ИССЛЕДОВАНИЕ  ТЕМПЕРАТУРНОЙ  ЗАВИСИМОСТИ  ЭЛЕКТРОСОПРОТИВЛЕНИЯ  P -N-ПЕРЕХОДА

Скотарев  Иван  Николаевич

студент  2  курса,  кафедра  автоматики,  электроники  и  метрологии  СтГАУ,  РФ,  г.  Ставрополь

E-mail: 

Бондарь  Сергей  Николаевич

научный  руководитель,  канд.  тех.  наук,  доцент  СтГАУ,  РФ,  г.  Ставрополь

Техника  полупроводниковых  устройств  стала  самостоятельной  областью  электроники.  Замена  электронных  ламп  полупроводниковыми  устройствами  удачно  осуществлена  во  многих  радиотехнических  устройствах,  которые  эксплуатируются  в  совершенно  разных  условия.

Поэтому  одним  из  важнейших  параметров  полупроводникового  элемента  является  его  зависимость  от  температуры.

Для  проведения  исследования  я  выбрал  полупроводниковый  диод  на  основе  кремния  (Si),  потому  что  данный  материал  является  сейчас  наиболее  используемым  в  современной  радиоэлектронной  аппаратуре.

В  общем  случае  зависимость  величины  тока  через  p-n-переход  от  приложенного  напряжения  при  различных  температурах  отражают  вольтамперные  характеристики  показанные  на  рисунке  1. 

Рисунок  1.  ВАХ  в  зависимости  от  температуры

Приведенные  кривые  соответствуют:  1  —  Т1,  2  —  Т2,  3  —  Т3,  причем  Т1>T2>T3  для  одного  типа  материала.

В  обшем  случае,  для  описания  тока  через  p-n-переход  используют  следующие  выражение:

  (1)

где:  —  ток  через  p-n-переход;

—  тепловой  ток,  который  зависит  от  температуры  и  определяется  свойствами  полупроводникового  материала,  из  которого  изготовлен  переход  (таблица  1);

—  напряжение,  прикладываемое  к  переходу;

—  напряжение  открытого  перехода  при  комнатной  температуре  (таблица  1);

  —  температурный  потенциал  при  комнатной  температуре  (+18°C=291K)  (таблица  1);

  или  —  постоянная  Больцмана;

  —  термодинамическая  температура;

  —  коэффициент  инжекции,  в  зависимости  от  типа  материала  (таблица  1);

  —  проводимость  утечки,  определяется  поверхностным  состоянием  p-n-перехода  (таблица  1);

Таблица  1.

Типовые  значения  I ₀,  U*,  γ,  G  для  кремния

Исследование  я  проводил  с  использованием  программы  для  моделирования  электронных  схем  Electronic  Workbench  5.12  (EWB  5.12). 

Перед  определением  зависимости  термосопротивления  от  температуры,  нужно  было  посторить  ВАХ  для  диода  на  основе  Si.  Для  снятия  прямой  ветви  ВАХ  в  программе  EWB  5.12  были  построены  электронные  схемы,  представленные  на  рисунке  2. 

Рисунок  2.  Схемы,  необходимые  для  снятия  прямой  ветви  ВАХ  p -n-перехода  при  различных  температурах

А  для  получения  обратной  ветви  ВАХ  были  собранны  следующие  схемы  (рисунок  3).

Рисунок  3.  Схемы,  необходимые  для  снятия  обратной  ветви  ВАХ  p -n-перехода  при  различных  температурах

Все  полученные  данные  были  занесены  в  таблицу  2.

Таблица  2.

Протокол  измерения  тока  через  p -n-переход  кремниевого  диода

По  полученным  данным  таблицы  2  с  использованием  программы  MathCAD  были  построенные  графики  функции    (рисунок  4). 

Рисунок  4.  ВАХ  для  1  —  253  К,  2  —  291  К,  3  —  353  К

ВАХ,  показанные  на  рисунке  4,  для  температур  253  К  и  291  К  я  построил  в  одной  координатной  плоскости,  а  ВАХ  для  температуры  353  К  в  отдельной,  потому  что  ,как  видно  из  таблицы  2,  изображение  всех  трех  ВАХ  на  одной  координатной  плоскости  просто  не  целесообразно.

В  общем  случае  p-n-переход  характеризует  три  составляющих:

1.  —  статистическое  сопротивление  (сопротивление  p-n-перехода  постоянному  току);  (2)

2.  —  дифференциальное  сопротивление  (сопротивление  p-n-перехода  переменному  току);  (3)

3.  —  коэффициент  выпрямления.  (4) 

Поэтому  в  результате  расчета  параметров  p-n-перехода,  выполненного  в  среде  MathCAD  и  с  использованием  выражения  (1),  (2),  (3),  (4),  были  получены  следующие  данные,  которые  я  занёс  в  таблицу  3. 

Таблица  3.

Результаты  расчета  параметров  p -n-перехода

Не  смотря  на  расхождения  между  экспериментальными  и  расчетными  данными,  на  их  основанни  можно  сделать  следующий  вывод:

1.  Изменение  температуры  оказывает  значительное  влияние  на  электросопротивление  p-n-перехода.

С  увеличением  температуры  полупроводникового  элемента  уменьшается  его  сопротивление  и  увеличивается  его  проводимость.  С  ростом  температуры  в  полупроводнике  увеличивается  число  свободных  электронов  и  «дырок».

2.  С  ростом  температуры  увеличивается  ток,  который  протекает  через  p-n-переход.

В  зависимости  от  того  где  и  при  каких  условиях  будет  эксплуатироваться  полупроводниковый  элемент  на  основе  кремния,  данные  свойства  могут  быть  неприемлемыми. 

Список  литературы:

1.Бондарь  С.Н.,  Жаворонкова  М.С.,  Лопатин  А.С.  Электроника.  Методические  указания  и  задания  для  выполнения  лабораторных  работ:  учеб.  пособие  Ставрополь:  Сервисшкола,  2013.  —  140  с.

2.Жеребцов  И.П.  Основы  электроники.  Л.:  Энергоатомиздат.  Ленинградское  отд-ние,  1989.  —  352  с.

3.Степаненко  И.П.  Основы  микроэлектроники:  учеб.  пособие  для  вузов.  М.:  Лаборатория  базовых  знаний,  2001.  —  488  с.