Главная | Обратная связь

Схема измерительной установки

Лабораторная работа № 2

Изучение специальных диодов

 

Цель работы: изучить механизмы пробоя p-n перехода, вольт-амперные характеристики и методику определения по ним основных параметров туннельного диода, стабилитрона и стабистора.

Приборы и принадлежности:осциллограф С1-83, исследуемые элементы.

Теоретические сведения

Электрический пробой - это явление резкого возрастания электрического тока через полупроводниковый образец при малом изменении приложенной к образцу разности потенциалов. Различают следующие виды пробоя: туннельный; лавинный, тепловой. Туннельный пробой основан на эффекте проникновение микрочастицы сквозь потенциальный барьер в случае, когда ее полная энергия меньше высоты барьера. Лавинный пробой возникает в следствии ударной ионизации неосновных носителей заряда. Тепловой пробой обусловлен нарушением равновесия между теплом, выделяющимся за счет диэлектрических потерь, и теплоотводом. Рассмотрим полупроводниковые элементы, которые работают на явлении пробоя.

Туннельный диод - полупроводниковый диод, содержащий p-n-переход с очень малой толщиной запирающего слоя. Действие туннельного диода основано на прохождении свободных носителей заряда (электронов) сквозь узкий потенциальный барьер благодаря процессу туннелирования. Это явление лежит в основе принципа работы туннельного диода.

Рисунок 1¾Схема расположения энергетических уровней в туннельном диоде без внешнего поля (а), в прямом смещении (б), в обратном смещении (в) : Е_с – дно зоны проводимости; W-ширина p-n-перехода; Е_g – ширина запрещенной зоны, I_r и I_p¾туннельный и диффузионный токи.

В обычных полупроводниковых диодах с широкими электронно-дырочными p-n-переходами и низкой напряженностью электрического поля вероятность туннельного эффекта очень мала. С увеличением напряженности и уменьшением ширины p-n-перехода создается возможность туннельного прохождения электронов. Эти условия обеспечиваются в туннельном диоде применением сильно легированных полупроводников p- и n-типов. Концентрация носителей в них достигает величины порядка 5•10²⁵ м⁻³, близкой к металлам, т.е. полупроводники становятся вырожденными.

Донорные уровни в n-полупроводнике (при их большом числе) размываются в зону, перекрывающуюся с зоной проводимости, акцепторные уровни в зону, перекрывающуюся с валентной зоной. Это приводит к сужению запрещенной зоны Еg (энергетической щели - рис.1).

Уровень Ферми располагается внутри валентной зоны проводимости p-типа и внутри зоны проводимости n-типа. Ниже уровня Ферми в основном располагаются занятые уровни (штрихованные), выше свободные уровни. Все уровни с энергией, меньше μ, заняты электронами, с больше μ свободны, что возможно при Т=0. Прозрачность барьера зависит от контактной разности потенциалов и его ширины. Высокая, концентрация носителей зарядов приводит к сужению ширины p-n-перехода равной 10^–8м, что на порядок меньше, чем в обычном диоде. При контактной разности потенциалов 0,6 - 0,7В и ширине перехода 10^-8м получаем напряженность поля в переходе (6 – 7)•10 В/м. При таких условиях существует вероятность туннельного прохождения около 10¹² электронов в секунду через 1 см² площади.

В туннельном диоде верхняя часть валентной зоны в р- полупроводнике перекрывается с нижней частью зоны проводимости в n- полупроводнике. При этом происходит туннельный переход электронов зоны проводимости n на свободные уровни валентной зоны p или, наоборот, в зависимости от направления внешнего поля. Для того чтобы электроны могли пройти через барьер, недостаточно только перечисленных условий. Необходимо, чтобы против занятого электроном энергетического уровня (состояния) на одной стороне p-n-перехода был свободный уровень (состояние) на другой стороне, куда может осуществиться переход электрона. Как выполняется это условие в отсутствие внешнего поля, а также при различных величинах и направлениях приложенного поля, можно уяснить, пользуясь диаграммой энергетических зон.

При подаче на переход отрицательного внешнего поля (на р и + на n ) возрастает перекрытие валентной зоны р и зоны проводимости n. Против занятых уровней р будут располагать­ся свободные уровни n. Увеличение поля не изменит этого расположения, и ток будет только возрастать. Величина обратного тока также объясняется односторонним туннельным переходом электронов из р- области в n -область. Сопротивление диода в обратном направлении меньше, чем в пропускном. Обратный ток растет с напряжением интенсивнее, чем прямой, поэтому туннельный диод не будет иметь характеристики запирания, т.е. не будет обладать односторонней проводимостью. Рассмотренные процессы отражаются на вольт-амперной характеристике (рисунок 2).

Imin

Рисунок 2 – ВАХ туннельного диода.

 

Основные параметры туннельного диода: I_1макс.-пик вольт-амперной характеристики, U₁-соответсвующее ему напряжение, I_мин - минимальное значение тока, U_мин.- соответствующее ему напряжение, I_2макс-максимальное значение тока на диффузионной ветви и соответствующим ему напряжением U₂.

Стабилитроном называется полупроводниковый диод, напряжение на котором в области электрического пробоя, при обратном включении слабо зависит от тока в заданном диапазоне и который предназначен для стабилизации напряжения. ВАХ стабилитрона приведена на рисунке 3.

Стабилитроны изготавливаются на основе n- кремния.

Выбор материалов для них обусловлен отличительными особенностями кремниевых диодов:

• малым обратным током,
• резким переходом в область лавинного или туннельного пробоя при незначительных изменениях обратного напряжения,
• высоким значением допустимой температуры перехода.

 

Рисунок 3 – ВАХ стабилитрона (а), рабочая область ВАХ стабилитрона (б)

 

Используя пластины n-Si с различной концентрацией примесей и можно изготавливать стабилитроны с различной величиной Uпроб, соответствующими переходу в область лавинообразного роста обратного тока, а следовательно, и с различными значениями напряжениями стабилизации.
при использовании высоколегиpованого n-Si при на напряжениях

· Uпpоб < 6 В преобладает туннельный пробой;

· Uпpобоя=5-7 В наряду с туннельным развивается и лавинный пробой

· Uпpоб >7 В становится доминирующим.

Принцип работы стабилитронов основан на очень малом изменении напряжения (в области пробоя) при значительном увеличении обратного тока. При увеличении, например, напряжения питания U ток I общей цепи ток нагрузки в резисторе должны возрасти; должно увеличиться падение напряжения на резисторе Rн. Однако избыток тока I в общей цепи поглощается стабилитроном (ток Iст растет), а напряжение на его зажимах, а следовательно и на резисторе, остаётся неизменным.

Основной параметр напряжение стабилизации Uст - значение напряжения на стабилитроне при протекании заданного тока стабилизации. По напряжению стабилизации различают низковольтные и высоковольтные стабилитроны: промышленностью выпускаются стабилитроны с напряжением стабилизации от 3 до 400 В.

Важными параметрами также являются максимальный и минимальный ток стабилизации I_{ст.макс} и I_ст.мин. Эти характеристики ограничивают область ВАХ, которая применяется для стабилизации напряжения при условии обеспечения надежной работы прибора. В качестве параметров также используется дифференциальное сопротивление

r_cт = dU_{ст /} dI_ст (1)

и статистическое сопротивление стабилитрона

R_ст = U_{ст /} I_ст (2)

В этих выражениях U_ст и I_ст – напряжение и ток в заданной рабочей точке, в качестве dU_ст и dI_ст можно взять малые приращения этих величин ∆U_ст и ∆U_ст.

Стабистор¾полупроводниковый диод, напряжение на котором в области прямого смещения слабо зависит от тока в заданном его диапазоне и который предназначен для стабилизации напряжения.

Основные параметры U_ст¾напряжение стабилизации; I_{ст -} ток стабилизации; P_{ст. max}¾максимально допустимая мощность стабилизации; r_ст¾дифференциальное сопротивление.

Схема измерительной установки

 

В схеме используется источник переменного тока - понижающий трансформатор. Переменное напряжения подается на диод с помощью переключателя S₂ и S₃ подается отрицательная или положительная полуволна. Переменное напряжение используется для развертки; оно подается на пластины X осциллографа. На исследуемый элемент подается регулируемое потенциометром напряжение от выпрямителя. Величина тока, проходящего через диод, определяется падением напряжения на сопротивлении R8 (или R8 и R7, если S₄ замкнут), к которому параллельно подключается вход Y. При таком включении, подавая на диод напряжение различной полярности, можно получить осциллограммы прямой и обратной ветви ВАХ диода. Использование переменного напряжения обеспечивает установление зависимости тока от напряжения в пропускном и не пропускном направлениях диодов (рисунок 4)

 

Рисунок 4 - Схема для наблюдения ВАХ нелинейных элементов на экране осциллографа.

 

Задание 1