Исследование импульсных диодов

Министерство  образования Республики Беларусь

Учреждение  образования

«Брестский государственный технический университет»

Кафедра ЭВМ и С

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Лабораторная работа №1

«Исследование импульсных диодов»

 

 

 

 

 

 

 

Выполнили:

студенты 2 курса

факультета электронно-

информационных систем

группы ПЭ-11

                Борисюк Татьяна

Кохнович Сергей

Кисляк Александр

 

                                                                                                                          Проверил:

Тарасенко В.Е.

 

 

 

 

 

 

 

Брест, 2012

Цель работы:

Целью работы являются исследование полупроводниковых диодов в импульсном режиме: включение диода, отключение диода и переключение на обратное напряжение, экспериментальное определение основных параметров импульсных диодов, ознакомление с их классификацией, изучение конструкции и принципа действия диодов Шоттки.

Краткие теоритические  сведения:

При изменении напряжения на диоде и тока через диод соответствующим  образом  изменяются ширина р-п перехода и распределение подвижных зарядов (электронов и дырок) в приграничных к р-п переходу областях. При изменении тока (или напряжения) новое распределение зарядов устанавливается не мгновенно, а в течение определенного времени. Инерционные свойства полупроводниковых: диодов характеризуется длительностью происходящих в них переходных процессов в импульсном режиме - при переходе из проводящего состояния в непроводящее и обратно.

Импульсные полупроводниковые диоды - это диоды, предназначенные для работы в импульсном режиме и имеющие малую длительность переходных процессов.

При малых токах, перезаряжающих барьерную емкость («по характерно при переключении диода на обратное напряжение), процесс  перезаряда емкости через внешнее и внутреннее сопротивления может быть длительным, а это приводит к замедлению перехода диода из проводящего состояния в непроводящее.

 

Эквивалентная мало сигнальная схема диода (рис.1) содержит:

Сбар  - барьерная ёмкость р-п перехода,

rпер - дифференциальное сопротивление р-п перехода,

rБ   - объёмное сопротивление базы несимметричного перехода.

Общее напряжение на диоде содержит два  составляющих: напряжение на переходе Uпер и падение напряжения на rБ   :

UrБ  = Iq - rБ   . При достаточно больших прямых токах дифференциальное сопротивление r пер = Фт /Iпр   мало, влияние емкости Сбар

Можно не учитывать. Переходные процессы в  диоде обусловлены модуляцией (изменением) сопротивления rБ. При обратном включении диода из-за малости протекающих токов влияние rБ несущественно, определенную роль играют процессы рассасывания зарядов в базе и перезаряд Сбар.

Максимальное  прямое напряжение на диоде Uпр и при заданной амплитуде прямого тока называется импульсным прямым напряжением. Время tуст , в течение которого прямое напряжение уменьшается то максимального до величины I, 2 от установившегося Uпр , называют временем установления прямого сопротивления (напряжения).

В режиме отключения прямой ток резко уменьшается  да нуля, напряжение на диоде за счет накопленного заряда в базе в течение переходного процесса отличается от нуля. Временные диаграммы сигналов и графики Pn (x, t) приведены на рис.4 и 5.

В начальный  момент времени t0 при отключении прямого тока напряжение на диоде уменьшается на величину Iпр* rБ . Уменьшение концентрации накопленных дырок в базе происходит за счет рекомбинации с электронами. В условиях отсутствия тока через р-п переход значение градиента концентрации на границе с переходом равно нулю, а функции    Pn (x, t) проходят горизонтально.

При переключении диода на обратное напряжение за счет накопления заряда в базе, диод в  течение времени переходного  процесса остаётся в проводящем состоянии. Через диод протекают импульсный обратный ток I_обр.н. , амплитуда которого может на несколько порядков превышать статический обратный ток, постоянно уменьшаются до установившегося значения I_{обр. уст.} .

 

Этап рассасывания длится до тех пор, пока граничная концентрация неосновных носителей р_п(0,t) превышает равновесную р_п0. В течение этого этапа на диоде сохраняется малое напряжение. Длительность этапа рассасывания t_p при переключении значительно меньше, чем при отключении диода, так как дырки уходят из базы через р-п переход. Скорость уменьшения концентрации дырок зависит от времени жизни и от величины импульсного обратного тока I_обр.и .

 Величина импульсного обратного  тока определяется сопротивлением  внешнего резистора R_обр , а при его отсутствии – сопротивлением r_б диода.

 

На этапе рассасывания заряда при постоянстве I_обр градиент концентрации Рп(х, i)при Х=0 сохраняется постоянным – графики для t₁ и t₂ на рис.7.

Обратное сопротивление диода, восстанавливается, а напряжение на диоде увеличивается до U_обр .  Установившееся напряжение на диоде U_обр практически равно напряжению источника сигнала, так как практически всегда падение напряжения на внешнем резисторе из-за протекания установившегося тока пренебрежимо мало:

Область пространственного  заряда имеет размеры порядка  долей микрон и обладает большим  сопротивлением по сравнению со слоями полупроводника и металла.

Диоды Шоттки по сравнению с кремниевыми диодами на основе р-п переходов имеют меньшее прямое напряжение, больший обратный ток и экспоненциальную зависимость прямого тока от напряжения в широком диапазоне токов из-за отсутствия тока рекомбинации.

Особенностью диодов Шоттки является отсутствие инжекции и накопления неосновных зарядов в соответствующих слоях полупроводника.

Для диодов Шоттки основным параметром, характеризующим быстродействие, является время жизни неравновесных (неосновных) носителей заряда и барьерная емкость

Схема эксперимента:

Величина прямого тока I_пр исследуемого диода VD1 определяется внешним сопротивлением R_пр и амплитудой положительного напряжения генератора импульсов. Генератор вырабатывает двух полярные  импульсы, поэтому для задания режима отключения используется диод VD2 , отсекающий отрицательный импульс напряжения генератора. Резистор R_обр (заданной величины) подключается только при исследовании режима переключения. Диод VD2 позволяет при этом обеспечить требуемое соотношение I_пр   и I_обр .

 

Все измерения  и исследования переходных процессов  проводятся с помощью двухканального осциллографа. Для наблюдения и измерения  тока через диод используется низкоомный резистор R=10 Ом, напряжение на котором пропорционально I_g .

Задание прямого тока осуществляется регулировкой E_г , при этом току I мА соответствует амплитуда напряжения на резисторе R  10 мВ. Масштаб усилителя вертикального отклонения первого канала для наблюдения и измерения U_g (t) должен быть 50÷100 мВ/см при исследовании режимов включения и отключения и 2-5 В/см в режиме переключения, Масштаб усилителя второго канала  для наблюдения тока I_g (t) должен быть не более 20÷50 мВ/см.  Скорость развертки должна быть такой, чтобы переходные процессы напряжения U_g (t) полностью помещались на экране осциллографа.

Ход работы:

1. Исследуем переходные процессы в диоде в режиме включения на прямой ток.