Снятие вольт амперной характеристики полупроводникового диода: 8. Снятие ВАХ полупроводникового диода

ВАХ полупроводникового диода

Вах-вах-вах… Обычно эти слова употребляют, рассказывая анекдоты про кавказцев))) Кавказцев прошу не обижаться – я уважаю Кавказ. Но, как говорится, из песни слов не выкинешь. Да и в нашем случае это слово имеет другой смысл. Да и не слово это даже, а аббревиатура.

ВАХ – это вольт амперная характеристика. Ну а нас в этом разделе интересует вольт амперная характеристика полупроводникового диода.

График ВАХ диода показан на рис. 6.

Рис. 6. ВАХ полупроводникового диода.

На графике изображены ВАХ для прямого и обратного включения диода. Ещё говорят, прямая и обратная ветвь вольт-амперной характеристики. Прямая ветвь (Iпр и Uпр) отображает характеристики диода при прямом включении (то есть когда на анод подаётся «плюс»). Обратная ветвь (Iобр и Uобр) отображает характеристики диода при обратном включении (то есть когда на анод подаётся «минус»).

На рис. 6 синяя толстая линия – это характеристика германиевого диода (Ge), а чёрная тонкая линия – характеристика кремниевого (Si) диода.

На рисунке не указаны единицы измерения для осей тока и напряжения, так как они зависят от конкретной марки диода.

Что же мы видим на графике? Ну для начала определим, как и для любой плоской системы координат, четыре координатных угла (квадранта). Напомню, что первым считается квадрант, который находится справа вверху (то есть там, где у нас буквы Ge и Si). Далее квадранты отсчитываются против часовой стрелки.

Итак, II-й и IV-й квадранты у нас пустые. Это потому, что мы можем включить диод только двумя способами – в прямом или в обратном направлении. Невозможна ситуация, когда, например, через диод протекает обратный ток и одновременно он включен в прямом направлении, или, иными словами, невозможно на один вывод одновременно подать и «плюс» и «минус». Точнее, это возможно, но тогда это будет короткое замыкание))). Остаётся рассмотреть только два случая –

прямое включение диода и обратное включение диода.

График прямого включения нарисован в первом квадранте. Отсюда видно, что чем больше напряжение, тем больше ток. Причём до какого-то момента напряжение растёт быстрее, чем ток. Но затем наступает перелом, и напряжение почти не меняется, а ток начинает расти. Для большинства диодов этот перелом наступает в диапазоне 0,5…1 В. Именно это напряжение, как говорят, «падает» на диоде. То есть если вы подключите лампочку по первой схеме на рис. 3, а напряжение батареи питания у вас будет 9 В, то на лампочку попадёт уже не 9 В, а 8,5 или даже 8 (зависит от типа диода). Эти 0,5…1 В и есть падение напряжения на диоде. Медленный рост тока до напряжения 0,5…1В означает, что на этом участке ток через диод практически не идёт даже в прямом направлении.

График обратного включения нарисован в третьем квадранте. Отсюда видно, что на значительном участке ток почти не изменяется, а затем увеличивается лавинообразно. Что это значит? Если вы включите лампочку по второй схеме на рис. 3, то светиться она не будет, потому что диод в обратном направлении ток не пропускает (точнее, пропускает, как видно на графике, но этот ток настолько мал, что лампа светиться не будет). Но диод не может сдерживать напряжение бесконечно. Если увеличить, напряжение, например, до нескольких сотен вольт, то это высокое напряжение «пробьёт» диод (см. перегиб на обратной ветви графика) и ток через диод будет течь. Вот только «пробой» — это процесс необратимый (для диодов). То есть такой «пробой» приведет к выгоранию диода и он либо вообще перестанет пропускать ток в любом направлении, либо наоборот – будет пропускать ток во всех направлениях.

В характеристиках конкретных диодов всегда указывается максимальное обратное напряжение – то есть напряжение, которое может выдержать диод без «пробоя» при включении в обратном направлении. Это нужно обязательно учитывать при разработке устройств, где применяются диоды.

Сравнивая характеристики кремниевого и германиевого диодов, можно сделать вывод, что в p-n-переходах кремниевого диода прямой и обратный токи меньше, чем в германиевом диоде (при одинаковых значениях напряжения на выводах). Это связано с тем, что у кремния больше ширина запрещённой зоны и для перехода электронов из валентной зоны в зону проводимости им необходимо сообщить большую дополнительную энергию.

Изучение вольтамперной характеристики полупроводникового диода

Класс, профиль: 10 класс, физико- математический профиль.

УМК: Учебник «Физика 10 класс», авторы:   О.Ф. Кабардин, В.А. Орлов, под ред. А.А.Пинского , «Физика 10 класс». Учебник для общеобразовательных организаций : Ф 50 углубл. уровень М.: Просвещение, 2018 г., 415

Тема урока: «Лабораторная работа № 14 изучение вольтамперной характеристики полупроводникового диода».

Тип урока: практико-ориентированный урок.

Цели урока.

1) Обучающая: Изучение свойств полупроводникового диода и снятие его вольт-амперной характеристики.;

2) Воспитывающая: продолжить формирование научного мировоззрения путем ознакомления действием полупроводникового диода;

3) Развивающая: способствовать развитию мышления, познавательного интереса, научиться отстаивать свою точку зрения, приводить нужные аргументы, четко излагать свои мысли по данной теме.

Урок строится на проблемных вопросах, которые ставятся учителем на протяжении всего урока и разрешаются учениками под руководством учителя.

2. Раскрытие механизма образования разности потенциалов при контакте полупроводников тот же, что

и при контакте металлов

Следят за экспериментами, делают выводы и записывают их в тетрадь.

 

Пытаются самостоятельно сформулировать суть опыта.

 

3.Работа с понятиями:

Отвечают на вопросы.

 

Зависимость силы тока от приложенного к npпереходу напряжения называется его вольтамперной характеристикой

Анализ и построение графика ВАХ в тетради.

 

 

Выполнение лабораторного эксперимента.

Описание эксперементальной установки.

Для снятия вольтамперной характеристики ПД используются схемы, приведенные на рис.6. На монтажной панели располагаются гнезда (и клеммы) для подключения исследуемого диода (D) и измерительных приборов: здесь mA — многопредельный миллиамперметр, позволяющий измерять силы тока в диапазоне 0300 mA;

V — многопредельный вольтметр, позволяющий измерять напряжения в диапазоне 010 В; ИПТисточник постоянного тока (регулируемый).

ИЗМЕРЕНИЯ И ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ

Собрать электрическую схему лабораторной установки для прямого включения ПД. Регулятор выходного напряжения ИПТ установить на минимум (крайнее левое положение). Переключатели пределов измерительных приборов установить в соответствии с предельными параметрами исследуемого диода. Получить у преподавателя шаг изменения тока, подать напряжение на схему (включить источник тока).

ЗАДАНИЕ.

1. Ознакомиться с приборами, применяемыми в данной работе (элементами управления ИПТ, возможностями измерительных приборов).

2. Записать предельные параметры предложенного полупроводникового диода.

3. Собрать электрическую схему для прямого включения диода. Учитывая параметры ПД, выбрать пределы на измерительных приборах (ориентировочно  1,5 В и 300 мА).

4. Снять вольтамперную характеристику прямого включения диода. Результаты измерений и расчетов занести в Таблицу 1.

5. Собрать электрическую схему для обратного включения диода. Выбрать пределы на измерительных приборах (ориентировочно  15В и 3 мА).

6. Снять вольтамперную характеристику прямого включения диода. Результаты измерений и расчетов занести в Таблицу 2.

7. Построить графики и.

3. Подведение итогов.

4.Рефлексия.

 Проверка соответствия уели урока и полученного результата. Выставление оценок.

Преподаватель предлагает анкету для заполнения рефлексии.

 Анализ результата урока.

Обучающиеся записывают вопросы, вызвавшие интерес и затруднение.

4. Задание на самоподготовку.

 Представление задания.

 Обучающиеся записывают задание на самоподготовку.

получение вольт-амперной характеристики двухполюсника на экране осциллографа

 

2. 13.  Получение вольт-амперной характеристики двухполюсника

(резистора, диода, стабилитрона)  на экране осциллографа

 

Напомним, что вольт-амперной характеристикой называют зависимость силы протекающего через элемент тока от приложенного к нему напряжения. При этом напряжение должно изменяться по величине и полярности.

Для получения вольт-амперной характеристики (ВАХ) резистора на экране осциллографа необходимо, чтобы отклонение луча по оси “У” осциллографа было пропорционально току, протекающему через резистор, а по оси “Х” — напряжению на его концах. Отклонение луча по оси “У” осциллографа проградуировано в вольтах на деление. Если параллельно входу “У” подключить известный резистор небольшого сопротивления, то, зная падение напряжения на этом резисторе, можно определить протекающий через него ток. Поэтому можно проградуировать вход “У” в миллиамперах на деление, если напряжение снимается с эталонного резистора R

эт (резистора известного сопротивления).

Пусть нам необходимо получить по оси У коэффициент отклонения 1мА/дел. Рассчитаем, чему должно быть равно сопротивление эталонного резистора. В осциллографе необходимо выбрать  наименьший коэффициент отклонения в В/дел по оси У. Это следует из общего требования к приборам для измерения тока (падение напряжения на амперметре должно быть как можно меньше, чтобы не изменять режим работы исследуемой цепи). Для осциллографа ОМЛ-3М минимальный коэффициент отклонения 0,01 В/дел. Из закона Ома для участка цепи следует, что R_эт  равно частному от деления коэффициента отклонения по напряжению на коэффициент отклонения по току.

 

В нашем случае  

 

Для наблюдения вольт-амперной характеристики резистора на экране осциллографа последовательно с исследуемым резистором подключают эталонный резистор R

эт (резистор известного сопротивления). Возможны две схемы подключения (рис. 2.22 а, 2.22 б). Рассмотрим схему рисунка 2. 21а. В ней корпус осциллографа подключен к точке  соединения  резисторов R_эт и R. Напряжение с резистора R_эт подается на вход “У” осциллографа, а напряжение с исследуемого резистора R подается на вход “Х” осциллографа. В схеме рисунка 2.21б корпус осциллографа подключается к нижнему (по схеме) выводу резистора R_эт, вход “У” — к точке соединения эталонного и исследуемого резисторов, а вход “Х” — к верхнему (по схеме) выводу исследуемого резистора.

ВАХ резистора представляет собой прямую линию, которая на экране осциллографа может располагаться в любом из квадрантов в зависимости от схемы подключения осциллографа и от того, куда отклоняется электронный луч осциллографа при подаче на его вход положительного потенциала относительно корпуса. Пусть, например, в осциллографе при подаче на входы “У” и “Х” положительного потенциала относительно корпуса смещение луча происходит вверх и вправо (чаще всего в осциллографах реализован именно такой вариант).

Тогда ВАХ резистора, получаемая с помощью схемы рис. 2.21а, будет расположена во втором и четвертом квадрантах.

Если в осциллографе не предусмотрена регулировка коэффициента отклонения по оси Х, то на вход Х ставят переменный резистор, включая его по схеме потенциометра (рис. 2.25).

Теперь рассмотрим получение вольт-амперной характеристики диода – сначала по точкам, а затем – на экране осциллографа. При снятии ВАХ диода по точкам необходимо учитывать способы подключения амперметра и вольтметра в зависимости от сопротивления участка цепи, на котором измеряют ток и напряжение. При  снятии по точкам прямой  ветви вольт-амперной  

характеристики диода измерительные приборы подключают по схеме рисунка 2.22а, так как внутреннее сопротивление вольтметра значительно больше прямого сопротивления диода. Для снятия начального участка ВАХ диода необходимо использовать вольтметр с большим внутренним сопротивлением (более 1 МОм), так как в противном случае погрешность измерений оказывается весьма существенной за счет больших токов, протекающих через вольтметр (сравнимых с токами, протекающими через диод).

При снятии по точкам обратной ветви вольт-амперной характеристики диода измерительные приборы подключают по схеме рисунка 2.22 б. Так как внутреннее сопротивление амперметра значительно меньше обратного сопротивления диода и напряжение U

в, измеряемое вольтметром, будет примерно равно напряжению на диоде U_д.  В выражении U_в=U_д+U_а  можно пренебречь величиной  напряжения на миллиамперметре U_а по сравнению с величиной U_д.

 

Схему рисунка 2.22б можно использовать и для снятия прямой ветви ВАХ диода, если внутреннее сопротивление миллиамперметра будет существенно меньше прямого сопротивления диода. Схему рисунка 2.22а можно использовать и для снятия обратной ветви ВАХ диода, если внутреннее сопротивление вольтметра будет существенно больше  обратного сопротивления диода. В этом случае изменить схему рисунка 2.22б для снятия прямой ветви, а схему рисунка 2. 22а для снятия обратной ветви ВАХ диода можно двумя способами: либо изменяя полярность источника питания, либо изменяя полярность подключения исследуемого диода.

 

Преобразуем рассмотренные схемы в схемы для получения ВАХ диода на осциллографе. Роль миллиамперметра будет выполнять вход Y с эталонным резистором, а роль вольтметра – вход X. На экране осциллографа обычно наблюдают одновременно прямую и обратную ветви ВАХ диода, используя для этого переменное  напряжение. Соответственно получаются 4 варианта подключения приборов для наблюдения ВАХ диода на экране осциллографа (рис. 2.23).

Осциллограммы, получающиеся для каждого варианта подключения диода и эталонного резистора, приведены на рисунке 2.24. Эти осциллограммы соответствуют стандартному подключению каналов X и Y осциллографа, когда при подаче относительно корпуса положительного потенциала на вход X осциллографа отклонение луча происходит вправо, а при подаче положительного потенциала на вход  Y луч отклоняется вверх.

 

Рассмотрим особенности наблюдения ВАХ полупроводникового стабилитрона на экране осциллографа ОМЛ-3М. Стабилитрон – это специальный полупроводниковый диод, в котором используется обратная ветвь характеристики в области лавинного пробоя. Обратная ветвь вольт-амперной характеристики стабилитрона – это зависимость тока, протекающего через обратно смещенный p-n переход стабилитрона, от приложенного к нему напряжения.  Напряжение стабилизации стабилитронов равно единицы и десятки вольт (более подробные сведения о стабилитронах приведены в главе 3). Коэффициент отклонения по оси Х у осциллографа ОМЛ-3М не регулируется и равен примерно 0,35 В/дел. По горизонтали на экране осциллографа 8 делений, следовательно, максимальное напряжение, подаваемое на вход Х осциллографа, не должно превышать 2,8 В. Поэтому для наблюдения ВАХ стабилитрона на экране осциллографа ОМЛ-3М (рис. 2.25) к входу Х осциллографа необходимо подключить регулируемый делитель напряжения (переменный резистор, включенный по схеме потенциометра).

Калибровку входа Х осциллографа можно выполнить двумя способами.

1 способ: подать на вход регулируемого делителя известное постоянное напряжение, например, 12 В, и, вращая ось переменного резистора, добиться смещения электронного луча на необходимое число делений, например, на 6 делений. В этом случае коэффициент отклонения по оси Х будет 2 В/дел.

2 способ: подать переменное напряжение одновременно на вход У и на вход переменного резистора, подключенного ко входу Х. Вращая ось переменного резистора, добиваются того, чтобы прямая располагалась под углом 45°. В этом случае коэффициенты отклонения по оси У и оси Х будут одинаковыми.

ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ВЫПРЯМИТЕЛЬНЫЕ ДИОДЫ

Полупроводниковым диодом называется прибор с одним p-n переходом и двумя выводами, позволяющими включать его во внешнюю электрическую цепь. О принципе действия и физике проходящего в этом приборе процессе будет рассказано в данном материале.

Теоретическая часть

Работа полупроводниковых диодов основана на свойствах p-n перехода, который образуется на границе раздела областей полупроводника с дырочной (p) и электронной проводимостью (n). Концентрация электронов в n – области значительно больше, чем в p-области, а дырок в p – области больше, чем в n – области. Неодинаковая плотность частиц вызывает диффузию основных носителей из областей с большей концентрацией: электронов из n – области и дырок из p – области. В результате рекомбинации на границе p — и n — областей возникает обедненный носителями слой, который называется запирающим (рис. 1, а). Ионы донорной и акцепторной примеси в области запирающего слоя создают электрическое поле с напряженностью Евн, которое препятствует дальнейшей диффузии основных носителей и создает дрейфовый ток, обусловленный неосновными носителями.

Рисунок 1. Полупроводниковый диод

При подключении источника э.д.с. к n-p переходу в зависимости от направления вектора напряженности источника ширина запирающего слоя может:

• Уменьшаться — векторы напряженности источника и запирающего слоя противоположны, что приводит к увеличению диффузного тока;
• Увеличиваться — векторы напряженности источника и запирающего слоя направлены в одну сторону, что приводит к уменьшению диффузионных токов практически до нуля и увеличению дрейфового тока.

Перечисленные свойства p-n перехода используются в полупроводниковых диодах. Полупроводниковые диоды имеют несимметричные электронно-дырочные переходы. Одна область полупроводника с более высокой концентрацией примесей (высоколегированная область) служит эмиттером, а другая с меньшей концентрацией примесей (низколегированная область) – базой.

Вывод, который подключает эмиттер к внешней электрической цепи, называется катодным, а вывод, который подключается к базе – анодным (рис. 1, б).

Выпрямительные диоды предназначены для преобразования переменного тока в ток одного направления. Вольт — амперная характеристика (ВАХ) полупроводникового диода показана на рис. 2.

Рисунок 2. ВАХ полупроводникового диода

Вольт — амперная характеристика имеет прямую («1» на рис. 2) и обратную («2» на рис. 2) ветви. При включении диода в прямом направлении (прямая ветвь ВАХ) вектор напряженности внешнего источника Еист направлен противоположно вектору напряженности p-n перехода диода, положительный полюс источника подключен к аноду диода, а отрицательный полюс к катоду диода. При этом суммарный вектор напряженности уменьшается. Это приводит к уменьшению потенциального барьера в p-n переходе.

В этом режиме часть основных носителей заряда с наибольшими значениями энергии будет преодолевать понизившийся потенциальный барьер, и проходить через p-n-переход. В переходе нарушится равновесное состояние, и через него потечет диффузионный ток обусловленный инжекцией электронов из n-области в полупроводник и дырок — из p-области в n-полупроводник.

Напряжение Uпор, начиная с которого малые приращения прямого напряжения вызывают резкое увеличение тока, называют пороговым.

При включении диода в обратном направлении (обратная ветвь ВАХ) направление вектора напряженности внешнего источника Еист совпадает с вектором напряженности поля перехода: отрицательный полюс источника соединен катодом диода, а положительный полюс источника соединен с анодом диода. Такое включение диода приводит к увеличению потенциального барьера p-n перехода диода и ток через переход будет определяться неосновными носителями заряда: электронами из p-области в n-область и дырками из n-области в p-область. Этот процесс называется экстракцией неосновных носителей, а ток, протекающий через диод, называют обратным током Iобр.

При дальнейшем увеличении обратного напряжения, приложенного к диоду, при некотором значении Uобр1 в нем будет происходить резкий рост обратного тока – участок «3» на рисунке 2. Это явление называется пробоем. Различают электрический и тепловой пробой p-n перехода. Лавинный пробой – это электрический пробой перехода, вызванный лавинным размножением носителей заряда под действием сильного электрического поля. Электроны, ускорившись в поле запирающего слоя, выбивают из атомов полупроводника валентные электроны, которые, в свою очередь, успевают ускориться и выбить новые электроны, и т.д. Процесс развивается лавинообразно и сопровождается быстрым нарастанием обратного тока.

Тепловой пробой возникает из-за перегрева p-n перехода или отдельного его участка (участок «4» на рис. 2). При этом происходит интенсивная генерация пар электрон – дырка и увеличивается обратный ток, что приводит к увеличению мощности, выделяющейся в p-n переходе и дальнейшему его разогреву. Этот процесс также лавинообразный, завершается расплавлением перегретого участка перехода и выходом диода из строя.

В зависимости от соотношения линейных размеров выпрямляющего p-n перехода полупроводниковые диоды делятся на два класса: точечные и плоскостные. Точечные диоды имеют малую емкость p-n перехода и применяются для выпрямления переменного тока любых частот вплоть до СВЧ. В плоскостных диодах емкость p-n перехода составляет несколько десятков пФ.

Практическая часть

Лабораторная работа посвящена исследованию полупроводникового выпрямительного диода. Исследуемый диод FR302 закреплен на стеклотекстолитовой плате вместе с токоограничительным резистором МЛТ-2 43 Ом. Резистор предназначен для ограничения тока при снятии прямой ветви характеристики, т. к. при открытом p-n-переходе сопротивление диода мало.

Проводимость диода исследуется с помощью миллиамперметра (микроамперметра) и вольтметра, по показаниям, которых строится вольтамперная характеристика (ВАХ) диода.  

Рисунок 3. Электрическая принципиальная схема снятия прямой ветви ВАХ диода

Питание установки осуществляется от регулируемого блока питания, который дает постоянный ток напряжением от 0 до 12 В (стабилизированный выход) и постоянный ток напряжением от 0 до 36 В (нестабилизированный выход). 

Для снятия прямой ветви характеристики используется миллиамперметр и милливольтметр, т. к. в открытом состоянии падение напряжения на диоде составляет около 1 В, а ток через него достигает 200 мА.

Рисунок 4. Электрическая принципиальная схема снятия обратной ветви ВАХ диода

Для снятия обратной ветви ВАХ диода обратное напряжение на диоде доводится до 36 В. При таком напряжении обратный ток диода FR302 остается небольшим (единицы-десятки микроампер), поэтому для его измерения в цепь вместо миллиамперметра включают микроамперметр. Сильно увеличивать обратный ток диода крайне нежелательно, так как это может привести к его выходу из строя. К тому же напряжения выше 42 В опасны, и их использование нежелательно.

Материал предоставил для изучения — Denev.

   Форум

   Форум по обсуждению материала ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ВЫПРЯМИТЕЛЬНЫЕ ДИОДЫ

---

	ИК ДАТЧИК ПРИБЛИЖЕНИЯ Инфракрасный датчик приближения объектов к транспортным средствам — схема для самостоятельной сборки на базе E18-D80NK.

Изучение работы полупроводникового диода, страница 2

Схемы для снятия вольт-амперной характеристики полупроводникового диода на постоянном напряжении для прямого и обратного направлений представлены на рис. 3 и 4.

Для наблюдения выпрямляющего действия полупроводникового диода и его вольт-амперной характеристики на переменном напряжении используется электронный осциллограф. Схема для наблюдения выпрямляющего действия полупроводникового диода представлена на рис. 5. На схеме между точками А и В создается переменное синусоидальное напряжение. Так как диод Д пропускает ток преимущественно только в одном направлении, указанном стрелкой, то в одну половину периода сопротивление диода мало (по цепи течет большой ток) и на сопротивлении R создается значительное падение напряжения. В другую половину периода сопротивление диода велико, ток в цепи мал и падение напряжения на сопротивлений R также мало. В этот полупериод все напряжение вторичной обмотки трансформатора приложено к диоду. Чтобы убедиться в выпрямляющем действии диода, наблюдают с помощью осциллографа формы кривых временной зависимости напряжений на вторичной обмотке трансформатора (между точками А₁ и B₁), и на сопротивлении R (между точками А₁ и С). Схема для наблюдения вольт-амперной характеристики полупроводникового диода с помощью электронного осциллографа представлена на рис. 6. На Х-пластины осциллографа подается напряжение, приложенное к диоду.  На У-пластины  осциллографа подается  на-

 

 

                   С

 

пряжение, пропорциональное току, протекающему через диод. Оно снимается с сопротивления R. При этом луч осциллографа прочертит кривую зависимости тока, протекающего через диод от приложенного к диоду напряжения, т. е. вольт-амперную характеристику исследуемого полупроводникового диода.

Упражнение 1

Снятие вольт-амперной характеристики полупроводникового диода

Приборы и принадлежности: панель с исследуемым полупроводниковым диодом, миллиамперметр, микроамперметр, вольтметр, потенциометры, провода.

Порядок выполнения

1. Собрать схему для снятия вольт-амперной характеристики исследуемого диода при прямом направлении (см. рис. 3). Вольтметр при этом включить на диапазон 0-ЗВ, миллиамперметр — на диапазон 0-100 мА.

2. Поставить движки потенциометров в нулевое положение.

3. Замкнуть переключатель на панели в соответствии со схемой, представленной на рис. 3.

4. Включить питание.

5. Перемещая движки потенциометров, изменять величину приложенного к диоду прямого напряжения от 0 до 0,4 В и через каждые 0,05 В записывать соответствующие значения тока, проходящего через диод. Результаты наблюдений записать в табл.1.

6. Поставить движки потенциометров в нулевое положение, отключить питание.

7. Собрать схему для снятия вольт-амперной характеристики исследуемого диода при обратном направлении (см. рис. 4). Вольтметр при этом оставить включенным на диапазон 0-ЗВ.

8. Замкнуть переключатель на панели в соответствии со схемой, представленной на рис. 4. Включить питание.

9. Перемещая движки потенциометров, изменять величину приложенного к диоду обратного напряжения от 0 до 3В и записывать в табл. 2 соответствующие значения тока через диод.

10. Поставить движки потенциометров в нулевое положение. Отключить питание. Разобрать схему.

Обработка результатов измерений

1. Построить вольт-амперную характеристику исследуемого диода в линейном масштабе на одной координатной сетке, считая прямой ток и напряжение положительными, а обратный ток и напряжение — отрицательными.

2. Построить прямую ветвь вольт-амперной характеристики диода в полулогарифмических координатах, откладывая по оси ординат десятичные логарифмы значений прямого тока, а по ocи абсцисс — напряжение. Сравнить форму полученной зависимости lg I от U с формой аналогичной зависимости, вытекающей из уравнения 1, в случае a = 1 и при комнатной температуре.

3. Рассчитать коэффициент выпрямления по формуле (2) для нескольких напряжений.

Упражнение 2

Наблюдение выпрямляющего действия полупроводникового диода с помощью электронного осциллографа.

Приборы и принадлежности: панель с исследуемым диодом, электронный осциллограф, провода.

Порядок выполнения

1. На клеммы АВ панели с исследуемым диодом надеть штепсельную колодку, соединенную со вторичной обмоткой трансформатора.

2. На передней панели осциллографа ручку «развертка» поставить в положение 20 Гц, а ручку «род работы» — в положение «непр.».

3. На задней панели осциллографа вынуть колодки, соединяющие вход У-усилителя с У-пластинами (две правые колодки), а колодки, соединяющие вход X-усилителя с Х-пластинами, оставить на месте (две левые колодки).

4. В верхние гнезда У-пластин вставить два провода. ВНИМАНИЕ! В нижние гнезда провода вставлять нельзя, так как это может привести к порче осциллографа.

5. Присоединить провода, идущие от У-пластин осциллографа, к выходу вторичной обмотки трансформатора (клеммы A₁ и B₁ на панели).

6. Включить осциллограф и первичную обмотку трансформатора в сеть.

7. Поставить тумблер осциллографа «сеть» в положение «вкл.». При этом должна загореться лампочка шкалы «калибровка амплитуды».

8. Рукояткой «частота» плавно отрегулировать луч так, чтобы картина на экране осциллографа была неподвижной.

Исследование полупроводниковых диодов | Лаборатория Электронных Средств Обучения (ЛЭСО) СибГУТИ

Лабораторная работа выполняется с помощью учебного лабораторного стенда LESO3.

1 Цель работы

С помощью учебного лабораторного стенда LESO3 исследовать вольтамперные характеристики (ВАХ) полупроводниковых диодов различных типов. Исследовать работу однополупериодного выпрямителя.

2 Задание к работе

2.1 Исследовать вольтамперные характеристики (ВАХ) диодов в прямом включении

2.1.1 С помощью соединительных проводников собрать схему для исследования ВАХ диодов в прямом включении (рисунок 1).

Рисунок 1 – Схема исследования ВАХ диодов в прямом включении.   Рисунок 2 – Вид собранной на стенде схемы.

2.1.2 Установить диапазон регулирования источника Е1 0..1 В. Выбрать на графике по вертикальной оси mА1, диапазон установит 0..10 мА. Выбрать на графике по горизонтальной оси V1, диапазон 0..1 В.

2.1.3 Снять вольтамперные характеристики германиевого и кремниевого диодов при прямом включении. Для этого плавно поворачивать ручку управления источника E1 по часовой стрелке до тех пор пока ток мА1 не достигнет 10 мА. Обе характеристики должны быть построены на одном графике. Для этого после снятия первой характеристики необходимо нажать кнопку сброса источника E1, вставить следующий диод и повторить измерение характеристики. При необходимости следует увеличить диапазон регулирования источника E1 до 0..2 В.

Рисунок 3 – ВАХ кремниевого и германиевого диодов. Образец.

2.1.4 Сохранить график в заранее подготовленную папку с помощью кнопки для дальнейшей вставки его в отчет.

2.2 Исследовать ВАХ диода при обратном включении

2.2.1 Собрать схему для исследования ВАХ диода при обратном включении (рисунок 4).

Рисунок 4 – Схема исследования ВАХ диодов в обратном включении.   Рисунок 5 – Вид собранной на стенде схемы.

2.2.2 Установить диапазон регулирования источника Е1 -10..0В. Выбрать на графике по вертикальной оси mА1, диапазон установить: нижняя граница графика -0,1 mА, верхняя граница 0 mA. Переключить измерительный шунт амперметра mA1 для измерения малого тока, для этого следует нажать на кнопку , расположенную рядом со стрелочным индикатором mA1. Выбрать по горизонтальной оси V1, установить диапазон: левая граница -10В, правая граница 0В.

2.2.3 Снять вольтамперные характеристики германиевого диода в обратном включении при комнатной и повышенной температурах. Для этого плавно поворачивать ручку управления источника E1 против часовой стрелки до тех пор, пока напряжение V1 не достигнет -10В. Повышения температуры можно добиться прикосновением пальцев руки к корпусу диода на несколько секунд. Обе характеристики должны быть построены на одном графике (аналогично пункту 2.1.3).

2.2.4 Сохранить график.

Рисунок 6 – ВАХ диода в обратном включении. Образец.

2.3 Исследовать вольтамперную характеристику стабилитрона при обратном включении

2.3.1 Собрать схему для исследования ВАХ диода при обратном включении, как показано на рисунке 4, установить стабилитрон.

2.3.2 Установить диапазон регулирования источника Е1 -10..0 В. Выбрать на графике по вертикальной оси mА1, диапазон установить: нижняя граница графика -10 мА, верхняя граница 0 мА. Переключить измерительный шунт амперметра mA1 для измерения большого тока, для этого нажать на кнопку . Выбрать по горизонтальной оси V1, установить диапазон: левая граница -10 В, правая граница 0 В.

2.3.3 Снять ВАХ стабилитрона при обратном включении. Для этого плавно поворачивать ручку управления источника E1 против часовой стрелки, до тех пор пока ток мА1 не достигнет -10 мА. На графике должен быть четко виден пробой стабилитрона.

2.3.4 Сохранить график.

Рисунок 7 – ВАХ стабилитрона. Образец.

2.4 Исследовать однополупериодный выпрямитель

2.4.1 Собрать схему исследования однополупериодного выпрямителя (рисунок 8).

Рисунок 8 – Схема исследования однополупериодного выпрямителя.   Рисунок 9 – Вид собранной на стенде схемы.

Установить графопостроитель в режим временных характеристик. Выбрать для верхнего графика прибор V1, а для нижнего V2. Диапазон установить -10..10 В. установить амплитуду источника E1, постоянную составляющую 0 В. После получения осциллограммы остановить процесс измерения нажав кнопку . Сохранить осциллограмму.

Повторить пункт 2.4.2, изменив полярность включения диода. Сохранить осциллограмму.

Рисунок 10 – Осциллограмма выпрямителя. Прямая полярность диода.   Рисунок 11 – Осциллограмма выпрямителя. Обратная полярность диода.

3. Указания к составлению отчета

3.1 Отчет о проделанной работе должен содержать:

1. схемы исследования;
2. графики вольтамперных характеристик германиевого и кремниевого диодов при прямом включении, изображенные на одних осях;
3. графики вольтамперных характеристик германиевого диода в обратном включении при комнатной и повышенной температурах, изображенных на одних осях;
4. график вольтамперной характеристики стабилитрона при обратном включении;
5. временные диаграммы входного напряжения и напряжения на нагрузке однополупериодного выпрямителя для разных полярностей включения диода.

Все графики должны быть подписаны. По графикам пунктов b. и c. определить прямое и обратное дифференциальные сопротивления и сопротивление постоянному току диодов в заданных рабочих точках.

3.2 Построить график зависимости дифференциального сопротивления от напряжения на диоде.

3.3 На графике пункта d. определить напряжение стабилизации исследуемого стабилитрона. Определить дифференциальное сопротивление стабилитрона в заданной рабочей точке.

3.4 По каждому графику сделать выводы:

1. чем отличаются характеристики диодов изготовленных из различных материалов?
2. как и почему влияет температура на ВАХ диода?
3. как влияет полярность включения диода на выходное напряжение выпрямителя?

Вольт-амперная характеристика полупроводникового диода

Полупроводник

Электричество и магнетизм

ВАХ полупроводникового диода

Практическая деятельность для 14–16

Класс практический

Пример поведения простого компонента, дающий студентам возможность построить схему, собрать данные и выполнить некоторый анализ.

Аппаратура и материалы

• Полупроводниковый диод — например, ИН 5401
• Защитный резистор, не менее 10 Ом
• Источник питания, от 0 до 12 В, постоянный ток (или, лучше, небольшой стабилизированный источник питания 5 В)
• Выводы, 4 мм
• Мультиметры, 2 или 1 амперметр и 1 вольтметр подходящих диапазонов
• Реостат

Примечания по охране труда и технике безопасности

Прочтите наше стандартное руководство по охране труда

Процедура

1. Настройте схему, как показано ниже.
2. Используйте регулируемый источник питания и переменный резистор, чтобы изменять разность потенциалов на диоде от 0 В до +0,8 В с интервалами примерно 0,1 В. Запишите пары значений разности потенциалов и тока.
3. Повторите процедуру в диапазоне от 0 В до -4,0 В с интервалом 0,5 В, поменяв местами подключения на диоде.
4. Анализ. Постройте график зависимости тока / A (ось y) от разности потенциалов / V (ось x). Не забудьте указать показания «отрицательного» напряжения.
5. Сопротивление диода при определенном напряжении = разность потенциалов / показание тока.
6. Используйте график для расчета сопротивления диода при различных разностях потенциалов.
7. Опишите, как сопротивление изменяется с разностью потенциалов. Одинаково ли сопротивление диода для «положительных» и «отрицательных» напряжений?
8. Проводимость диода при определенной разности потенциалов = ток / разность потенциалов.
9. Используйте график, чтобы вычислить проводимость диода при нескольких разностях потенциалов.

Учебные заметки

• Цель этого эксперимента — развить уверенность в настройке простых схем и проведении тщательных измерений. Анализ довольно прост, но студентам может потребоваться напоминание о необходимости преобразовать мА в A, где это необходимо.
• Часто утверждают, что сопротивление компонента — это градиент графика V относительно I. Обычно это не так. Сопротивление — это отношение V / I, поэтому лучше всего поощрять студентов использовать соотношение V / I в определенных точках.
• Основной момент здесь в том, что диод пропускает ток только в одном направлении.
• Использование потенциального делителя, как показано ниже, позволит учащимся получить полный диапазон показаний.
• Вы могли бы обсудить миниатюризацию, которая возможна путем создания интегральных схем на полупроводниковой пластине. Студенты, возможно, слышали о законе Мура, в котором соучредитель Intel Гордон Мур предложил тенденцию, согласно которой количество компонентов в интегральной схеме будет примерно удваиваться каждые два года.Он держался с 1972 по 2006 год.
• Этот эксперимент проводится организацией AS / A2 Advancing Physics. Он был переписан для этого веб-сайта Лоуренсом Херклотсом из школы короля Эдуарда VI, Саутгемптон.

Этот эксперимент был проверен на безопасность в январе 2007 г.

Вольт-амперные характеристики полупроводникового датчика оксида металла.

% PDF-1.7 % 1 0 объект > эндобдж 2 0 obj > поток 2017-06-14T17: 33: 01-07: 002017-06-14T17: 33-07: 002017-06-14T17: 33: 01-07: 00Appligent AppendPDF Pro 5.5uuid: 28447aad-a604-11b2-0a00-782dad000000uuid: 2844f787-a604-11b2-0a00-c06d4f66ff7fapplication / pdf

Вольт-амперные характеристики полупроводникового датчика оксида металла.

Prince 9.0 rev 5 (www.princexml.com) AppendPDF Pro 5.5 Ядро Linux 2.6 64-битная 2 октября 2014 Библиотека 10.1.0 конечный поток эндобдж 5 0 obj > эндобдж 3 0 obj > эндобдж 8 0 объект > эндобдж 9 0 объект > эндобдж 10 0 obj > эндобдж 11 0 объект > эндобдж 12 0 объект > эндобдж 13 0 объект > эндобдж 40 0 объект > эндобдж 41 0 объект > эндобдж 42 0 объект > эндобдж 43 0 объект > эндобдж 44 0 объект > эндобдж 65 0 объект > / ProcSet [/ PDF / Text / ImageB] / XObject >>> / Rotate 0 / Type / Page >> эндобдж 66 0 объект > / ProcSet [/ PDF / Text / ImageB] / XObject >>> / Rotate 0 / Type / Page >> эндобдж 67 0 объект > / ProcSet [/ PDF / Text / ImageB] / XObject >>> / Rotate 0 / Type / Page >> эндобдж 68 0 объект > / ProcSet [/ PDF / Text / ImageB] / XObject >>> / Rotate 0 / Type / Page >> эндобдж 69 0 объект > / ProcSet [/ PDF / Text / ImageB] / XObject >>> / Rotate 0 / Type / Page >> эндобдж 95 0 объект > поток HWOHbeg TU «^ N & 1 {朤 o & NB»! $ 0L4p% ӄq FF>? & D,] ߲ rVVChD> 3ʸ $ dN ߉ IE @ RU} xȹ p IK (| j’9J ‘`lqq [Pidx _’m’uC

Диоды — узнать.sparkfun.com

Добавлено в избранное Любимый 63

Реальные характеристики диода

В идеале , диоды будут блокировать любой ток, текущий в обратном направлении, или просто действовать как короткое замыкание, если ток идет вперед. К сожалению, реальное поведение диодов не совсем идеальное. Диоды действительно потребляют некоторое количество энергии при проведении прямого тока, и они не будут блокировать весь обратный ток. Реальные диоды немного сложнее, и все они имеют уникальные характеристики, которые определяют, как они на самом деле работают.

Соотношение тока и напряжения

Наиболее важной характеристикой диода является его вольт-амперная зависимость ( i-v ). Это определяет ток, протекающий через компонент, с учетом того, какое напряжение на нем измеряется. Резисторы, например, имеют простую линейную зависимость i-v … Закон Ома. Кривая i-v диода, однако, не является линейной для . Выглядит это примерно так:

Вольт-амперная зависимость диода.Чтобы преувеличить несколько важных моментов на графике, масштабы как в положительной, так и в отрицательной половине не равны.

В зависимости от приложенного к нему напряжения диод будет работать в одном из трех регионов:

1. Прямое смещение : Когда напряжение на диоде положительное, диод включен, и ток может протекать через него. Напряжение должно быть больше прямого напряжения (V _F ), чтобы ток был значительным.
2. Обратное смещение : Это режим «выключения» диода, при котором напряжение меньше V _F , но больше -V _BR . В этом режиме ток (в основном) заблокирован, а диод выключен. Очень малый ток (порядка нА), называемый током обратного насыщения, может протекать через диод в обратном направлении.
3. Пробой : Когда напряжение, приложенное к диоду, очень большое и отрицательное, большой ток может течь в обратном направлении, от катода к аноду.

прямое напряжение

Чтобы «включиться» и провести ток в прямом направлении, диод требует приложения к нему определенного количества положительного напряжения. Типичное напряжение, необходимое для включения диода, называется прямым напряжением (В _F ). Его также можно было бы назвать напряжением включения или напряжением .

Как мы знаем из кривой i-v , сквозной ток и напряжение на диоде взаимозависимы.Больше тока означает большее напряжение, меньшее напряжение означает меньший ток. Однако, когда напряжение приближается к номинальному прямому напряжению, большое увеличение тока по-прежнему должно означать лишь очень небольшое увеличение напряжения. Если диод полностью проводящий, обычно можно предположить, что напряжение на нем соответствует номинальному прямому напряжению.

Мультиметр с настройкой диода может использоваться для измерения (минимального) прямого падения напряжения на диоде.

Конкретный диод V _F зависит от того, из какого полупроводникового материала он сделан.Обычно кремниевый диод имеет напряжение V _F около 0,6–1 В . Диод на основе германия может быть ниже, около 0,3 В. Тип диода также имеет некоторое значение для определения прямого падения напряжения; светодиоды могут иметь гораздо большее V _F , в то время как диоды Шоттки разработаны специально для того, чтобы иметь гораздо более низкое, чем обычно, прямое напряжение.

Напряжение пробоя

Если к диоду приложить достаточно большое отрицательное напряжение, он поддастся и позволит току течь в обратном направлении.Это большое отрицательное напряжение называется напряжением пробоя . Некоторые диоды на самом деле предназначены для работы в области пробоя, но для большинства нормальных диодов не очень полезно подвергаться воздействию больших отрицательных напряжений.

Для нормальных диодов это напряжение пробоя составляет от -50 В до -100 В или даже более отрицательное.

Таблицы данных диодов

Все вышеперечисленные характеристики должны быть подробно описаны в даташите на каждый диод. Например, в этом техническом описании диода 1N4148 указано максимальное прямое напряжение (1 В) и напряжение пробоя (100 В) (среди множества другой информации):

Таблица данных может даже представить вам хорошо знакомый график вольт-амперной характеристики, чтобы более подробно описать поведение диода.Этот график из таблицы данных диода увеличивает изогнутую переднюю часть кривой i-v . Обратите внимание, как больший ток требует большего напряжения:

Эта диаграмма указывает на еще одну важную характеристику диода — максимальный прямой ток. Как и любой другой компонент, диоды могут рассеивать только определенное количество энергии, прежде чем они взорвутся. На всех диодах должны быть указаны максимальный ток, обратное напряжение и рассеиваемая мощность. Если диод подвергается большему напряжению или току, чем он может выдержать, ожидайте, что он нагреется (или, что еще хуже, расплавится, задымится…).

Некоторые диоды хорошо подходят для больших токов — 1 А или более — другие, например, малосигнальный диод 1N4148, показанный выше, могут подходить только для тока около 200 мА.

---

Этот 1N4148 — лишь крошечная выборка всех существующих типов диодов. Далее мы рассмотрим, какое удивительное разнообразие существует и для какой цели служит каждый тип.

---

← Предыдущая страница
Идеальные диоды

(PDF) Вольт-амперные характеристики полупроводниковых диодов в том виде, в каком они сделаны с большим дефектом

удельное сопротивление, определяемое по формуле

ρ

-1 = (2eni (

µ

n +

µ

p) / 2).Однако физика этих двух материалов сильно различается. Очень важной особенностью релаксационно-подобного материала является то, что два квази-

уровня Ферми сливаются в один в середине запрещенной зоны.

Моделирование

KURATA — это программа, которая учитывает полные электрические уравнения, непрерывность тока

и статистику несущих, здесь статистику Больцмана, и нормальную скорость рекомбинации

поколения [4].

Этот анализ предназначен для кремниевой структуры P + N-N + с 4 × 1012 см-3 мелких доноров (N-).

Контакты P + (1015 см-3) от 0 до 25 мкм и N + (1015 см-3) от 325 до 350

мкм. Мы предполагаем наличие резких металлургических переходов, хотя мы видели, что более реалистичные градиентные переходы

не имеют большого значения, поскольку область перехода в основном истощена. Собственная концентрация носителей

, ni, составляет 1010 см-3.

Мы рассматриваем прогрессию, поскольку плотность центров генерации-рекомбинации

увеличилась со 107 до 1018 см-3.Эти центры g-r не имеют чистой оплаты. Расчеты

также были выполнены для образца с добавлением 1015 см-3 глубоких доноров (DD) при

ET = EV + 0,4 эВ, с глубокими акцепторами (DA) при ET = EC-0,4 эВ, а затем с обоими ловушки. «Глубокая» — это

, определяемая здесь как находящаяся на обратной стороне средней энергии зазора.

Приведенная здесь физическая интерпретация основана на графиках, которые были получены

различных функций, таких как; плотности свободных электронов и дырок, чистая плотность пространственного заряда, электрическое поле

, скорость генерации / рекомбинации и т. д.Для приведенных здесь результатов обратного смещения характеристики

не зависят от дальнего контакта N- / N + и, следовательно, представляют собой полубесконечный случай

. Однако этот «дальний контакт» влияет на характеристики в целом. Мы опишем некоторые из этих эффектов в следующих отчетах. Эффект «пробоя» при прямом смещении

зависит от этого дальнего контакта.

Результаты моделирования показаны на рисунке 1 для случая без глубоких уровней.

На рисунке 2 показаны некоторые экспериментальные результаты для облученных кремниевых диодов, которые стали

очень дефектными. Рисунок 3 представляет собой типичный результат для диода из полуизолирующего GaAs. Результаты

представлены для вольт-амперных характеристик на логарифмических осях с наложенными прямыми и обратными кривыми

. Плотность центров g-r, Ngr, является параметром, и на Рисунке 1 она

увеличивается с шагом декады от 107 до 1018 см-3, а кривые постепенно движутся вверх.

На рисунке 1 меньшая чувствительность к центральной плотности g-r при низких и высоких значениях.

Для сравнения показаны также значимые омические линии Rs, верхняя линия и Rmax. Эти

рассчитаны для всего материала между высоколегированными контактами либо с нормальным сопротивлением

нейтрального омического материала, либо с максимальным сопротивлением.

Для очень низкой плотности центров g-r прямой и обратный токи следуют за идеальным диффузионным током

, а обратный ток достигает насыщения.Кривые расходятся при V = kT / e

(0,04 В). Это выводится из баланса энергии в уравнениях (1) и (4), но также представляет

— напряжение, ниже которого преобладают встроенное напряжение и его область истощения. Выше

Ngr ~ 109 см-3 ток генерации становится значительным, и изменение V½ наблюдается в обратном смещении

. Он насыщается при полном истощении, которое в данном случае находится на пределе 200 В.

Кривые перемещаются вверх по мере увеличения плотности центров g-r примерно пропорционально Ngr как

, определяемое уравнениями (4), (5) и (6).Проводимость при нулевом напряжении также масштабируется с Ngr, как в

(6).

При высоких значениях Ngr две омические линии обеспечивают основу для характеристик.

При нулевом напряжении сопротивление — это сопротивление в области истощения, создаваемое встроенным напряжением

. Обратная характеристика ограничивается значением Rmax при полном истощении.

При более низких обратных напряжениях ток выше, поскольку устройство представляет собой последовательную комбинацию характеристик тока / напряжения

— омического проводника, полупроводникового диода, лампы накаливания и закона Ома

.

Резистор при постоянной температуре (омический провод)

Ток прямо пропорционален разности потенциалов.Удвоение разности потенциалов удваивает ток в цепи. Сопротивление осталось прежним. Построение графика зависимости разности потенциалов от тока дает прямую линию, проходящую через начало координат (0,0).

Закон Ома

«Электрический ток в проводнике пропорционален приложенной к нему разности потенциалов, при условии, что температура остается прежней».

В = ИК

Разность потенциалов = ток x сопротивление

(В, вольт В) (I, амперы A) (R, Ом Вт)

Измерение тока и разности потенциалов

Ток измеряется амперметром, амперметры всегда подключаются последовательно с интересующим компонентом.

Разность потенциалов измеряется с помощью вольтметра, вольтметры подключаются параллельно интересующему компоненту.

Измеряя силу тока и разность потенциалов, вы можете рассчитать сопротивление.

Лампа накаливания

Здесь график изгибается, потому что по мере нагрева нити ее сопротивление увеличивается (сопротивление нити меняется).

А диод

Диод позволяет току течь через него только в одном направлении (с прямым смещением), когда ток пытается течь в другом направлении (с обратным смещением), ток не может течь через диод.

Когда диод смещен в обратном направлении, если мы продолжаем увеличивать разность потенциалов, диод в конечном итоге начнет проводить в обратном направлении, это называется напряжением пробоя.

Термистор

Сопротивление термистора уменьшается при повышении температуры.

Термисторы

могут использоваться в качестве термостатов, термисторы используются в схемах, которые контролируют и регулируют температуру в комнатах, морозильниках, холодильниках и т. Д.

Термисторы

могут иметь положительный или отрицательный температурный коэффициент . Отрицательный температурный коэффициент означает, что его сопротивление уменьшается с повышением температуры, это вызвано высвобождением дополнительных носителей заряда в термисторе.

LDR — Светозависимый резистор

Сопротивление LDR уменьшается по мере увеличения интенсивности падающего на него света.

LDR используются в цепях, которые автоматически включают свет, когда становится темно, например, уличное освещение.

Полупроводниковый прибор

| электроника | Britannica

Полупроводниковые материалы

Твердотельные материалы обычно делятся на три класса: изоляторы, полупроводники и проводники. (При низких температурах некоторые проводники, полупроводники и изоляторы могут стать сверхпроводниками.) На рисунке 1 показаны удельные проводимости σ (и соответствующие удельные сопротивления ρ = 1 / σ), которые связаны с некоторыми важными материалами каждого из трех классов. Изоляторы, такие как плавленый кварц и стекло, имеют очень низкую проводимость, порядка от 10 ^-18 до 10 ^-10 сименс на сантиметр; а проводники, такие как алюминий, имеют высокую проводимость, обычно от 10 ⁴ до 10 ⁶ сименс на сантиметр.Электропроводность полупроводников находится между этими крайними значениями.

Проводимость полупроводника обычно чувствительна к температуре, освещению, магнитным полям и незначительным количествам примесных атомов. Например, добавление менее 0,01 процента примеси конкретного типа может увеличить электрическую проводимость полупроводника на четыре или более порядков (, то есть в 10000 раз). Диапазоны проводимости полупроводников за счет примесных атомов для пяти распространенных полупроводников приведены на рисунке 1.

Изучение полупроводниковых материалов началось в начале 19 века. За прошедшие годы было исследовано множество полупроводников. В таблице показана часть периодической таблицы, относящаяся к полупроводникам. Элементарные полупроводники состоят из отдельных видов атомов, таких как кремний (Si), германий (Ge) и серое олово (Sn) в столбце IV и селен (Se) и теллур (Te) в столбце VI. Однако существует множество сложных полупроводников, состоящих из двух или более элементов.Например, арсенид галлия (GaAs) представляет собой бинарное соединение III-V, которое представляет собой комбинацию галлия (Ga) из колонки III и мышьяка (As) из колонки V.

Получите подписку Britannica Premium и получите доступ к эксклюзивному контенту. Подпишитесь сейчас

Часть периодической таблицы элементов, относящихся к полупроводникам

период	столбец
	II	III	IV	V	VI
2		бор B	углерод C	азот N
3	магний мг	алюминий Al	кремний Si	фосфор P	сера S
4	цинк Zn	галлий Ga	германий Ge	мышьяк As	селен Se
5	кадмий Cd	индий В	олово Sn	сурьма Sb	теллур Te
6	ртуть Hg		свинец Pb

Тройные соединения могут быть образованы элементами из трех разных колонок, как, например, теллурид ртути и индия (HgIn ₂ Te ₄ ), соединение II-III-VI.Они также могут быть образованы элементами из двух столбцов, такими как арсенид алюминия-галлия (Al _x Ga _{1 — x} As), который представляет собой тройное соединение III-V, где как Al, так и Ga происходят из столбец III и нижний индекс x относятся к составу двух элементов от 100 процентов Al ( x = 1) до 100 процентов Ga ( x = 0). Чистый кремний является наиболее важным материалом для применения в интегральных схемах, а бинарные и тройные соединения III-V являются наиболее важными для излучения света.

До изобретения биполярного транзистора в 1947 году полупроводники использовались только как двухполюсные устройства, такие как выпрямители и фотодиоды. В начале 1950-х годов германий был основным полупроводниковым материалом. Однако он оказался непригодным для многих применений, поскольку устройства, изготовленные из этого материала, демонстрируют высокие токи утечки только при умеренно повышенных температурах. С начала 1960-х годов кремний стал практическим заменителем, фактически вытеснив германий в качестве материала для производства полупроводников.Для этого есть две основные причины: (1) кремниевые устройства имеют гораздо более низкие токи утечки и (2) высококачественный диоксид кремния (SiO ₂ ), который является изолятором, легко производить. Кремниевая технология в настоящее время является самой передовой среди всех полупроводниковых технологий, а устройства на основе кремния составляют более 95 процентов всего полупроводникового оборудования, продаваемого во всем мире.

Многие сложные полупроводники обладают электрическими и оптическими свойствами, отсутствующими у кремния.Эти полупроводники, особенно арсенид галлия, используются в основном для высокоскоростных и оптоэлектронных приложений.

Электронные свойства

Полупроводниковые материалы, рассматриваемые здесь, представляют собой монокристаллы — т. Е. атомов расположены в трехмерном периодическом порядке. На рис. 2А показано упрощенное двумерное представление кристалла собственного кремния, который очень чистый и содержит пренебрежимо малое количество примесей. Каждый атом кремния в кристалле окружен четырьмя ближайшими соседями.Каждый атом имеет четыре электрона на своей внешней орбите и делит эти электроны со своими четырьмя соседями. Каждая общая электронная пара представляет собой ковалентную связь. Сила притяжения электронов обоими ядрами удерживает два атома вместе.

При низких температурах электроны связаны в своих соответствующих положениях в кристалле; следовательно, они недоступны для электропроводности. При более высоких температурах тепловая вибрация может разрушить некоторые ковалентные связи. Разрыв связи дает свободный электрон, который может участвовать в проводимости тока.Как только электрон удаляется от ковалентной связи, в этой связи возникает недостаток электронов. Этот недостаток может быть восполнен одним из соседних электронов, что приводит к смещению местоположения недостатка с одного сайта на другой. Таким образом, этот недостаток можно рассматривать как частицу, подобную электрону. Эта фиктивная частица, названная дыркой, несет положительный заряд и движется под действием приложенного электрического поля в направлении, противоположном направлению движения электрона.

Для изолированного атома электроны атома могут иметь только дискретные уровни энергии.Когда большое количество атомов объединяется, чтобы сформировать кристалл, взаимодействие между атомами заставляет дискретные уровни энергии расширяться в энергетические зоны. Когда отсутствует тепловая вибрация (, т.е. при низкой температуре), электроны в полупроводнике полностью заполняют ряд энергетических зон, оставляя остальные энергетические зоны пустыми. Полоса с самым высоким заполнением называется валентной полосой. Следующая более высокая зона — это зона проводимости, которая отделена от валентной зоны запрещенной зоной.Эта запрещенная зона, также называемая запрещенной зоной, представляет собой область, обозначающую энергии, которыми электроны в полупроводнике не могут обладать. Большинство важных полупроводников имеют ширину запрещенной зоны от 0,25 до 2,5 эВ. Ширина запрещенной зоны кремния, например, составляет 1,12 эВ, а ширина запрещенной зоны арсенида галлия — 1,42 эВ.

Как обсуждалось выше, при конечных температурах тепловые колебания разрывают некоторые связи. Когда связь разрывается, свободный электрон вместе со свободной дыркой дает , то есть : электрон обладает достаточной тепловой энергией, чтобы пересечь запрещенную зону в зону проводимости, оставляя дырку в валентной зоне.Когда к полупроводнику прикладывают электрическое поле, как электроны в зоне проводимости, так и дырки в валентной зоне получают кинетическую энергию и проводят электричество. Электропроводность материала зависит от количества носителей заряда (, т. Е. свободных электронов и свободных дырок) в единице объема и от скорости, с которой эти носители перемещаются под действием электрического поля. В собственном полупроводнике существует равное количество свободных электронов и свободных дырок.Однако электроны и дырки обладают разной подвижностью, то есть они движутся с разными скоростями в электрическом поле. Например, для собственного кремния при комнатной температуре подвижность электронов составляет 1500 квадратных сантиметров на вольт-секунду (см ² / В · с) — , т.е. электрон будет двигаться со скоростью 1500 сантиметров в секунду под действием электрического поле в один вольт на сантиметр — при подвижности дырок 500 см ² / В · с. Подвижности данного полупроводника обычно уменьшаются с повышением температуры или с увеличением концентрации примесей.

Электрическая проводимость в собственных полупроводниках довольно низкая при комнатной температуре. Чтобы добиться более высокой проводимости, можно намеренно ввести примеси (обычно до концентрации одной части на миллион атомов хозяина). Это так называемый процесс допинга. Например, когда атом кремния заменяется атомом с пятью внешними электронами, такими как мышьяк (рис. 2C), четыре электрона образуют ковалентные связи с четырьмя соседними атомами кремния. Пятый электрон становится электроном проводимости, который «дарится» зоне проводимости.Кремний становится полупроводником типа n из-за добавления электрона. Атом мышьяка является донором. Точно так же на рисунке 2C показано, что, когда атом с тремя внешними электронами, такими как бор, заменяется атомом кремния, дополнительный электрон «принимается» для образования четырех ковалентных связей вокруг атома бора, и в атоме бора создается положительно заряженная дырка. валентная полоса. Это полупроводник типа p , в котором бор является акцептором.

Вольт-амперная характеристика, Справка по назначению, диод

Вольт-амперная характеристика

Поведение полупроводникового диода в цепи может быть определено его вольт-амперной характеристикой или графиком ВАХ (график приведен ниже).Форма кривой может определяться транспортировкой носителей заряда через обедненный слой или обедненную область, которая существует на p-n-переходе между различными полупроводниками. Когда p-n-переход создается впервые, электроны в зоне проводимости (подвижные) из области с примесью азота диффундируют в область с примесью фосфора, где имеется большое количество дырок (свободных мест для электронов), с которыми электроны объединяются. Когда мобильный электрон рекомбинирует с дыркой, дырка и электрон оба исчезают, оставляя неподвижный положительно заряженный донор (допант) на N-стороне и отрицательно заряженный акцептор (допант) на P-стороне.Область вокруг p-n-перехода становится обедненной носителями заряда и поэтому ведет себя как изолятор.

Но ширина области истощения (называемая шириной истощения) не может расти без ограничений. Для каждой пары электрон-дырка, которая рекомбинирует, положительно заряженный ион легирующей примеси остается в области с примесью азота, а отрицательно заряженный ион легирующей примеси остается в области с примесью фосфора. По мере того, как рекомбинация прогрессирует, генерируется все больше ионов, через зону обеднения возникает увеличивающееся электрическое поле, которое замедляет, а затем, наконец, останавливает рекомбинацию.На этом этапе существует встроенный потенциал в зоне истощения.

Если внешнее напряжение подается на диод с той же полярностью, что и встроенный потенциал, зона обеднения продолжает вести себя как изолятор, предотвращая любой важный электрический ток (если только электронно-дырочные пары не создаются активно в переходе посредством: таких как свет. Это явление обратного смещения. Однако, если полярность внешнего напряжения противоположна встроенному потенциалу, рекомбинация может снова прогрессировать, что приводит к значительному электрическому току через pn-переход (то есть значительное количество электронов и дырки рекомбинируют на стыке).Для кремниевых диодов встроенный потенциал составляет примерно 0,7 В (0,3 В для германия и 0,2 В для Шоттки). Следовательно, если через диод проходит внешний ток, через диод будет развиваться около 0,7 В, так что область, легированная P, будет положительной по сравнению с областью, легированной N, и диод, как говорят, включен, поскольку он имеет прямую предвзятость.

Рисунок — ВАХ диода P-N перехода.

«ВАХ» диода можно приблизительно определить для четырех рабочих областей (см. Рисунок справа).

При довольно большом обратном смещении, за пределами пикового обратного напряжения или PIV, происходит процесс, называемый обратным пробоем, который вызывает большое увеличение тока (то есть большое количество электронов и дырок создается в PN-переходе и удаляется от него) что обычно приводит к необратимому повреждению устройства. Лавинный диод специально разработан для использования в лавиноопасных зонах. В стабилитроне концепция PIV не применима. Стабилитрон содержит сильно легированный pn переход, позволяющий электронам туннелировать из валентной зоны материала p-типа в зону проводимости материала n-типа, так что обратное напряжение фиксируется до известного значения (называемого напряжением стабилитрона). ), и лавины не происходит.Оба устройства имеют ограничение на максимальный ток и мощность в фиксированной области обратного напряжения. Кроме того, после завершения прямой проводимости в любом диоде на короткое время возникает обратный ток. Устройство не достигает своей полной блокирующей способности, пока не прекратится обратный ток.

Вторая область с обратным смещением более положительным, чем PIV, имеет только небольшой обратный ток насыщения. В области обратного смещения для нормального выпрямительного диода P-N ток через устройство довольно низкий (в диапазоне мкА).Однако это зависит от температуры, и при достаточно высоких температурах может наблюдаться значительная величина обратного тока (мА или более).

Третья область — прямое, но с небольшим смещением, где проводится только небольшой прямой ток.

По мере того, как разность потенциалов увеличивается выше произвольно определенного ограничения напряжения или напряжения или прямого падения напряжения на диоде (обозначается Vd), ток диода становится заметным (уровень тока считается значительным, а значение напряжения включения зависит от приложение), а диод имеет очень низкое сопротивление.Вольт-амперная кривая имеет экспоненциальный характер. В обычном кремниевом диоде при номинальных токах произвольное отключение напряжения может быть определено от 0,6 до 0,7 вольт. Значение отличается для других типов диодов — диоды Шоттки могут иметь номинальное значение до 0,2 В, германиевые диоды от 0,25 до 0,3 В, а красные или синие светоизлучающие диоды (светодиоды) могут иметь значения 1,4 В и 4,0 В соответственно.

При больших токах прямое падение напряжения на диоде увеличивается. Падение от 1 В до 1,5 В характерно для силовых диодов при полном номинальном токе.

Электроника на основе электронной почты Помощь в назначении устройств и схем — помощь в выполнении домашних заданий в Expertsmind

Вы ищете специалиста по электронной инженерии, чтобы получить помощь по вопросам вольт-амперных характеристик? Неужели тему вольт-амперной характеристики разучить без посторонней помощи не легче? На сайте www.expertsmind.com мы предлагаем бесплатные конспекты лекций по помощи в назначении электронных устройств и схем и помощи в домашних заданиях по электронным устройствам и схемам.