Сведения из теории. "Исследование характеристик выпрямительного диода"

Лабораторная работа № 4

"Исследование характеристик выпрямительного диода"

Цель работы:

- ознакомление с принципами работы полупроводникового диода;

- исследование вольтамперной характеристики (ВАХ) диода и определение основных параметров p-n перехода;

- изучения влияния температуры на ВАХ диодов.

Приборы и материалы:

- лабораторный стенд К4826; комбинированные измерительные приборы 43101 и Ц4342; тестеры DT5801 и DT920A; диод (тип диода на выбор преподавателя); муфельная печь; термометр для контроля температуры печи.

Сведения из теории

Полупроводниковый диод представляет собой электронный прибор на основе p-n перехода. Схема включения диода и его вольтамперная характеристика (ВАХ) представлены на рис. 4.1. Энергетические диаграммы p-n перехода в состоянии равновесия и при прямом и обратном смещении представлены на рис. 4.2.

а).	б).

Рис. 4.1. Схема включения диода (а) и его вольтамперная характеристика (б).

а).	б).	в).

Рис. 4.2. Энергетические диаграммы p-n перехода при отсутствии внешнего напряжения (а), при положительном (б) и отрицательном (в) смещении [1].

В идеализированном случае ВАХ описывается формулой Шокли [2]:

(4.1),

где - тепловой потенциал; T- абсолютная температура; k=1.38×10^-23 Дж/К- постоянная Больцмана; q=1.6×10^‑19 Кл- электрический заряд электрона.

Для гомогенного p-n перехода ток насыщения (I_s) равен:

(4.2),

где - плотность состояний нелегированного полупроводника; - плотность состояний в зоне проводимости; - плотность состояний в валентной зоне; h=6,63×10^-34Дж×с- постоянная Планка; m_an- эффективная масса электронов; m_ap- эффективная масса дырок; N_a- концентрации акцепторных примесей в p-области; N_д- концентрации донорных примесей в n-области; D_n- коэффициент диффузии электронов в p-области; t_n- время жизни электронов в p-области; D_p- коэффициент диффузии дырок в n-области; t_p- время жизни дырок в n-области; DE_з- ширина запрещённой зоны.

В случае гетероперехода выражение для тока насыщения записывается в виде:

(4.3),

где N_в- плотность состояний в валентной зоне; N_п- плотность состояний в зоне проводимости; DE_зp- ширина запрещенной зоны для полупроводника p-типа; DE_зn- ширина запрещенной зоны для полупроводника n-типа.

Как правило, при работе выпрямительного диода используется значительная разница между его электрическим сопротивлениям в прямой и обратной полярности включения. В результате этого, положительный сигнал проходит через диод с минимальными потерями, в то время как сигнал отрицательной полярности в значительной степени ослабляется.

Основные параметры p-n перехода:

1). Ток насыщения I_s (рис. 4.1(б). В идеализированном случае ток насыщения I_S описывается уравнением (4.2).

2). Температурный потенциал j_T, который в идеализированном случае описывается следующей формулой:

(4.4).

При описании процессов в реальных диодах зачастую вводится коэффициент неидеальности n, который показывает насколько реальное значение температурного потенциала (см. рис. 4.1(б)) отличается от теоретического (формула (4.4) [3].