Дослідження характеристик напівпровідникового діода

Автор Атамась Артем
Науковий співробітник НЦ "Мала академія наук України", кандидат технічних наук. Сфера наукових інтересів: розвиток технологій наукової освіти.

Завдання роботи:

дослідити провідні властивості напівпровідникового діода, побудувати його вольт-амперну характеристику.

Обладнання:

робоча станція NI ELVIS II, блок живлення станції; USB-кабель, ПК, плата «Аналогові елементи інформаційно-вимірювальної техніки».

Теоретична частина

Рис. 1. Загальний вигляд обладнання

Напівпровідниковий діод – прилад з одним електричним переходом і двома електродами. Принцип дії напівпровідникового діода ґрунтується на властивостях p-n-переходу. Площинні p-n-переходи для напівпровідникових діодів одержують шляхом плавлення, дифузії та епітаксії. Вольт-амперна характеристика (ВАХ) – залежність струму через провідний елемент від напруги на елементі. Напівпровідникові діоди, а також інші напівпровідникові елементи, що складаються з одного або декількох p-n-переходів (тиристори, стабілітрони), мають суттєво нелінійну та несиметричну ВАХ.

Електронно-дірковим, або p-n переходом називають межу між двома напівпровідниками різного типу провідності. Такий перехідний контакт не можна утворити простим дотиком пластин провідностей типів p і n, тому що він буде забруднений оксидами, повітрям, іншими сполуками. Електронно-дірковий перехід отримують дифузією або вплавлюванням відповідних домішок у монокристал напівпровідника, а також вирощуванням p-n переходу з розплаву напівпровідника.

Властивості p-n переходу суттєво залежать від його конструкції, методу отримання, співвідношення концентрації донорних та акцепторних домішок.

Розглянемо властивості різкого p-n переходу (тобто такого, в якому тип домішки змінюється не повільно, а різко) з однаковими концентраціями донорних та акцепторних домішок (рис. 2).

У напівпровіднику n-типу основними рухомими носіями електричного заряду є електрони, у напівпровіднику p-типу – дірки. Рухомі носії заряду, що перебувають поблизу p-n переходу, дифундують через перехід і взаємно рекомбінують, унаслідок чого в p-n переході утворюється збіднений вільними носіями заряду подвійний шар просторових зарядів. Ширина його становить десяті частини мікрометра.

Рис. 2. Утворення потенціального бар’єру в електронно-дірковому переході

У напівпровіднику p-типу він утворюється негативними іонами акцепторної домішки, які залишилися після дифузії в n-область і рекомбінації дірок вільних носіїв, а в напівпровіднику n-типу – позитивними іонами донорної домішки. Електричне поле Ек їхніх просторових зарядів перешкоджає подальшій дифузії, оскільки на p-n переході виникає потенціальний бар’єр φк у декілька десятих вольта.

Це поле спрямоване від позитивних іонів-донорів до негативних іонів-акцепторів, воно гальмує рух основних носіїв заряду і прискорює рух неосновних. Тепер будь-який електрон, що перейшов з електронної структури в діркову, потрапляє в електричне поле, яке намагається повернути його назад в електронну структуру n-типу. Аналогічно дірки відштовхуються в структуру p-типу. Завдяки наявності збідненого вільними носіями шару завширшки L електронна провідність p-n переходу зменшується відносно провідності останньої частини напівпровідника, а наявність просторових зарядів та електричного поля робить його провідність залежною від напрямку зовнішнього електричного поля.

Слід мати на увазі, що у напівпровідниках неперервно утворюються та рекомбінують теплові електронно-діркові пари, які створюють деяку кількість неосновних носів заряду. Перш ніж рекомбінувати з основними носіями, неосновні носії, що перебувають поблизу p-n переходу, можуть потрапити в поле потенціального бар’єра і спричинити дрейфовий струм. За відсутності зовнішніх впливів цей струм компенсується дифузійним струмом основних носіїв, унаслідок чого встановлюється динамічна рівновага переходу.

Якщо до зрівноваженого електронно-діркового переходу прикласти зовнішнє електричне поле, то через нього проходитиме електричний струм, величина якого залежить від напрямку прикладеного поля (рис. 3).

Рисунок 3 – Схематичне зображення прямого (а) та зворотного (б) включення електронно-діркового переходу до зовнішнього джерела живлення та його вольт-амперна характеристика (в)

Під дією електричного поля, спрямованого проти потенціального бар’єра (рис. 3а), останній зменшується, а потім зникає. Основні носії електричних зарядів рухаються в напрямку p-n переходу, його ширина і опір спадають. Ті носії, які пройшли через p-n перехід, стають неосновними і рекомбінують з основними носіями напівпровідника, до якого вони дифундували. Поповнення основних носіїв, що рекомбінували, забезпечується із зовнішнього кола: через p-n перехід проходить прямий дифузійний струм. Підвищення зовнішньої напруги призводить до експоненціального зростання прямого струму, тому що концентрація основних носіїв в обох напівпровідниках досить значна.

Якщо зовнішнє електричне поле збігається з полем потенціального бар’єра (рис. 3б), то з підвищенням його напруженості потенціальний бар’єр збільшується, ширина збідненої вільними носіями зони зростає, опір p-n переходу підвищується. Кількість основних носіїв, здатних подолати дію такого поля, зменшується, струм дифузії основних носіїв спадає. Основні носії під дією зовнішнього поля відтягуються від приконтактних шарів у глибину напівпровідника. Для неосновних носів потенціальний бар’єр у p-n переході відсутній, і вони будуть втягуватися полем у p-n перехід. Таке вмикання p-n переходу називається зворотнім. При ньому основний дрейфовий струм, що утворюється неосновними носіями, має мале значення, яке практично не залежить від зовнішньої напруги, але істотно залежить від температури.

Таким чином, основною властивістю pn переходу, і, як наслідок, напівпровідникового діода, є його переважно однобічна провідність і нелінійність ВАХ (рис. 3в).

Однобічна провідність напівпровідникового діода покладена в основу побудови багатьох електронних пристроїв, зокрема випрямлячів змінної напруги.

За основним матеріалом найпоширенішими є германієві та кремнієві діоди; за конструкцією – точкові та площинні, за умовами застосування – універсальні, високочастотні, імпульсні, випрямні. Крім того, використовують спеціальні діоди, побудовані на параметричних властивостях p-n переходу, явищі електричного пробою, тунельному ефекті тощо.

У цій лабораторній роботі пропонується отримати та дослідити ВАХ напівпровідникового діода за допомогою навчальної лабораторії NI ELVIS II. Загальний вигляд компонування системи NI ELVIS II наведений на рисунку 4.

Рис. 4. Загальний вигляд компонування навчальної лабораторії NI ELVIS II

1 – ПК; 2 – USB-кабель; 3 – настільна робоча станція NI ELVIS II; 4 – макетна плата; 5 – блок живлення;

6 – мережевий шнур живлення.

Настільна робоча станція містить регульовані джерела живлення, функціональний генератор сигналів, вимірювальні прилади та інші апаратні засоби, що керуються та можуть бути запрограмовані з ПК. Функціональний генератор та регульовані джерела живлення за необхідності можуть бути переведені в ручний режим керування. Стандартна макетна плата дає змогу здійснити на ній монтування будь-якої електричної схеми, подати до неї живлення та дослідити її роботу у різних вузлах. Результати вимірювань при цьому виводяться на ПК. Окрім макетної плати, до робочої станції може бути підключена інша плата, розроблена для виконання конкретних завдань чи досліджень.

У зазначеній лабораторній роботі використовується плата «Аналогові елементи інформаційно-вимірювальної техніки» (рис. 5), яка містить модуль для дослідження напівпровідникового діода (рис. 6). Лабораторні роботи для дослідження всіх модулів цієї плати створені у вигляді окремих файлів у програмі «LabVIEW». Для виконання тієї чи іншої роботи потрібний модуль підключається до робочої станції за допомогою ключа, який містить перемички.

На рис. 6 видно вимірювальну схему, яка використовується для отримання ВАХ діода. На вхід схеми подається напруга, яка змінюється в певному діапазоні, а під час вимірювань фіксується падіння напруги на діоді Uд та струм Iд.

Ця лабораторна робота може бути виконана дистанційно. Робоча станція стаціонарно підключена до ПК в лабораторії «МАНЛаб». На сайті розміщений календар лабораторних робіт із використанням NI ELVIS II. Віддалений доступ до ПК, до якого підключена станція, здійснюється за допомогою програми «TeamViewer». Для отримання віддаленого доступу для виконання лабораторних робіт необхідно оформити заявку та отримати ключ доступу до ПК.

Рис. 5. Плата «Аналогові елементи інформаційно-вимірювальної техніки»

 

Рис. 6. Модуль для дослідження напівпровідникового діода

 

Хід роботи

  1. Відкрийте файл Lab1(M1) (рис. 7).

Рис. 7. Вікно лабораторної роботи

  1. У відкритому вікні зліва виставте діапазон вхідних напруг, які будуть подаватися на вимірювальну схему під час проведення досліду (рис. 8):

Uвх.min = -1 В;

Uвх.max = 4 В.

Рис. 8.

  1. Натисніть кнопку «Измерение». На графіку з правого боку вікна має з’явитися вольт-амперна характеристика діода.
  2. Правіше від віконець установлення діапазону вхідних напруг є віконце встановлення вхідної напруги зі стрічкою прокрутки (рис. 9). Установіть стрічку прокрутки у найнижче положення, що відповідає Uвх.min = -1 В, та за допомогою прокрутки у віконці збільшуйте вхідну напругу з кроком 0,2 В і записуйте до таблиці результатів значення падіння напруги на діоді Uд та струму Ід. При цьому на графіку вольт-амперної характеристики діода можна спостерігати точку, яка відповідає заданій вами вхідній напрузі.

Рис. 9

  1. За допомогою тих самих інструментів, що використовувалися в п. 4, визначте, за якого падіння напруги струм через діод буде дорівнювати 1 мА. Це значення напруги називається прямим падінням напруги діода і є стандартизованою величиною.
  2. Натисніть «Завершение работы».

Аналіз даних

  1. За отриманими даними побудуйте вольт-амперну характеристику діода.
  2. Розрахуйте для кожної точки значення опору діода за формулою:

(1)

  1. Побудуйте графіки залежності опору діода від прикладеної напруги та струму, що проходить через нього.
  2. Дійдіть висновків про провідні властивості напівпровідникового діода. Чим вони відрізняються від провідних властивостей звичайного резистора? Як змінюється опір напівпровідникового діода залежно від прикладеної напруги та струму, що проходить через нього?

Таблиця результатів

Uд, В Ід, мА Rд, Ом
-1
-0,8
-0,6
-0,4
-0,2
0
0,2
0,4
0,6
….