ИССЛЕДОВАНИЕ ПОЛУПРОВОДНИКОВОГО ДИОДА

Цель работы:ознакомиться с конструкцией полупроводниковых диодов, изучить физический принцип их работы, научиться снимать вольтамперную характеристику в лабораторных условиях.

ПОЯСНЕНИЕ К РАБОТЕ

Полупроводники (германий и кремний) - это монокристаллы с регу-лярной кристаллической структурой. Имеют кубическую решетку типа алмаза (рис. 1.1).

Рис. 1.1. Структура кристаллической решетки типа алмаза

Беспримесный полупроводник с идеальной кристаллической решет-кой называют собственным полупроводником. При температуре абсо-лютного нуля в нем нет свободных носителей заряда, и он является иде-альным изолятором. С повышением температуры кристалла количество и энергия фотонов возрастают, и они разрывают ковалентные связи между атомами решетки. При этом образуются свободные электроны и незапол-ненные связи - дырки. Нарушение ковалентных связей и генерация пар электрон-дырка могут происходить не только из-за нагрева, но и под дей-ствием света, рентгеновских и γ-лучей. При введении донорной (пятива-лентного элемента: фосфора, сурьмы, мышьяка) примеси в четырехва-лентный кремний (или германий) образуется электронный полупровод-ник n-типа.

Если ввести в кремний (германий) 3^х валентный элемент (например, бор, галлий, алюминий), то образуется дырочный полупроводник p-типа.

Комбинация двух полупроводниковых слоев с разным типом прово-димости обладает выпрямляющими или вентильными свойствами: она лучше пропускает в одном направлении (прямом), чем в другом (обратном). Выпрямительные свойства рассматриваемой структуры позволяют использовать ее в качестве полупроводникового диода (рис. 1.2).

б Рис. 1.2. Полупроводниковый диод: а – упрощенная структура; б – условное обозначение

Полупроводниковым диодом называют прибор с двумя выводами и одним электронно-дырочным переходом. Различают точечные (рис. 1.3) и плоскостные (рис. 1.4) диоды. В стеклянном или металлическом корпусе 2 точечного диода крепится германиевый или кремниевый кристалл n-типа 3 площадью порядка 1 мм² и толщиной 0,5 мм, к которому прижимается стальная или бронзовая игла 4, легированная акцепторной присадкой. При-бор включается в схемы через выводы 1. В процессе формовки через кон-такт иглы с кристаллом пропускают мощные импульсы тока. При этом кончик иглы оплавляется, и часть акцепторной примеси внедряется в кри-сталл. Вокруг иглы образуется микроскопическая (точечная) область с ды-рочной электропроводностью. На полусферической границе этой области с кристаллом n-типа возникает электронно-дырочный переход.

Малая площадь р-n-перехода в точечном диоде обеспечивает ему минимальное значение межэлектродной емкости.

Рис. 1.4. Конструкция плоскостного

выпрямительного диода:

1– вывод, 2 – стеклянная втулка,

3 – полупроводниковый кристалл,

4 – гайка, 5 – шайба; 6 – основание,

7 – металлический корпус

Площадь р-n-перехода плоскостных диодов достигает десятков и со-мм². Для получения таких площадей используют методы сплавления или диффузии. При методе сплавления на пластинку кристалла с донор-ной примесью помещают таблетку акцепторной примеси, которая расплавляется при нагреве в печи. Расплав частично проникает в кристалл и образует область р-типа, граничащую с массой кристалла. У этой грани-цы возникает р-n-переход. При изготовлении диода методом диффузии кристалл в донорной примесью помещают в газовую среду акцептора (кристалл с акцепторной примесью – в газовую среду донора) и выдерживают длительное время при заданной температуре. Диффундируя в поверхность кристалла, моле-кулы акцептора (или донора) образуют область с типом электропровод-ности, противоположным типу электропроводности кристалла.

Метод сплавления позволяет получить р-n-переход с резким измене-нием концентрации примеси. При методе диффузии концентрация при-месных атомов в области р-n-перехода изменяется плавно.

Мощные плоскостные полупроводниковые диоды, рассчитанные на большие токи, изготовляют в массивных металлических корпусах, обес-печивающих поглощение и отвод теплоты, выделяющейся в р-n-переходе. С помощью массивных шайб и гаек корпус диода плотно при-жимается к монтажной металлической панели

Рис. 1.5. Вольтамперная характеристика электронно-дырочного перехода

Основной характеристикой диода служит его вольтамперная харак-теристика, вид которой совпадает с видом характеристики р-n-перехода (рис. 1.5). Вольтамперная характеристика диода существенно зависит от температуры окружающей среды, с повышением которой прямой ток диода при одном и том же напряжении может увеличиться в несколько раз. При заданном прямом токе с увеличением температуры снижается прямое напряжение между электродами диода.

Существенным образом влияет температура окружающей среды и на обратный ток, который тоже возрастает с увеличением температуры. При увеличении температуры окружающей среды выше определенного значе-ния уже при небольших обратных напряжениях развивается тепловой пробой р-n-перехода и диод выходит из строя. Работоспособность германие-вых диодов теряется при температуре около 70° С, а кремниевых – при 200° С. Высокая термическая устойчивость кремния – важнейшее его пре-имущество по сравнению с другими полупроводниковыми материалами. Кремниевые диоды допускают плотность тока в прямом направлении 10 А/мм² и более, что позволяет изготовлять мощные полупроводниковые устройства с относительно небольшими массами и габаритами.

Одна из важных характеристик диода – пробивное обратное напря-жение. Это напряжение зависит от ширины обедненного слоя и у совре-менных плоскостных диодов равно сотням и тысячам вольт. Оно не-сколько увеличивается с повышением температуры, не выходящим за пределы работоспособности диода.

Внутреннее сопротивление плоскостных диодов прямому току при номинальных режимах работы составляет десятые доли Ом, с повышени-ем температуры оно уменьшается.

Применение полупроводниковых диодов в современной технике весьма разнообразно. Рассмотрим наиболее характерные случаи.

Полупроводниковые диоды, предназначенные для выпрямления пере-менного тока, называются выпрямительными. Плоскостные диоды малой и средней мощности широко используют в схемах питания радиоаппарату-ры, в устройствах автоматики и вычислительной техники. Диоды большой мощности используют в силовых установках, для питания тяговых элек-тродвигателей, привода станков и механизмов, обеспечения технологиче-ских процессов в химическом и металлургическом производствах.

Диоды, предназначенные для работы в устройствах высокой и сверхвысокой частоты (ультракоротковолновая и космическая радио-связь, радиолокация, теле-, измерительная техника и т. д.), называют вы-сокочастотными. СВЧ-диоды используются для модуляции и детекти-рования сверхвысокочастотных колебаний в диапазоне сотен мегагерц, а также в каскадах преобразования частоты радиоприемных устройств. В качестве высокочастотных обычно применяют точечные диоды, емкость электронно-дырочного перехода в которых составляет сотые и десятые доли пикофарад. Диоды, применяемые в качестве конденсаторов с управ-ляемой емкостью, называют варикапами.

Наличие у диода критического обратного напряжения, при котором наступает электрический пробой, позволяет использовать полупроводни-ковый диод в схемах стабилизации напряжения.

Диод, используемый для стабилизации напряжения, называется ста-билитроном.

При больших концентрациях легирующих примесей заметно усили-вается туннельный эффект р-n-перехода. При этом в вольтамперной характеристике диода появляется участок с отрицательным сопротивлени-ем (прямой ток увеличивается с уменьшением прямого напряжения), что позволяет использовать его в схемах генерации и усиления электриче-ских колебаний. Такие диоды называют туннельными. Для работы в им-пульсных схемах изготовляют импульсные диоды, у которых перерас-пределение носителей зарядов в p-n-переходах при смене полярности на-пряжения (переходные процессы) происходит в десятые доли наносекун-ды. Чем меньше время переходных процессов, тем меньше искажается форма импульсов. Для ускорения переходных процессов уменьшают до возможного предела межэлектродную емкость, р-n-перехода небольшой присадкой золота .

Рис. 1.6. Условное обозначение полупроводниковых диодов: 1-выпрямительный диод, 2-СВЧ диод, 3-варикап, 4-стабилитрон, 5-тунельный диод

Маркировку диодов осуществляют с помощью цифр и букв (рис. 1.6). Первая цифра или буква обозначает материал полупроводникового кри-сталла. Цифрой 1 или буквой Г обозначают германий; цифрой 2 или бук-вой К – кремний, цифрой 3 или буквой А – арсенид галлия. На втором мес-те ставят букву, обозначающую класс диода: Д – выпрямительный, А – СВЧ-диод, В – варикап; С – стабилитрон, И – туннельный диод. Три по-следующие цифры характеризуют тип или область применения прибора: если цифры лежат в пределах 101–399, то диод предназначен для выпрям-ления переменного тока, если в пределах 401–499, то для работы в высоко-частотных и сверхвысокочастотных цепях, если в пределах 501–599, то ра-боты в импульсных схемах, диоды, маркируемые цифрами 601–699, ис-пользуют в качестве конденсаторов с регулируемой емкостью (варикапы). Последняя буква указывает на некоторые конструктивные или другие осо-бенности диода (разновидность прибора).

Например, маркировка КС196В расшифровывается следующим об-разом, кремниевый стабилитрон плоскостного типа, разновидность В.

Если положительный вывод омметра соединен с анодом диода, а от-рицательный вывод с катодом, то диод смещен в прямом направлении. В этом случае через диод идет ток, и омметр показывает низкое сопротив-ление. Если выводы омметра поменять местами, то диод будет смещен в обратном направлении, через него будет идти маленький ток, и омметр покажет высокое сопротивление.

Если сопротивление диода низкое в прямом и обратном направлениях, то он, вероятно, закорочен. Если диод имеет высокое сопротивление в прямом и обратном направлениях, то в нем, вероятно, разорвана цепь.

ЗАДАНИЕ

1. Проверить пригодность полупроводникового диода.

2. Снять вольтамперную характеристику полупроводникового диода.

3. Построить график вольтамперной характеристики диода.

ПРЕДВАРИТЕЛЬНАЯ ПОДГОТОВКА

1. Изучить устройство, принцип действия и область применения по-лупроводникового диода.

2. Начертить схему установки и таблицу для снятия характеристик.

РАБОТА В ЛАБОРАТОРИИ

1. С помощью омметра, проверьте годность диода. Для этого поло-жительный вывод омметра подсоедините к аноду диода, отрицательный вывод – к катоду. Измерьте прямое сопротивление диода.

2. Поменяйте выводы омметра и измерьте обратное сопротивление.

3. По данным измерениям сделайте выводы о пригодности полу-проводникового диода.

4. Соберите схему согласно рис. 1.7.

ИП1

Рис. 1.7. Схема лабораторной установки:

ИП1 – миллиамперметр постоянного тока 50 мА;

ИП2 – вольтметр постоянного тока 3 В; VD – исследуемый диод

5. Установите переключатель «0-6,3 V» в положение «–».

6. Подключите схему к клеммам питания «~ 0–6,3 V» штатива при-борного.

7. Изменяя напряжение U_np от 0 до 1 V, измерьте прямой ток I_пр для диодов Д104А, КД209А.

8. Данные измерения запишите в табл. 1.1, 1.2.

Для диода Д104А

Таблица 1.1

U, В I, mA

Для диода КД209А

U, В I, mA

9. Постройте графики зависимости: I_np = f(U_np).

СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА

1. Технические данные оборудования и измерительных приборов, используемых в работе.

2. Схема испытания диода.

3.Прямое и обратное сопротивление диода.

4. Таблицы измерений.

5. Вольтамперная характеристика.

6. Выводы по работе.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Что представляет собой полупроводниковый диод?

2. Области применения диодов.

3. Достоинства полупроводниковых диодов.

4. Виды специальных диодов и области их применения.

5. Методы получения р-n-переходов для выпрямительных диодов.

6. Основная характеристика полупроводниковых диодов

7. Маркировка диодов.

8. Принцип действия полупроводниковых диодов.

ЛИТЕРАТУРА

1. И. А. Данилов, П. М. Иванов. Общая электротехника с основами электроника. – М.: Высшая школа, 1998.

2. Ю. Синдеев. Электротехника. Ростов на Дону. 2000.

3. К. А. Арестов, Б. С. Яковенко. Основы электроники. – М.: Радио и связь. 1988.

4. В. И. Лачин, Н. С. Савелов. Электротехника. Ростов на Дону. 2004. – С 32, 49.

Лабораторная работа 12