Дослідження напівпровідникових діодів

Мета роботи: дослідити вольт-амперну характеристику напівпровідникових діодів, визначити їх параметри по характеристикам.

1.1 Короткі теоретичні відомості

Вольт-амперна характеристика лінійного електричного кола визначається прямою; тангенс кута нахилу до осі струму є пропорційним електричному опору,

тобто

.

Якщо в електричному колі є елементи, в яких опір значною мірою залежить від струму або напруги (напівпровідникові діоди, транзистори, тиристори та ін.), це коло має назву нелінійного, а вольт-амперна характеристика такого кола визначається дослідним шляхом та має нелінійний характер.

Вольт-амперна характеристика діода показана на рисунку 1.1, причому масштаби струмів і напруг прямої та оберненої гілок не співпадають.

Теоретично вольт-амперна характеристика описується рівнянням

,

де – струм ННС (неосновних носіїв струму) через p–n перехід, який має діркову I^*_p і електронну I^*_n складову.

Рисунок 1.1

При кімнатній температурі (Т =300 К) вже при U > 0, 1 В і при U =-0, 1 В. При цьому за межами області, відміченої на рисунку 1.1 пунктирним колом, пряма гілка являється практично експонентою, а при зворотному включенні струм не залежить від напруги. Цей струм називають струмом насичення p–n переходу, або тепловим струмом.

Реальна характеристика відрізняється від теоретичної тим, що при великих зворотних напругах струм різко зростає (пунктирна лінія на рисунку 1.1) за рахунок ударної іонізації в запірному шарі аж до пробою p–n переходу.

Крім струмів за рахунок основних і неосновних носіїв через p–n перехід протікає струм за рахунок термогенерації носіїв в запірному шарі. Цей струм обумовлений тим, що носії струму, що утворюють в запірному шарі за рахунок процесів (термічна іонізація ковалентних зв’язків), розкидаються в зворотних напрямках електричним полем p–n переходом. Струм термогенерації помітний тільки при зворотній напрузі і на відміну від струму насичення нелінійно росте з ростом напруги.

У германієвих p–n переходів > , тому практично не впливає на хід зворотної гілки вольт-амперної характеристики. У кремнієвих p–n переходів < , і хід зворотної гілки вольт-амперної характеристики визначається струмом термогенерації . Звідси у германієвих p–n переходів зворотній струм остається практично постійним аж до пробою p–n переходу, а у кремнієвих p–n переходів він безперервно росте з ростом зворотної напруги аж до пробою.

Хід прямої гілки вольт-амперної характеристики діода визначає проходження дифузійного струму ОНС (основних носіїв струму), концентрація яких велика. Тому через p–n перехід протікає великий струм.

Діод характеризується також наступними параметрами:

- опір постійному струму

;

- диференціальний опір (опір змінної складової напруги):

,

або визначається по нахилу вольт-амперної характеристики:

,

де і – масштаби напруги і струму на вісях;

- допустима зворотна напруга (зазвичай , визначається по характеристиці (див. рисунок 1.1));

- гранично допустимий прямий струм , який визначається граничною температурою нагріву діода, а не за вольт-амперною характеристикою;

- коефіцієнт випрямлення

при U =0, 1 В.

1.2 Опис лабораторної установки

Робота проводиться на універсальному стенді 87Л-01(схема №1). Досліджувані елементи – діоди Д9, КД103.

1.3 Програма роботи

1. Вивчити особливості пристроїв, які застосовуються при досліді напівпровідникових діодів (джерело живлення – ГС, ГН2; вимірювальні пристрої – АВМ1, АВМ2, АВО). Навчитись правильно збирати схему для досліду діодів.

2. Зняти вольт-амперні характеристики напівпровідникових діодів; побудувати графіки характеристик по даним випробовуванням.

3. Розрахувати параметри напівпровідникових діодів.

4. Скласти звіт.

Зміст звіту

Назва та мета роботи, короткі теоретичні відомості, схема досліднлї установки, таблиці і графіки знятих залежностей, розрахунки параметрів діодів, висновки по результатам досліду. Вольт-амперну характеристику діодів необхідно будувати на одному графіку по осях струмів і напруг прямої і оберненої віток.

1.4 Порядок виконання роботи

1. Зібрати схему для дослідження прямої вітки характеристики діода (рисунок 1.2)

Рис. 1.2.

При цьому пристрійгнізда РА1 з’єднати з виходами АВМ1, а PV1 – з виходами АВМ2. В гніздо V1 вставити германієвий діод Д9, полярністю як показано на схемі.

2. Встановити ручки регулювання джерел живлення на стенді (ГС, ГН1, ГН2, ГН3) в нульове положення (крайнє ліве).

3. Ввімкнути живлення стенда тумблером «Мережа».

4. Зняти пряму вітку вольт-амперної характеристики германієвого діода Д9. При цьому прямий струм через діод контролювати по міліамперметру РА1-АВМ1, а напругу на діоді ­– по вольтметру PV1-АВМ2. Дані занести в таблицю 1.1. Струм від 0 до 10 мА встановлювати потенціометрами „Грубо” і „Точно” генератора струму (ГС) на панелі джерел живлення стенда. Відповідні значення прямої напруги занести в табл.1.1.

Германієвий Д9 Таблиця 1.1

, мА		0, 5
, В		0, 22	0, 26	0, 31	0, 34	0, 36	0, 38	0, 40	0, 43

5. Встановити ручки потенціометрів „Грубо” і „Точно” генератора струму (ГС) в початкове положення (крайнє ліве).

6. Зняти діод Д9 і в гнізда V1 вставити кремнієвий діод КД103. Зняти пряму вітку вольт-амперної характеристики діода КД103. Відповідні значення прямої напруги занести в таблицю 1.2.

Кремнієвий діод КД103 Таблиця 1.2

, мА		0, 5
, В		0, 62	0, 65	0, 68	0, 70	0, 71	0, 72	0, 74	0, 75

7. Встановити ручки потенціометрів „Грубо” і „Точно” генератора струму (ГС) в початкове (крайнє ліве) положення.

8. Вимкнути живлення стенда. Розібрати схему для дослідження прямої вітки характеристики діода.

9. Зібрати схему для дослідження зворотної вітки вольт-амперної характеристики діода (рисунок 1.3).

Рис. 1.3

При цьому гнізда РА2 () з’єднати з виходами мікроамперметра АВО стенда, а PV2 () – з виходами АВМ2, ГН2 – з виходами „+” і „-” джерела струму ГН2. В гнізда V2 вставити германієвий діод Д9, полярністю показаною на схемі.

10. Включити живлення стенда.

11. Зняти зворотну вітку вольт – амперної характеристики германієвого діода Д9. Для цього зворотну напругу на діоді по вольтметру PV2 – АВМ2 змінювати потенціометрами „Грубо” і „Точно” джерела ГН2 від 0 до 12 В з кроком 1-2 В, а по мікроамперметру РА2 – АВО (на границі вимірювання 10мкА) значення зворотного струму. Дані занести до таблиці 1.3.

Примітка: Після вмикання живлення стенда, перед початком зняття ВАХ необхідно виконпти балансування нуля мікроамперметра АВО при відімкненому вході.

Германієвий діод Д9 Таблиця 1.3

, В
, мкА		1, 2	1, 4	1, 6	1, 9	2, 2	2, 5	2, 8

Кремнієвий діод КД103 Таблиця 1.3

, В
, мкА

12. Встановити ручки потенціометрів „Грубо” і „Точно” джерела живлення ГН2 в початковому положенні.

13. Зняти діод Д9 і в гнізда V2 вставити кремнієвий діод КД103. Виконати дії, вказані в п.11.

14. Виключити живлення стенду. Розібрати схему для зняття зворотної вітки ВАХ діода.

15. По даним експерименту на одному графіку побудувати прямі і зворотні вітки вольт – амперної характеристики діодів Д9, КД103. Визначити параметри i по таблицях або за побудованим графіком ВАХ.

Розрахунки:

Для германієвого діоду Д9

- опір постійному струму

- диференціальний опір (опір змінної складової напруги):

,

Для кремнієвого діоду КД103

- опір постійному струму

- диференціальний опір (опір змінної складової напруги):

,

Рисунок 1.4. ВАХ Д9

Рисунок 1.5. ВАХ КД103

Висновок: дослідили вольт-амперні характеристики напівпровідникових діодів (кремнієвого і германієвого), визначили їх параметри.