02 Динамические характеристики p-n переходов (Лабораторный практикум)

Для исследования динамических характеристик p-n переходов в работе используются полупроводниковые (Ge , Si) диоды. В основе идеализированной модели диода для большого сигнала лежит модель p-n перехода, представленная эквивалентной схемой ( рис.1)

Рисунок 1.

На схеме диод VD моделируется вольт-амперной характеристикой (ВАХ), описываемой формулой I=I₀[exp(u/φ_T) – 1], где I₀ – тепловой ток; u–напряжение на переходе; φ_T = кТ/q – тепловой потенциал; k – постоянная Больцмана; Т – абсолютная температура; q – заряд электрона; φ_T = 0,026 В при Т = 300 К.

Тепловой ток I₀ и сопротивление базы r_Б являются статическими параметрами, а барьерная С_бар и диффузная С_дф емкости – динамическими параметрами диода.

Динамические параметры зависят от напряжения u на диоде VD.

Диффузионная емкость существенна при прямом напряжении и может быть выражена через ток диода: ,

где τ_эф – эффективное время жизни неосновных носителей заряда в базе диода. Оно определяется экспериментально на специальной установке (рисунок 2).

Рисунок 2.

От генератора импульсов (ГИ) на исследуемый диод VD1 через токоограничительное сопротивление R1 и вспомогательный быстродействующий диод VD2 (с пренебрежимо малым по сравнению с VD1 временем восстановления обратного сопротивления) поступают положительные импульсы напряжения с амплитудой U_ги. Изменение напряжения на диоде VD1 во времени U_VD1(t) наблюдаются на осциллографе.

В момент времени t₁ подается импульс напряжения и через некоторое время устанавливаются на диоде ток и напряжение, определяемые статическим режимом. В момент времени t₂ напряжение на генераторе падает до нуля и начинается переходной процесс снижения напряжения на диоде VD1. Диод VD2 практически мгновенно запирается, отключая генератор импульсов от диода VD1. Ток через диод VD1 скачком уменьшается на величину I_пр = U_ги/ R1, а напряжение на диоде U_VD1 скачком уменьшается на величину ΔU = r_Б·U_ги/R₁. Следовательно, сопротивление базы может быть определено не только из статических характеристик, но и из импульсных измерений при известных U_ги и R₁. При t₂<t<t₃ напряжение на диоде остается прямым и медленно уменьшается за счет рассасывания накопленных в базе неосновных носителей заряда. Эффективное время жизни носителей заряда в базе диода определяется по формуле: , где δU и δt находятся в соответствии с рисунком 3.

При t>t₃ диффузионная емкость уменьшается, основной становится барьерная емкость, и процесс разряда резко увеличивается.

Измерение барьерной емкости происходит на специальной установке.

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

1. Поставить исследуемый диод в установку для измерения времени жизни носителей заряда в базе диода. Изменяя амплитуду импульса U_ги генератора импульсов, установить прямой ток I_пр=10 мА (U_ги=40 В, так как R₁=4кОм). Рекомендуемый масштаб по оси напряжений на экране осциллографа – 0,05 В/дел. Временная диаграмма напряжения на диоде показана на рисунке 3.

Рисунок 3.

Скачок _ΔU=r_б·I_пр обусловлен уменьшением падения напряжения на сопротивлении базы при изменении тока от I_пр до 0 в момент прохождения заднего фронта импульса. После окончания импульса происходит разряд диффузионной ёмкости. Зарисовать осциллограмму напряжения на диоде с указанием масштабов по осям. Найти сопротивление базы по формуле r_б = _ΔU/ I_пр и сравнить его со значением r_б1, найденным ранее.

2. По осциллограмме найти эффективное время жизни носителей заряда в базе диода. Для этого на экране осциллографа "крупным планом" установить картинку, соответствующую интервалу времени t₂-t₃, и, выбрав на нем линейный участок, удобный для измерения интервал времени t, определить соответствующий ему интервал напряжений U. Рассчитать эффективное время жизни носителей заряда в базе диода по формуле:

3. Рассчитать диффузионную емкость диода для прямого тока 10 мА по формуле: .

4. Присоединить диод к установке для измерения барьерной емкости и снять вольт-фарадную характеристику диода в диапазоне обратных напряжений 0…10 В. Рекомендуемые значения напряжений 0; -1; -3; -6;
-10 В. Для каждого значения напряжения ручкой R_бал (сопротивление балансировки) получить минимальное показание стрелочного прибора "Индикатор" и отсчитать значение емкости по лимбу "Отсчет". Построить вольт-фарадную характеристику диода.

Форма вольт-фарадной характеристики диода определяется законом распределения примесей в p-n переходе и аппроксимируется зависимостью:

п =.2…1– параметр, зависящий от типа p-n перехода (n=0,5 В для ступенчатого распределения примесей; n=0,3 В для линейного распределения примесей),

φ₀ = 1 В – высота потенциального барьера перехода.

Параметр n определить методом наименьших квадратов по формуле:

,

где U_i –значения напряжений (отрицательные), выбранных при измерениях вольт-фарадной характеристики диода.

ОТЧЕТ

по лабораторной работе студент:

группа:

дата:

тема: ИЗУЧЕНИЕ ДИНАМИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК p-n ПЕРЕХОДОВ

1. Схема эксперимента.

1. Временная диаграмма напряжения на диоде.

1. Расчет параметров по временной диаграмме.

сопротивление базы r­_б= _ΔU/ I_пр=

эффективное время жизни носителей

1. Диффузионная емкость диода при прямом токе 10mA.

=

1. Вольт-фарадная характеристика (ВФХ) диода.

1. Определение типа p-n перехода по параметру n.

Тип перехода:

7