Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
«Изучение импульсных свойств полупроводникового диода».
Методические указания к выполнению лабораторной работы
по курсу «Твердотельная электроника»
2006г.
УДК 621.382
Данные методические указания издаются в соответствии с учебным планом специальности 210104
Указания рассмотрены и одобрены:
кафедрой «Материаловедение»
Протокол №_________ от _______________
Зав. кафедрой __________________ В. Г. Косушкин
Методической комиссией КФ МГТУ им. Н.Э. Баумана
Протокол №__________от ______________
Председатель методической
комиссии _________________ А. В. Максимов
Рецензент ___________________ к.т.н., доц. И.В. Чухраев
Автор: ст. преподаватель ________________ Ю.П. Головатый
Аннотация.
В данной лабораторной работе изучаются переходные характеристики полупроводникового диода, и определяется время жизни неосновных носителей в базе диода.
© - Калужский филиал МГТУ им Н. Н. Э. Баумана, 2006 г.
© - Головатый Ю.П.
Содержание
1. Цель работы.
2. Теория.
5. Требования к отчету.
6. Литература.
Цель работы состоит в изучении переходных характеристик полупроводникового диода и определении времени жизни неосновных носителей заряда в базе диода.
2. Теория.
Переходные процессы в полупроводниковом диоде изучаются с помощью простейшей схемы (рис.1)
Рис.1.
Переходная характеристика есть реакция диода на импульсное входное напряжение . Рассмотрим реакцию диода на входное напряжение, временная зависимость которого показана на рис.2.
Рис.2.
При t < 0 . В момент t = 0 происходит прямое включение диода - на диод и включенное последовательно с ним сопротивление нагрузки подается напряжение . В момент происходит обратное переключение диода - на схему подается обратное напряжение . Выходное напряжение снимается с сопротивления . Оно не повторяет временную зависимость , а задается законом Ома для замкнутой цепи
(1)
где - падение напряжения на диоде. Диод можно представить в виде трех последовательных сопротивлений - эмиттера , p-n - перехода и базы . Обычно , поэтому можно считать, что
(2)
Оба слагаемых в (2) зависят от времени по следующей причине.
После подачи прямого смещения в базу инжектируются неосновные носители, модулирующие ее сопротивление. Для p-базы ее сопротивление можно представить в виде двух параллельных сопротивлений и , обусловленных основными и неосновными носителями заряда. Последние вследствие диффузии и рекомбинации распределены в базе неоднородно, поэтому и вычисляются по формулам
(4)
(5)
где S - площадь p-n - перехода, - подвижности электронов и дырок , n(x,t) и - их концентрации. Тогда сопротивление базы
(6)
(7)
Из (6) и (7) следует, что зависимость сопротивления базы от времени после прямого включения определяется пространственно-временным распределением инжектированных неосновных носителей заряда (ННЗ). Это распределение находится из диффузионного уравнения
(8)
при заданных граничных условиях на базовом контакте () и на границе ОПЗ ( x = 0 ). Первое условие имеет вид
(9)
то есть на контакте концентрация ННЗ равна равновесной. Второе условие зависит от соотношения сопротивлений и . Если , то из закона Ома для замкнутой цепи следует, что ток
(10)
остается постоянным все время после прямого включения. Его значение задается прямым смещением , которое можно менять по усмотрению. На границе ОПЗ ток является чисто диффузионным,
(11)
Из (10) и (11) следует граничное условие
или (12)
Начальное условие при прямом включении
(13)
Решение уравнения (8) с условиями (9), (12), (13) и дополнительным условием (толстая база) имеет вид
(14)
При из (14) получаем
(15)
С помощью формул (6), (7), (10), (14) находим временную зависимость падения напряжения на базе диода .
Падение напряжения на p-n - переходе находим из выражения для концентрации ННЗ на границе ОПЗ
(16)
Откуда (17)
Таким образом, выходное напряжение при прямом включении изменяется по закону
(18)
При стремится к некоторому постоянному значению. Эта фаза называется фазой установления.
В момент времени происходит обратное переключение диода. На схему подается смещение . Сначала обратное сопротивление диода по постоянному току , поэтому через диод протекает большой обратный ток . Он создается электронами, диффундирующими из базы в эмиттер. При этом на границе ОПЗ выполняется условие, аналогичное (12)
(12')
Концентрация ННЗ в базе изменяется по закону
(19)
где , . Выходное напряжение равно
(20)
(20) справедливо примерно до того момента времени , когда концентрация электронов на границе ОПЗ станет равной равновесной. Интервал времени называется фазой рассасывания ННЗ. Его длительность находим из уравнения
,
которое с учетом соотношения (19) принимает вид
,
или, так как ,
(21)
Из него легко численно получить по известному . При диффузионный поток электронов в эмиттер резко падает, и оставшиеся в базе ННЗ рекомбинируют здесь же. Это - фаза восстановления обратного тока. Ее длительность составляет несколько . Изменение сопротивления базы во время фазы восстановления может быть рассчитано аналогично тому, как это было сделано для фазы установления.
Временная зависимость выходного напряжения при прямом включении и переключении имеет следующий вид (рис.3)
3. Необходимое оборудование.
Полупроводниковый диод с нагрузочными сопротивлениями, генератор импульсов Г3 - 112, осциллограф.
4. Порядок выполнения работы.
4.1.Изучить теоретический материал по п.2.
4.2.Включить генератор Г3-112 и осциллограф. Подать на вход "Внеш. синхр." осциллографа сигнал синхронизации, а на вход "X" - сигнал с выхода генератора. Убедиться в наличии меандра и установить его амплитуду 2 – 4В.
4.3.Подключить диод к генератору и осциллографу согласно рис 1.
4.4.Синхронизовать развертку с входным сигналом, получить на экране стабильную картинку. Снять с экрана графики временных зависимостей падений напряжений на диоде выпрямительном, диоде Шоттки и импульсном диоде и нагрузочном сопротивлении при соотношениях сопротивлений и . Дать им качественное объяснение.
4.5.Для случая определить по графику:
- амплитуду прямого напряжения, В;
- амплитуду обратного напряжения в начале фазы рассасывания, , В;
- длительность фазы рассасывания, с.
4.6 Из уравнения (21) численно по данным п.4.5 определить время жизни ННЗ в базе .
4.7. По формулам (19), (20) рассчитать распределение ННЗ в базе на стадии рассасывания для нескольких моментов времени. Оценить время рассасывания и сравнить его с определенным в п.4.5.
4.8. Сделать выводы по результатам работы.
5. Требования к отчету
Отчет о лабораторной работе должен содержать:
- экспериментальные графики выходных напряжений;
- экспериментально определенное значение длительности фазы рассасывания;
- расчетные графики распределения ННЗ в течение фаз установления и рассасывания;
- выводы по работе.
6. Литература
Основной характеристикой импульсных диодов является переходная характеристика, а основными параметрами диода - время восстановления tв ; заряд переключения Qд - избыточный заряд, вытекающий во внешнюю цепь при изменении направления тока с прямого на обратный; общая емкость Сд , измеренная между выводами при заданных напряжении и частоте ; импульсное прямое напряжение UпрU ; импульсный прямой ток.
Uпр
U
-Uобр
Tи
Rн
Д
Uвых
Uвх