Исследование температурной зависимости параметров диодов. Исследование температурной зависимости параметров диодов

• Название: Исследование температурной зависимости параметров диодов
• Дата: 14.05.2022
• Размер: 259.26 Kb.
• Имя файла: Исследование температурной зависимости параметров диодов.docx
• Тип: Лабораторная работа; #529118

РОССИЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

НЕФТИ И ГАЗА

(национальный исследовательский университет)

имени И.М. Губкина

Филиал в г. Оренбурге

Базовый ВУЗ нефтегазового комплекса России

Лабораторная работа

по дисциплине «Физические основы микроэлектроники»

на тему: «Исследование температурной зависимости параметров диодов»

Выполнил студент

ОАТз 19-01 Дудин Александр

Проверил

Завалий Максим Владимирович

Оренбург 2022

1. Цель работы:

Провести исследование температурной зависимости электросопротивления p –n перехода.

2. Краткие теоретические сведения:

Техника полупроводниковых устройств стала самостоятельной областью электроники. Замена электронных ламп полупроводниковыми устройствами удачно осуществлена во многих радиотехнических устройствах, которые эксплуатируются в совершенно разных условия.

Поэтому одним из важнейших параметров полупроводникового элемента является его зависимость от температуры.

Для проведения исследования я выбрал полупроводниковый диод на основе кремния (Si), потому что данный материал является сейчас наиболее используемым в современной радиоэлектронной аппаратуре.

В общем случае зависимость величины тока через p-n-переход от приложенного напряжения при различных температурах отражают вольтамперные характеристики показанные на рисунке1.



Рисунок1.ВАХвзависимости оттемпературы
Приведенные кривые соответствуют: 1 — Т1, 2 — Т2, 3 — Т3, причем Т1>T2>T3 для одного типа материала.

В обшем случае, для описания тока через p-n-переход используют следующие выражение:

(1)

- тепловой ток


— ток через p-n-переход;

— напряжение, прикладываемое к переходу;

• 
  напряжение открытого перехода при комнатной температуре (таблица1);
  

— температурный потенциал при комнатной температуре

(+18°C=291K) (таблица1);

или — постоянная Больцмана;

• 
  термодинамическая температура;
  
• 
  коэффициент инжекции, в зависимости от типа материала (таблица1);
  

— проводимость утечки, определяется поверхностным состоянием p-n- перехода (таблица1);

Таблица1.
^{Типовые значения I} 0^{, U*, γ, G для кремния}

Тип материала	I0, A [t=20°C; T=253K]	I0, A [t=20°C; T=253K]	I0, A [t=20°C; T=253K]	γ	G, См	U *, В
Si				1,7		0,7

Исследование я проводил с использованием программы для моделирования электронных схем Electronic Workbench 5.12 (EWB 5.12).

Перед определением зависимости термосопротивления от температуры, нужно было посторить ВАХ для диода на основе Si. Для снятия прямой ветви ВАХ в программе EWB 5.12 были построены электронные схемы, представленные на рисунке2.


Рисунок2.Схемы,необходимыедляснятияпрямой ветвиВАХp -n-перехода

приразличныхтемпературах
А для получения обратной ветви ВАХ были собранны следующие схемы (рисунок 3).



Рисунок3.Схемы,необходимыедляснятияобратнойветвиВАХp -n-перехода

приразличныхтемпературах

Все полученные данные были занесены в таблицу 2.

Таблица2.

Протокол измерения тока через p -n-переход кремниевого диода

Прямая ветвь ВАХ p -n-перехода
t=-20°C T=253 K	UПР, В	0,84	0,80	0,76	0,72	0,68	0,64	0,62
	IПР, мА	195	76,37	27,52	9,562	3,276	1,117	0,651
t=18°C T=291 K	UПР, В	0,84	0,79	0,74	0,69	0,64	0,59	0,56
	IПР, мА	270,4	99,86	33,13	10,50	3,276	1,017	0,503
t=80°C T=353 K	UПР, В	0,84	0,73	0,62	0,51	0,40	0,29	0,18
	IПР, мА	4428	2572	1087	262	37,82	4,626	0,538
Обратная ветвь ВАХ p -n-перехода
t=-20°C T=253 K	UОБР, В	0,84	0,63	0,42	0,21	0
	IОБР, мкА	0,001	0,001	0	0	0
t=18°C T=291 K	UОБР, В	0,84	0,63	0,42	0,21	0
	IОБР, мкА	0,002	0,002	0,001	0,001	0
t=80°C T=353 K	UОБР, В	0,84	0,63	0,42	0,21	0
	IОБР, мкА	17,14	17,13	17,10	16,80	0

По полученным данным таблицы 2 с использованием программы MathCAD были построенные графики функции (рисунок4).



Рисунок4.ВАХдля1—253К,2—291К,3—353К
ВАХ, показанные на рисунке 4, для температур 253 К и 291 К я построил в одной координатной плоскости, а ВАХ для температуры 353 К в отдельной, потому что

,как видно из таблицы 2, изображение всех трех ВАХ на одной координатной плоскости просто не целесообразно.

В общем случае p-n-переход характеризует три составляющих:

1.	— статистическое	сопротивление	(сопротивление	p-n-перехода
постоянному	току); (2)

2. — дифференциальное сопротивление (сопротивление p-n-перехода переменному току); (3)

3. — коэффициент выпрямления. (4)

Поэтому в результате расчета параметров p-n-перехода, выполненного в среде MathCAD и с использованием выражения (1), (2), (3), (4), были получены следующие данные, которые я занёс в таблицу3.

Таблица 3

Результаты расчета параметров p -n-перехода

t=-20°C T=253K	Эксп.	0,001	840· 103	195	4,308	1,95·105	0,84	0,001	840· 103	0,22	194,34	1,132
	Расч.	0,0008	1050·103	140	6	—	—	—	—	—	—	—
t=18°C T=291K	Эксп.	0,002	420· 103	270,4	3,107	1,35·105	0,84	0,002	420· 103	0.28	269,49	1,039
	Расч.	0,0018	460· 103	383	2,2	—	—	—	—	—	—	—
t=80°C T=353K	Эксп.	17,14	49,01	4428	0,149	0,23·105	0,84	17,14	49,01	0,66	4427	0,149
	Расч.	17,14	49,01	6572	0,128	—	—	—	—	—	—	—

t, °C T, K

Дан- ные

I ОБР мкА

R ст.обр. кОм

I ПР мА

R ст.пр Ом

КВ

ΔU обр В

ΔI обр мкА

R диф.обр кОм

ΔU пр В

ΔI пр мкА

R диф.обр Ом

Вывод:

Не смотря на расхождения между экспериментальными и расчетными данными, на их основании можно сделать следующий вывод:

1. 
   Изменение температуры оказывает значительное влияние на электросопротивление p-n-перехода.
   

С увеличением температуры полупроводникового элемента уменьшается его сопротивление и увеличивается его проводимость. С ростом температуры в полупроводнике увеличивается число свободных электронов и «дырок».

2. 
   С ростом температуры увеличивается ток, который протекает через p-n-переход. В зависимости от того где и при каких условиях будет эксплуатироваться полупроводниковый элемент на основе кремния, данные свойства могут быть неприемлемыми.