Лабораторна робота № 1

ОЗНАЙОМЛЕННЯ З БУДОВОЮ, ХАРАКТЕРИСТИКАМИ І ПАРАМЕТРАМИ НАПІВПРОВІДНИКОВИХ ДІОДІВ

Мета роботи: Дослідження вольт-амперних характеристик напівпровідникових (н/п) діодів

1 Короткі теоретичні відомості

Більшість напівпровідників має кристалічну структуру. Атоми хімічних елементів складаються із ядра і електронів. В періодичній таблиці Менделєєва порядковий номер хімічного елемента відповідає кількості електронів в електронній оболонці атома. Напівпровідникові матеріали за величиною об’ємного опору займають проміжне місце між провідниками та діелектриками і який становить 10^-6-10^-8 Ом×м. Енергія електрона в електронній оболонці не рівномірна, що в свою чергу визначає кількість його руху. Механізм провідності твердого тіла напівпровідника пояснюється зонною теорією. Для описання процесів, які проходять в зоні, розглядають дві зони (рис. 1.1):

1) зона провідності; 2) валентна зона

Рисунок 1.1 – Енергетична діаграма напівпровідників

При певних умовах зона провідності вільна, а валентна зона заповнена, тобто більш енергонасичена. В зв’язку з цим електрони валентної зони можуть легко перейти в зону провідності, де нагромаджується надлишок електронів, а в валентній зоні залишаються вакантні місця (дірки). В германію і кремнію є по чотири валентних електрони. Внаслідок теплової дії або зовнішнього енергетичного впливу на кристали н/п збільшується їх провідність внаслідок переходу валентних електронів в провідну зону (електронна провідність) або діркова електропровідність, коли основними носіями дірки. При цьому слід замітити, що дірки не переміщаються подібно іонам в електроліті, а лиш відбувається іонізація нерухомих атомів кристалу. Якщо ввести в чистий кристал домішку, то це приведе до створення додаткових рівнів енергії донорних і акцепторних. Донорні домішки створюють надлишок електронів над кількістю дірок і викликають електронну провідність п -типу. Акцепторні домішки створюють діркову провідність р -типу.

Розглянемо будову і властивості р-п- переходу (рис. 1.2).

Рисунок 1.2 – Будова p - n переходу

Кристал н/п складається із п -області і потенціального р-п бар’єру.

При відсутності зовнішнього поля в кристалі існує внутрішнє електричне поле, яке виникає в області електронно-діркового пере­ходу, і називається електричним полем потенціального бар’єру.

Якщо зовнішнє джерело включити в прямому (ослаблюючи ба­р'єр) напрямку до р-п переходу, то в зовнішньому колі потече струм (І_пр.) (рис. 1.3).

Рисунок 1.3 – Пряме ввімкнення p - n переходу до зовнішнього джерела струму

Цей струм буде збільшуватися до тих пір, поки напруженість зов­нішнього поля не буде більша потенціалу бар’єра, внаслідок чого зміниться напрям результуючого поля і замість дифузії почнеться дрейф основних носіїв заряду обох знаків.

Якщо полярність зовнішнього джерела змінити, то в колі буде протікати І_зв, викликаний неосновними носіями зарядів, так як основні носії зарядів не будуть проходити через бар’єр.

Із вище сказаного випливає, що в зовнішньому колі при певно­му ввімкненні н/п може протікати струм, величина якого в багато разів відрізняється одна від одної, тобто р-п перехід має влас­тивість односторонньої провідності.

На цьому принципі побудовані діоди, які позначаються як вен­тиль (рис. 1.4), де І_пр. – величина струму в прямому ввімкненні р-п переходу.

Рисунок 1.4 – Умовне графічне позначення напівпровідникового діода

Рівняння вольт-амперної характеристики діода має вигляд:

(1.1)

де І – струм прямий або зворотній залежно від знаку прикла­деної напруги U; – зворотній струм при температурі Т;

– температурний потенціал;

де K – постійна Больцмана; Т – температура, °К.

Вольт-амперна характеристика діода приведена на (рис.1.5 ).

Рисунок 1.5 – Вольт-амперна характеристика діодів

Залежно від пробою p-п переходу розрізняють п’ять його ме­ханізмів:

1) тунельний;	4) поверхневий;
2) лавинний;	5) вторинний.
3) тепловий;

Залежно від фізичних властивостей діоди діляться на:

1) випрямляючі;	4) імпульсні;
2) стабілітрони;	5) тунельні;
3) високочастотні;	6) фотодіоди тощо.

Залежно від виконання діоди мають тічи інші параметри і відповідно характеристики.

2 Завдання для самостійної підготовки

2.1 Вивчити короткі теоретичні відомості про будову і принцип дії н/п діодів.

2.2 Вивчити марки і умовні позначення діодів.

2.3 Записати формули для визначення параметрів діодів.

3 Лабораторне завдання

3.1 Ознайомитися з макетом і приладами, що використовуються в ро­боті: міліамперметр, вольтметр (рис. 1.6).

Рисунок 1.6 – Електрична схема дослідної установки

3.2 Скласти програму і обчислити згідно формули характеристику .

3.3 Зняти залежність для вказаних елементів.

3.4 Побудувати графіки отриманих залежностей і знайти параметри, а такожхарактеристики, вказані індивідуально длякожного сту­дента.

3.5 Порівняти отриманіпараметри з теоретичними і зробити висновки.

4 Контрольні питання

4.1 Поясніть принцип роботи діода.

4.2 Привести характеристику двох з’єднаних діодів, коли їх характе­ристики окремо відомі:

4.3 а) паралельне з’єднання;

4.4 б) послідовне з’єднання.

4.5 Поясніть чому характеристика діода нелінійна?

4.6 Поясніть,чому не симетрична характеристика діода відносно по­чатку координат?

4.7 Чим відрізняється характеристика випрямляючого діода від тунель­ного?

4.8 Поясніть принцип роботи варікапа і його характеристику.

4.9 Як впливає температура на вольт-амперну характеристику діода?

4.10 Чим відрізняються діоди КС133, КС156, Д816, КД532?

4.11 Якими параметрами характеризуються НВЧ-діоди?

4.12 Що таке струм дифузії і дрейфу р-п переходу? В якому випадку вони рівні.

4.13 Яка причина виникнення теплового пробою в p-п переході?