основана на эффекте выпрямления в p-n. переходе. Рассмотрим этот эффект.

Электронно-дырочный переход образуется в монокристалле полупроводника, одна из областей которого легирована акцепторной, а другая – донорной примесями. Исходным материалом полупроводника может быть германий, кремний или арсенид галлия. В области, легированной акцепторной примесью, возникает дырочная проводимость (p-типа), а в области, легированной донорной примесью – электронная проводимость (n-типа).

Условия переноса электрических зарядов через p-n переход зависят от способа подключения внешнего источника постоянного напряжения (смещения). Различают прямое и обратное включение внешнего источника смещения. Если «минус» внешнего источника напряжения подключен к p-области, а «плюс» – к n-области, то электрическое поле внешнего источника будет совпадать с электрическим полем внутри p-n перехода. Такое включение будем называть обратным. Прямым называется такое включение внешнего источника, при котором «плюс» источника подключается к p-области, а «минус» – к n-области.

Энергетические диаграммы p-n перехода при прямом и обратном включениях источника изображены на рис. 1.

Рассмотрим поведение основных и неосновных носителей зарядов в структуре полупроводника с p-n переходом при обратном включении источника. Напомним, что основным носителем зарядов будут называться такие носители, которые составляют большинство для данной области полупроводника, а неосновными – носители, составляющие меньшинство (в p-области основными носителями будут дырки, а неосновными – электроны; в n-области наоборот).

Рис.1. Энергетические диаграммы p-n перехода: а) обратное включение, б) прямое включение

При обратном включении под действием электрического поля внешнего источника основные носители заряда будут перемещаться от пограничных слоев перехода вглубь полупроводника. В результате, ширина обедненного основными носителями слоя увеличиться и сопротивление p-n перехода возрастет (на рис. 1,а) вертикальные линии 1 – 1^I показывает ширину p-n перехода в равновесном состоянии; 2 –2^I – границы p-n перехода после подключения внешнего обратного напряжения.

Преобладающая часть приложенного напряжения падает на переходе, падением напряжения в остальном объеме полупроводника можно пренебречь. В результате такого включения источника перепад энергий между свободной и валентной зонами p и n областей увеличится. При этом высота потенциального барьера (контактная разность потенциалов) на границах p-n перехода увеличится на величину внешнего обратного напряжения т. е.

_обр = _о + U_обр,

где _обр – высота потенциального барьера при обратном включении источника;

_о – высота потенциального барьера при отсутствии источника;

U_обр – величина внешнего обратного напряжения.

С изменением высоты потенциального барьера нарушается термодинамическое равновесие и изменяется соотношение между диффузионной и дрейфовой составляющими тока в полупроводнике.

Поле внешнего источника при обратном включении является ускоряющим для неосновных носителей, и под действием этого поля неосновные носители начинают дрейфовать через p-n переход: электроны из p-области а n-область, а дырки из n-области в p-область. Появится дрейфовый ток. Поскольку концентрация неосновных носителей сравнительно невелика, то и ток, называемый дрейфом этих носителей, невелик. В дальнейшем этот ток будем называть обратным током насыщения p-n перехода и обозначить I₀ (иногда называется тепловым током).

Диффузионная же составляющая тока через p-n переход зависит от высоты потенциального барьера. С одной стороны, вследствие того, что концентрация дырок (основных носителей) в p-области выше, чем в n-области, начинается процесс диффузии дырок из p-области в n-область и появится диффузионный ток. С другой стороны, поле внешнего источника препятствует диффузии основных носителей через p-n переход (электрическое поле внешнего источника при обратном включении является тормозящим для основных носителей). По мере роста потенциального барьера (при увеличении U_обр) все меньшее число основных носителей способно преодолеть этот барьер. В предельном случае диффузионная составляющая тока с ростом потенциального барьера стремится к нулю. При достаточно больших величинах U_обр диффузионный ток практически равен нулю; и ток через p-n переход стремится к величине дрейфового тока. Говорят, p-n переход заперт.

Рассмотрим прямое включение источника смещения к p-n переходу.

Под действием внешнего электрического поля основные носители будут перемещаться к p-n переходу. Концентрация носителей в пограничных слоях p-n перехода возрастет, ширина p-n перехода становится меньше, и его сопротивление уменьшается. В этом случае высота потенциального барьера уменьшится на величину напряжения, подключаемого в прямом направлении, т. е.

_пр = _о + U_пр.

Так как высота потенциального барьера уменьшилась, то, следовательно, увеличивается диффузионный ток основных носителей через переход. В дальнейшем этот ток через переход будем называть прямым I_пр. При (U_пр)  ₀ потенциальный барьер способствует дрейфу через переход неосновных носителей (дрейфовый ток), а при (U_пр)  ₀ препятствует этому дрейфу.

Итак, при прямом включении внешнего источника через p-n переход протекает прямой ток, вызванный диффузией основных носителей. Так как концентрация основных носителей значительно выше концентрации неосновных, то и величина прямого тока I_пр значительно больше величины обратного тока I₀. Говорят p-n переход (диод) открыт.

Зависимость, связывающая ток через p-n переход и приложенное к переходу напряжение, называется вольтамперной характеристикой, и аналитически выражается в следующем виде:

Причем, при построении прямой ветви вольтамперной характеристики напряжение в показателе степени этого выражения берется со знаком «+», а при обратном – со знаком «–». Вольтамперная характеристика диода при прямом и обратном включениях изображена на рис. 2.

Рис. 2. Вольтамперная характеристика полупроводникового диода.

На вольтамперную характеристику диода очень сильно влияет окружающая температура. Так, с увеличением окружающей температуры вольтамперная характеристика сдвигается в область больших токов. Это обусловлено сильной зависимостью I₀. С ростом температуры растет число неосновных носителей, а это приводит в свою очередь к возрастанию тока I₀. Следует отметить, что влияние температуры неодинаково на диоды, изготовленные из различных полупроводниковых материалов. Так, диоды на основе германия более чувствительны к изменению температуры, чем кремниевые или арсенидгаллиевые. Зависит это от ширины запрещенной зоны исходного полупроводника. Как известно, у германия ширина запрещенной зоны составляет 0,72 эВ, а у кремния – 1,12 эВ. Поэтому при одном и том же увеличении окружающей температуры число электронов, перешедших из валентной зоны в зону проводимости в германии, будет больше, чем в кремнии. Следовательно, число неосновных носителей в германии при одних и тех же условиях будет больше, чем в кремнии, а значит и увеличение тока I₀ в германии с возрастанием температуры будет происходить быстрее, чем в кремнии.

Основными параметрами, характеризующими предельный режим использования выпрямительных (силовых) диодов, являются: максимально допустимое обратное напряжение U_обр_max, максимальное значение прямого тока I_пр_max. Электрическими параметрами диодов являются: прямой ток I_пр, выпрямленный ток I_ср (величина среднего за период тока), обратный ток I_обр, прямое напряжение U_пр (падение напряжения на диоде в прямом направлении), выпрямленное напряжение U_ср, обратное напряжение U_обр, емкость между выводами диода C_Д.