Исследование полупроводниковых диодов Лабораторная работа №1 СПб 2009. ЛР1. Исследование полупроводниковых диодов
 Скачать 483.11 Kb.
|
|
ИССЛЕДОВАНИЕ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ДИОДОВ Лабораторная работа №1 1. Цель и содержание работы Целью работы является исследование свойств полупроводниковых диодов плоскостного и точечного типов. В работе снимаются вольтамперные характеристики и определяются параметры диодов в широком диапазоне частот. 2. Краткие сведения из теории Работа полупроводниковых диодов основана на свойствах р-n перехода, который образуется на границе раздела областей полупроводника с дырочной (р) и электронной проводимостью (n). Концентрация электронов в n–области значительно больше, чем в р-области, а дырок в p–области больше, чем в n-области. Неодинаковая плотность частиц вызывает диффузию основных носителей из областей с большей концентрацией: электронов из n-области и дырок из р-области. В результате рекомбинации на границе р- и n-областей возникает обедненный носителями слой, который называется запирающим (рисунок 1, а). Ионы донорной и акцепторной примеси в области запирающего слоя создают электрическое поле с напряженностью 𝐸𝐵𝐻, которое препятствует дальнейшей диффузии основных носителей и создает дрейфовый ток, обусловленный неосновными носителями.  Рисунок 1 При подключении источника э.д.с. к n-р переходу в зависимости от направления вектора напряженности источника 𝐸ИСТ (𝐸ИСТ( )) ширина запирающего слоя может: – уменьшаться – векторы напряженности источника и запирающего слоя противоположны, что приводит к увеличению диффузионного тока; – увеличиваться – векторы напряженности источника и запирающего слоя направлены в одну сторону, что приводит к уменьшению диффузионных токов практически до нуля и увеличению дрейфового тока. Перечисленные свойства p-n перехода используются в полупроводниковых диодах. Полупроводниковым диодом называется прибор с одним р-n переходом и двумя выводами, позволяющими включать его во внешнюю электрическую цепь. Полупроводниковые диоды имеют несимметричные электронно-дырочные переходы. Одна область полупроводника с более высокой концентрацией примесей (высоколегированная область) служит эмиттером, а другая с меньшей концентрацией примесей (низколегированная область)-базой. Вывод, который подключает эмиттер к внешней электрической цепи, называется катодным, а вывод, который подключается к базе-анодным (Рисунок 1, б). Выпрямительные диоды предназначены для преобразования переменного тока в ток одного направления. Вольтамперная характеристика (ВАX) полупроводникового диода показана на рисунке 2.  Рисунок 2 – Вольтамперная характеристика полупроводникового диода Вольтамперная характеристика имеет прямую («1» на рисунке 2) и обратную («2» на рисунке 2) ветви. При включении диода в прямом направлении (прямая ветвь ВАХ) вектор напряженности внешнего источника 𝐸ИСТ направлен противоположно вектору напряженности р-n перехода диода, положительный полюс источника 𝐸ИСТ подключен к аноду диода, а отрицательный полюс 𝐸ИСТ к катоду диода. При этом суммарный вектор напряжённости уменьшается. Это приводит к уменьшению потенциального барьера в n - p переходе. В этом режиме часть основных носителей заряда с наибольшими значениями энергии будет преодолевать понизившийся потенциальный барьер и проходить через р-n-переход. В переходе нарушится равновесное состояние, и через него потечет диффузионный ток, обусловленный инжекцией электронов из n-области в p-полупроводник и дырок - из р- области в n-полупроводник. Напряжение 𝑈пор, начиная с которого малые приращения прямого напряжения вызывают резкое увеличение тока, называют пороговым (рисунок 2). При включении диода в обратном направлении (обратная ветвь ВАХ) направление вектора напряженности внешнего источника 𝐸ИСТ совпадает с вектором напряженности поля перехода: отрицательный полюс источника 𝐸ИСТ соединен с катодом диода, a положительный полюс 𝐸ИСТ соединен с анодом диода. Такое включение диода источника приводит к увеличению потенциального барьера р-п перехода диода и ток через переход будет определяться неосновными носителями заряда: электронами из р-области в n-область и дырками из n–области в p–область. Этот процесс называется экстракцией неосновных носителей, а ток, протекающий через диод, называют обратным током 𝐼Обр. При дальнейшем увеличении обратного напряжения, приложенного к диоду, при некотором значении 𝑈обр1 в нем будет происходить резкий рост обратного тока-участок "3" на рисунке 2. Это явление называется пробоем. Различают электрический и тепловой пробой p-n перехода. Лавинный пробой – это электрический пробой перехода, вызванный лавинным размножением носителей заряда под действием сильного электрического поля. Электроны, ускорившись в поле запирающего слоя, выбивают из атомов полупроводника валентные электроны, которые, в свою очередь, успевают ускориться и выбить новые электроны, и т.д. Процесс развивается лавинообразно и сопровождается быстрым нарастанием обратного тока. Тепловой пробой возникает из-за перегрева р-n перехода или отдельного его участка (участок «4» на рисунке 2). При этом происходит интенсивная генерация пар электрон-дырка и увеличивается обратный ток, что приводит к увеличению мощности, выделяющейся в р-n переходе и дальнейшему его разогреву. Этот процесс также лавинообразный, завершается расплавлением перегретого участка перехода и выходом диода из строя. В зависимости от соотношения линейных размеров выпрямляющего р-n перехода полупроводниковые диоды делятся на два класса: точечные и плоскостные. Точечные диоды имеют малую емкость р-n перехода (обычно менее 1 пФ) и применяются для выпрямления переменного тока любых частот вплоть до СВЧ. В плоскостных диодах емкость р-n перехода составляет десятки пФ. Различие в собственных емкостях  полупроводниковых диодов сказывается на их работе: с увеличением частоты внешнего источника Е, приложенного к диоду, сопротивление собственной емкости  уменьшается и обратный ток 𝐼Обр возрастает, что приводит к тому, что диод теряет свойство односторонней проводимости. Поэтому на частотах свыше 50 кГц применяют главным образом точечные полупроводниковые диоды.3. Выполнение лабораторной работы на ПК Лабораторная работа выполняется при помощи программы NI Multisim 14.2. В экспериментальных схемах заменим модели отечественных диодов на модели ближайших зарубежных аналогов: – диод Д223А на 1N914 [1, 2, 3]; – диод КД552А на 1N4748A [3]. 3.1 Снятие прямой ветви вольтамперной характеристики полупроводникового диода Экспериментальная схема снятия прямой ветви ВАХ диодов показана на рис 3. Вольтамперные характеристики снимаются для температуры корпуса диода +27ºС (указано в описании моделей диодов). Для снятия прямой ветви вольтамперной характеристики, после запуска процесса моделирования, необходимо изменять значение напряжения источника Е и наблюдать за показаниями амперметра A.  Рисунок 3 – Схема снятия прямой ветви ВАХ диода Результаты измерений внесли в таблицу 1. Изменение напряжения производили с шагом 0,1 В. Таблица 1 – Прямые ветви ВАХ диодов 1N914 и 1N4748A
При снятии характеристик диодов, отметили для каждого диода значение напряжения  , при котором наблюдается резкое увеличение тока (см. табл. 1), учитывая, что падение напряжения на диоде согласно второму закону Кирхгофа определяется как (1)Тогда: – для 1N914  ;– для 1N4748A  .При снятии прямой ветви характеристики для каждого диода приняли, что U = E, что допустимо при значениях тока в цепи (рис. 3) порядка десятков микроампер, так как в этом случае падение напряжения на резисторе R1 = 200 Ом будет не более 0,02 В (100 мкА * 200 Ом = 0,02 В). Отсюда следует, что данное допущение не повлияло на определение в опытах выше, но дало неточные значения напряжения U при E > . Более точные значения U можно было бы получить путем подключения параллельно диодам вольтметра либо путем расчета U по формуле (1) (но опыты уже выполнены, оставляем так сделали). В доступной литературе упоминается, что кремниевые диоды имеют пороговое напряжения около 0,7 В, у нас получились значения ниже – 0,5 В и 0,4 В. 3.2 Снятие обратной ветви вольтамперной характеристики полупроводникового диода Экспериментальная схема показана на рисунке 4. Для снятия обратной ветви вольтамперной характеристики, после запуска процесса моделирования, необходимо изменять значение напряжения источника Е и наблюдать за показаниями амперметра А.  Рисунок 4 – Схема снятия обратной ветви ВАХ полупроводникового диода Изменения напряжения будем производить: – с 0 до 0,2 B с шагом 0,02B; – с 0,2 В до 1B с шагом 0,1B; – с 1B и далее до резкого увеличения тока с шагом 1 B, что позволит определить  .Данные внесем в таблицу 2 с указанием типа исследуемого диода. Таблица 2 – Обратные ветви ВАХ диодов 1N914 и 1N4748A
Согласно данным таблицы 2:  для 1N914;  для 1N4748A. Полученные значения согласуются с заявленными в документации максимальными значениями обратных напряжений на данные диоды [3, 4]. 3.3 Исследование частотных свойств полупроводниковых диодов Экспериментальная схема для исследования частотных свойств диода приведена на рисунке 5. В процессе выполнения данного пункта работы необходимо изменять частоту генератора V1, устанавливая последовательно частоты: 1кГц, 10кГц, 30 кГц, 50 кГц и сохраняя (делая скриншот экрана) полученные осциллограммы для каждого диода.  Рисунок 5 – Схема исследования частотных свойств полупроводниковых диодов  Рисунок 6 – Осциллограмма напряжения на диоде 1N914 при частоте генератора 1 кГц  Рисунок 7 – Осциллограмма напряжения на диоде 1N914 при частоте генератора 10 кГц  Рисунок 8 – Осциллограмма напряжения на диоде 1N914 при частоте генератора 30 кГц  Рисунок 9 – Осциллограмма напряжения на диоде 1N914 при частоте генератора 50 кГц  Рисунок 10 – Осциллограмма напряжения на диоде 1N4748A при частоте генератора 1 кГц  Рисунок 11 – Осциллограмма напряжения на диоде 1N4748A при частоте генератора 10 кГц  Рисунок 12 – Осциллограмма напряжения на диоде 1N4748A при частоте генератора 30 кГц  Рисунок 13 – Осциллограмма напряжения на диоде 1N4748A при частоте генератора 50 кГц Согласно осциллограммам на рисунках 6 – 9 напряжение на открытом диоде 1N914 составляет 0,573 В, на закрытом – примерно 1 В и эти значения не меняются в диапазоне частот от 1кГц до 50 кГц. Согласно осциллограммам на рисунках 10 – 13 напряжение на открытом диоде 1N4748A составляет 0,477 В, на закрытом – примерно 1 В и эти значения тоже не меняются в диапазоне частот от 1кГц до 50 кГц. 4. Обработка материалов измерений 1. По данным измерений таблиц 1, 2 построим вольтамперные характеристики исследуемых диодов.  Рисунок 14 – Прямая ветвь ВАХ диода 1N914  Рисунок 15 – Обратная ветвь ВАХ диода 1N914  Рисунок 16 – Прямая ветвь ВАХ диода 1N4748A  Рисунок 17 – Обратная ветвь ВАХ диода 1N4748A 2. Определим прямое  и обратное  дифференциальные сопротивления диодов (см. рис. 2): (2) (3)Для диода 1N914 по рисункам 14, 15:   Для диода 1N4748A по рисункам 16, 17:   Рассчитанные значения дифференциальных сопротивлений диодов 1N914 и 1N4748A согласуются (с учетом погрешностей и допусков) с заявленными параметрами в документациях [3, 4]. Вывод: В работе выполнено исследование свойств полупроводниковых диодов 1N914 (предположительно, плоскостного типа, так как близкий аналог диода Д223А) и 1N4748A (точечного типа, так как аналог диода КД522А). Сняли (табл. 1, 2) и построили вольтамперные характеристики (рис. 14–17), рассчитали дифференциальные сопротивления диодов и сняли осциллограммы напряжений на диодах в широком диапазоне частот от 1 до 50 кГц (рис. 9–13). Согласно осциллограммам параметры диодов не меняются в диапазоне частот от 1 до 50 кГц. Все полученные данные хорошо коррелируют с теорией и документацией на данные диоды. Список использованных источников 1. Диод Д223А, характеристики, параметры, даташит, аналоги | Диод Д223А - купить с гарантией и доставкой по цене от 15.00 рублей (eandc.ru) https://eandc.ru/catalog/detail.php?ID=5664&ysclid=l90bpas1y9636333601 2. Диод Д223, характеристики, параметры, даташит, аналоги | Диод Д223 - купить с гарантией и доставкой по цене от 15.00 рублей (eandc.ru) https://eandc.ru/catalog/detail.php?ID=5663&ysclid=l91fajklq9749296024 3. 1N914, Диод 75 мА 75В 5нс [DO-35], ON Semiconductor | купить в розницу и оптом (chipdip.ru) https://www.chipdip.ru/product/1n914?ysclid=l91fcdkkdw205688097 4. Диод КД522А, характеристики, параметры, даташит, аналоги | Диод КД522А - купить с гарантией и доставкой по цене от 6.00 рублей (eandc.ru) https://eandc.ru/catalog/detail.php?ID=8785&ysclid=l90cmul37u447980794 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||