ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК И ПАРАМЕТРОВ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ДИОДОВ

Главными свойствами, обуславливающими широкое применение электронных устройств, является высокая чувствительность, большое быстродействие и универсальность.

Чувствительностьэлектронных устройств, называемая пороговой, определяется абсолютным значением входной величины, при котором они начинают работать. Пороговая чувствительность современных электронных устройств составляет: 10^-17 А по току, 10^-13 по напряжению,10^-24 Вт по мощности.

Быстродействие электронных устройств имеет важное значение при автоматическом регулировании, контроле и управлении быстропротекающими процессами, достигающих долей микросекунды.

Универсальностьзаключается в том, что в электрическую энергию, на изменении которой основано действие всех видов электронных приборов, сравнительно легко преобразуются в другие виды энергии: механическая, тепловая, акустическая, атомная и др. Подобная универсальность очень важна для промышленной электроники, так как в промышленности используются все виды энергии.

Для проводников не существует запретной зоны. В полупроводнике ширина запретной зоны около 3 эВ. У диэлектриков ширина запретной зоны около 12 эВ. В результате электрон не может преодолеть запрещенную зону, поэтому тока в диэлектрике не существует до напряжения пробоя. Свойства материала (проводимость) зависят от внешних условий (t°, поглощение различных излучений). При увеличении t⁰, сопротивление в проводнике увеличивается, а в полупроводниках - уменьшается.

При 0⁰ К движения нет; все материалы — диэлектрики, но при 4⁰ К наблюдается явление сверхпроводимости. Чем больше t°, тем больше энергия, тем больше проводимость. Проводимость увеличивается в 2 раза при изменении t° на 10°. Для снижения температурной зависимости существуют примеси. Пример полупроводников Ge, In, Si, арсенид Ga. Пример донорной примеси: Sb, As, B. Примесь добавляется в соотношении 1: 1000000.

Электрон в атоме двигается за счёт диффузии и за счёт электромагнитного поля. Существует дрейфовый и диффузионный токи.

Полупроводник, получивший донорную примесь, называется полупроводником n-типа (основной носитель заряда - электрон). С точки зрения квантовой теории скорость движения дырки и электрона одинаковы. На практике длина свободного пролета электрона в два раза больше, чем у дырки, поэтому полупроводники n-типа являются более высокочастотными и применяются чаще.

Полупроводник, получивший акцепторную примесь, называется полупроводником p-типа (основной носитель заряда - дырка).

Принцип действия диода основан на свойствах p-n-переходов, образуемых в результате полупроводников с различным типом проводимости или контакта полупроводника с металлом (диод Шотки).

Р-n переход.В основу действия р-n перехода полупроводниковых диодов положен принцип действия р-n перехода, который получается в результате внедрения в полупроводник различных типов примесей (донорную и акцепторную). В результате диффузии на границе раздела образуется р-n переход с объемным зарядом и напряженностью Е.

Свойства р-n перехода. При соединении полупроводников с различными типами проводимости идет диффузия основных носителей зарядов в прилегающей к границе области с противоположным типом проводимости. Процесс будет идти, пока не возникнет объемный заряд р-n перехода, уравновешивающий объемные заряды полупроводников. На границе возникает потенциальный барьер, величина которого будет определяться внешним электрическим полем. Рассматривая зависимость тока от внешнего приложенного напряжения U , получим:

, (1.1)

где I-ток, протекающий через диод;

-тепловой ток;

-тепловой потенциал.

Важным параметром р-n перехода является дифференциальное сопротивление

. (1.2)

Временные характеристики р-n перехода. При прямом включении р-n перехода идет процесс накопления неосновных носителей заряда и заряда емкости р-n перехода. После смены полярности питающего напряжения направление тока через переход изменится, а его значение будет характеризоваться переходом неосновных носителей заряда под действием внешнего электрического поля. Это время называют временем рассасывания неосновных носителей заряда в базе, т.к. база характеризуется более высоким удельным сопротивлением, чем эмиттер. В качестве базы могут выступать как анод, так и катод. По окончании идет перезаряд емкости р-n перехода. Перезаряд описывается экспоненциальным законом, и время заряда характеризуется постоянной времени цепи .

,

где R-суммарное сопротивление внешней цепи и дифференциального сопротивления полупроводника; С-емкость р-n перехода.

Процесс считается завершенным, если его время . Тогда величина тока или напряжения достигает 0.96 от установившегося значения. Для ускорения процесса перехода от закрытого состояния в открытое, и наоборот, нужно уменьшить время рассасывания неосновных носителей заряда. Это осуществляется путем подключения диодов Шоттки кр-n переходу.