Измерение вольтамперной характеристики (ВАХ)

Принципиальная схема установки для измерения параметров полупроводниковых диодов и стабилитрона изображена на рис. 16.11.

 

Рис. 16.11. Принципиальная схема для измерений вольтамперной характеристики (ВАХ) диодов

 

Установка ФПК-06 (см. Прил. 1) состоит из измерительного устройства, к гнезду которого присоединяется блок с диодами и стабилитроном. Выбор нужного диода или стабилитрона осуществляется переключателем образцов на передней панели блока, в положении “0” все образцы отключены. В измерительном устройстве применена однокристальная ЭВМ с дополнительными устройствами, позволяющими производить установку величины и полярности напряжения, подаваемого на p - n-переход образца, измерение тока через него и емкости в зависимости от приложенного напряжения. На передней панели измерительного устройства размещены кнопки управления, индикаторы режимов работы (светодиоды) и индикаторы значений напряжения и тока или емкости. Выключатель сети расположен на задней стенке измерительного устройства.

Измерьте термометром температуру в помещении и выполните электрические измерения в следующем порядке:

1. Включите установку, дайте ей прогреться в течение 5 мин.

2. Выберите переключателем тип диода − Д9К, кнопками “ВАХ-ВФХ” и “ПРЯМАЯ-ОБРАТНАЯ” переключите установку в режим снятия прямой ВАХ, при этом должны засветиться индикаторы “ВАХ” и “ПРЯМАЯ”.

3. Устанавливая с помощью кнопок “+” и “−“ необходимые значения напряжения, записывайте значения напряжения и тока в табл. 16.2. Единицы измерения тока (мА или мкА) указываются светодиодами индикатора.

4. Переключите установку в режим снятия обратной ВАХ, убедитесь в отсутствии обратного тока (что он меньше предела измерений). По окончании измерения нажмите кнопку “СБРОС”.

 

Таблица 16.2

№	Прямые ВАХ						Обратная ВАХ
	Диод Д9К		Диод КД-521 или КД-226		Стабилитрон КС133А
	U	I	U	I	U	I	U	I
1
2
…

 

5. Повторите измерения п. 3 и 4 с одним из двух диодов КД-521 или
КД-226 (по указанию преподавателя).

6. Повторите измерения прямой и обратной ВАХ для стабилитрона КС133А.

7. По полученным данным постройте графики зависимости тока от напряжения (ВАХ). Сравните результаты с рис. 16.8б, определите, на основе какого полупроводника – кремния или германия, сделаны исследуемые диоды и стабилитрон.

8. Для диода Д9К для прямого напряжения с U > 0.2 В постройте точками график зависимости

.                                (16.15)

Проведите сглаживающую прямую (линейную регрессию)

,                       (16.16)

найдите значения коэффициентов А и В. Из равенства  найдите ток неосновных носителей заряда.

9. Используя измеренное значение температуры, вычислите теоретическое значение коэффициента , сравните его с значением В, найденным экспериментально.

 

Стабилитроны

 

При достижении обратного напряжения на стабилитроне, называемого напряжением стабилизации U_стаб, ток через стабилитрон резко возрастает (см. рис. 16.12). В результате приложенное напряжение не может превзойти значения U_стаб. В электрических цепях это используется для ограничения (стабилизации) напряжения (отсюда возникло название стабилитрон). Типичная вольтамперная характеристика (ВАХ) стабилитрона показана на рис. 16.12. Различают два физических механизма, ответственных за такую зависимость тока от напряжения, – лавинный и туннельный пробой p-n перехода. Для стабилитронов с туннельным механизмом пробоя напряжение стабилизации U_стаб невелико и составляет величину менее 5 вольт: U_стаб < 5 В. В частности, для стабилитрона КС133А напряжение стабилизации 3-3.7 В, максимальный ток стабилизации 81 мА. Для стабилитронов с лавинным механизмом пробоя напряжение стабилизации обычно имеет большие значения и составляет величину более 8 вольт: U_стаб > 8 В.

 

Рис. 16.12. Типичная ВАХ стабилитрона с туннельным пробоем [7]

 

Причиной лавинного пробоя является ударное умножение носителей заряда при достижении некоторого напряжения = U_стаб. Неосновные носители из акцепторного полупроводника (электроны), попадая в область перехода, ускоряются полем до энергии, достаточной для начала ударной ионизации атомов кристаллической решетки. В каждом акте ионизации рождается электронно-дырочная пара, которая также ускоряется электрическим полем. Для развития лавины необходимо, чтобы область сильного поля имела достаточную ширину (более 10^-5 см). Электрический пробой сопровождается нагреванием области перехода, что увеличивает концентрацию носителей заряда, силу тока и выделяемую тепловую энергию и т.д. В результате неуправляемый тепловой пробой может привести к выходу прибора из строя. В лавинных кремниевых диодах, стойких к тепловому пробою, пробой носит нетепловой обратимый характер.

Пробой в стабилитронах, называемых диодами Зенера, объясняется туннельным эффектом (рис. 16.13). В этом случае уровни энергии электронов в валентной зоне p-области оказываются как раз напротив незанятых уровней зоны проводимости n-области (рис. 16.13а). Хотя при этом волновая функция электрона и затухает внутрь потенциального барьера, вероятность перехода электрона из р-области в n-область не равна нулю (рис. 16.13б). В результате такого перехода электрон переходит из состава ковалентной связи атомов Si-Si, (см. рис. 16.5, 16.6) р-области и при той же энергии становится свободным в n-области.

Вероятность прохождения через барьер (туннелирования) сильно зависит от ширины перехода (необходимая ширина – десятки нм) и от значения обратного напряжения. Толщина области перехода уменьшается при усилении легирования - до 10²⁰ атомов/cм³, что в 1000 раз больше, чем в обычных полупроводниковых материалах.

Туннельный эффект играет важную роль в квантовой физике. Он проявляется в автоэлектронной эмиссии, контактных явлениях в стабилитронах и туннельных диодах, в гетеро- и наноструктурах*, при альфа-распаде, делении и слиянии атомных ядер.

 

а

б

Рис. 16.13. Туннельный эффект с прохождением электрона (справа-налево) через потенциальный барьер с обратным смещением: а – потенциальный барьер и зонная схема n -р-перехода [7], б – график плотности вероятности  найти электрон вблизи потенциального барьера .