Исследование вольтамперных характеристик выпрямительных диодов, диодов шоттки, светодиодов и стабилитронов (стр. 1 )

РОСЖЕЛДОР

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Ростовский государственный университет путей сообщения»

(ФГБОУ ВПО РГУПС)

, ,

ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЛЬТАМПЕРНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК

ВЫПРЯМИТЕЛЬНЫХ ДИОДОВ, ДИОДОВ ШОТТКИ,

СВЕТОДИОДОВ И СТАБИЛИТРОНОВ

Учебно-методическое пособие

к лабораторной работе № 000М

Ростов-на-Дону

2011

УДК 621.382.2(07) + 06

Гармашов, С. И.

Исследование вольтамперных характеристик выпрямительных диодов, диодов Шоттки, светодиодов и стабилитронов: учебно-методическое пособие к лабораторной работе № 000М / , , ; под ред. ; Рост. гос. ун-т путей сообщения. - Рос­тов н/Д, 2011. - 28 с.: ил. Библиогр.: 4 назв.

В учебно-методическом пособии содержится краткий теоретический материал для подготовки студентов к выполнению лабораторной работы по исследованию вольтамперных характеристик выпрямительных диодов, диодов Шоттки, светодиодов и стабилитронов, описан порядок выполнения этой работы, приведены указания для обработки измеренных данных и контрольные вопросы.

Одобрено к изданию кафедрой «Физика» РГУПС. Учебно-методическое пособие предназначено для студентов РГУПС, изучающих курс «Физические основы электроники».

Рецензент канд. физ.-мат. наук, доцент (РГУПС)

ã Ростовский государственный университет путей сообщения, 2011

Лабораторная работа № 000М

ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЛЬТАМПЕРНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК

ВЫПРЯМИТЕЛЬНЫХ ДИОДОВ, ДИОДОВ ШОТТКИ,

СВЕТОДИОДОВ И СТАБИЛИТРОНОВ

Цель работы: Изучение принципа работы диодов (выпрямительных диодов, диодов Шоттки, светодиодов и стабилитронов), измерение и анализ вольтамперных характеристик (ВАХ), определение основных параметров диодов.

Приборы и принадлежности:

Лабораторный стенд «Основы электроники».

Выпрямительный диод (1N4007).

Диод Шоттки (1N5819).

Стабилитрон (КС147А, КС162А).

Светодиод (L5013).

Потенциометр 150 Ом.

Резистор 150 Ом.

Резистор 1,0 кОм.

Задания для получения допуска к выполнению работы

Ознакомьтесь с разделами I – III настоящего пособия и подготовьте ответы на следующие контрольные вопросы для получения допуска:

-  Что такое собственный и примесный полупроводники? В чем их отличие? Что такое донорная примесь, акцепторная примесь?

-  Как образуется p-n-переход и что он из себя представляет?

-  Как влияет полярность приложенного напряжения на величину тока через p-n-переход?

-  Схематически изобразить прямую и обратную ветвь ВАХ диода, дать пояснения о виде этих ветвей.

-  Начертите схемы соединений для проведения измерений прямой и обратной ветвей ВАХ диода. В чем их отличие и чем оно объясняется?

-  Что такое электрический пробой p-n-перехода? Когда он возникает? Как он используется?

 

I КРАТКАЯ ТЕОРИЯ

1 ДИОДЫ НА ОСНОВЕ P-N-ПЕРЕХОДОВ

1.1 Механизм образования p-n-перехода

Полупроводниковым диодом называется прибор с двумя электродами, основу конструкции которого составляют два полупроводниковых материала с разным типом проводимости (n- и p-типа), находящихся в контакте между собой (рис. 1).

Рис. 1. Схематическое изображение структуры диода на основе контакта

полупроводников n- и p-типа (а) и обозначение диода (б)

Тип проводимости полупроводника в равновесных условиях определяется сортом введенных в него примесных атомов. Если валентность примесных атомов выше валентности атомов полупроводника, то такие примесные атомы (при условии, что они находятся в узлах кристаллической решетки полупроводника) называются донорами (или донорной примесью). Название для этих примесных атомов связано с тем, что их валентные электроны, которые не участвуют в ковалентных связях, требуют сравнительно небольшой энергии для отрыва и перехода в свободное состояние и, следовательно, такая примесь при относительно низких температурах будет эффективным поставщиком (т. е. «донором») свободных электронов. Типичными представителями донорной примеси для кремния, германия, валентность которых равна 4, являются химические элементы пятой группы, имеющих пять валентных электронов, как например, фосфор (Р), мышьяк (As), сурьма (Sb).

В собственном (т. е. беспримесном) полупроводнике свободные электроны и дырки могут возникать только за счет разрыва ковалентных связей и только парами, т. е. их концентрации одинаковы. В полупроводниках, легированных донорными атомами, эти атомы становятся дополнительным источником свободных электронов. Поэтому при относительно низких температурах (например, при комнатной температуре) концентрация свободных электронов значительно превышает концентрацию свободных дырок. Полупроводники, легированные донорной примесью, называются полупроводниками n-типа или электронными полупроводниками. Поскольку в полупроводнике n-типа свободных электронов больше, чем дырок, электроны рассматривают как основные носители заряда, а дырки – как неосновные.

Если введенные в полупроводник примесные атомы имеют валентность меньшую по сравнению с валентностью атомов полупроводника, то такие примесные атомы называются акцепторами. Их название связано с тем, что они не поставляют электроны, а, наоборот, принимают (с англ. глагол to accept означает «принимать»). Благодаря наличию акцепторов в полупроводнике возрастает количество разорванных ковалентных связей, т. е. концентрация свободных дырок. Акцепторами для кремния или германия являются элементы третьей группы: бор (B), алюминий (Al), индий (In). Таким образом, концентрация свободных дырок в полупроводниках, легированных акцепторной примесью, выше концентрации свободных электронов. Такие акцепторные полупроводники называются полупроводниками p-типа или дырочными полупроводниками. В них основными носителями заряда являются дырки, а неосновными – электроны.

Важно отметить, что хотя полупроводники n-типа и имеют повышенную концентрацию свободных электронов, а полупроводники p-типа – повышенную концентрацию свободных дырок, и те, и другие полупроводники остаются электрически нейтральными: каждый свободный электрон, оторвавшийся от донорного атома, превращает последнего в положительный ион, и каждая свободная дырка, оторвавшаяся от акцепторного атома, делает его отрицательным ионом. Поэтому количество отрицательных и положительных зарядов в примесном полупроводнике остается одинаковым. При этом необходимо помнить, что ионы примесных атомов не могут перемещаться в полупроводнике, а оторвавшиеся от них электроны (или дырки) – могут.

Рассмотрим теперь случай, когда полупроводники n- и p-типа приведены в контакт друг с другом (рис. 2).

Рис. 2. Схема образования p-n-перехода после приведения в контакт полупроводников n- и p-типа (символами "+" и " - " обозначены соответственно положительные ионы донорной и отрицательные ионы акцепторной примеси,

находящиеся в области пространственного заряда (p-n-переходе))

Поскольку концентрация свободных электронов в полупроводнике n‑типа велика по сравнению с их концентрацией в полупроводнике p-типа, возникнет диффузионный поток электронов jn диф из области n-типа в область p‑типа, в которой много свободных дырок. Как известно из физики полупроводников, при концентрациях свободных электронов или дырок, превышающих их равновесные значения, существенно повышается скорость рекомбинации (т. е. перехода электронов и дырок из свободного состояния в связанное). Пришедшие в p-область свободные электроны являются неравновесными для этой области, поэтому они будут интенсивно рекомбинировать со свободными дырками. Диффузия электронов и их рекомбинация со свободными дырками нарушат электронейтральность в областях, примыкающих к границе рассматриваемых полупроводников: в области полупроводника n-типа слева от границы, откуда ушли электроны за счет диффузии, останется нескомпенсированный заряд положительных ионов донорной примеси, а в области полупроводника p-типа справа от границы, где пришедшие электроны рекомбинировали с дырками, проявится нескомпенсированный отрицательный заряд ионов акцепторной примеси. По мере того как происходит диффузия электронов и их рекомбинация с дырками, области нескомпенсированного заряда ионов примесей расширяются (рис. 2, б, в). Вместе с этим возрастает и напряженность электрического поля E0 в этих областях. Важно отметить, что направление этого поля таково, что оно вызывает встречные (по отношению к диффузионным) дрейфовые потоки электронов jn др и дырок jn др. Таким образом, возникшие после соединения полупроводников диффузионные потоки электронов jn диф и дырок jp диф со временем постепенно ослабляются за счет нарастающих дрейфовых потоков электронов jn др и дырок jp др, вызванных нарастающим электрическим полем. В установившемся режиме диффузионные и дрейфовые потоки электронов (дырок) становятся одинаковыми по модулю, но противоположными по направлению (рис. 2, в). В результате достигается равновесие: результирующий поток электронов (дырок) в любом сечении рассматриваемой структуры из двух полупроводников становится равным нулю. При этом области нескомпенсированного заряда ионов примесей по обе стороны от границы полупроводников перестают расширяться. В совокупности эти обе области пространственного заряда (ОПЗ) ионов доноров и акцепторов представляют собой p‑n‑переход. ОПЗ существенно обеднена свободными носителями заряда, поэтому ее сопротивление гораздо больше сопротивления частей полупроводников n- и p-типа, оставшихся электрически нейтральными после образования p‑n‑перехода.