Главная | Обратная связь

Собственная проводимость полупроводников

Методические указания

к выполнению лабораторной работы

«Исследование диодов»

 

 

Утверждено на заседании

кафедры ЭИКТ

от 4.03.2008 г. Пр. 6

 

 

Сызрань 2010

Составитель: П.П. Гавриш, А.Ю. Карсаков, О.В. Лысенко,

Ю.А. Мелешкин

УЛК 621. 375

ББК 32.85

 

 

Исследование диодов: методические указания к лабораторному практикуму по «Общей электротехнике и электронике» / ГОУ ВПО сам ГТУ филиал в г. Сызрани, 2009.

Составлено в соответствии с рекомендациями РНПО «Росучприбор» Южно – Уральского государственного университета – разработчика и изготовителя стендов «Теория электрических цепей и основы электронике», а также для выполнения работы на стенде 17Д – 01.

Методические указания предназначены студентов высших учебных заведений, обучающимся по направлениям «Электротехника» и «Электроника».

 

 

Цель работы: Изучение характеристик и параметров полупроводниковых диодов – выпрямительных, Шоттки, стабилитронов и светодиодов.

 

Сведения из теории

ПРОВОДИМОСТЬ ПОЛУПРОВОДНИКОВ

Общие сведения о полупроводниках

К полупроводникам относятся вещества, которые по своим электрическим свойствам занимают промежуточное положение между проводниками и диэлектриками, и удельная электропроводность которых при комнатной температуре равна 10² … 10^-8 См/м.

Характерной особенностью электропроводности полупроводников является то, что она сильно зависит от температуры, воздействия электрического и магнитного полей, света, рентгеновских лучей, а также от концентрации примесей. Один атом примесей в миллионе атомов полупроводника существенно изменяет его электропроводность. В связи с этим различают собственную и примесную проводимости полупроводников.

Полупроводники представляют собой наиболее многочисленную группу веществ. К ним относятся химические элементы: бор (В), кремний (Si), германий (Ge), мышьяк (As), а также химические соединения – хлористая медь (CuCl), арсенид галлия (AsGa), окись меди (CuO), которые наиболее шипроко применяются для создания полупроводниковых приборов.

 

Собственная проводимость полупроводников

Из курса физики известно, что полупроводники имеют кристаллическое строение. В кристаллах полупроводников атомы располагаются в определённой последовательности, образуя кристаллическую решётку.

Для четырёхвалентных элементов кремния и германия, которые получили в настоящее время широкое применение в полупроводниковой электронике, характерна так называемая тетраэдрическая форма кристаллической решётки типа алмаз. Характерная особенность такой решётки заключается в одинаковом расстоянии центрального атома от четырёх угловых. Каждый угловой атом в свою очередь служит центральным для других четырёх ближайших атомов, которые также образуют тетраэдр. В связи с трудностью изображения пространственной решётки обычно ограничиваются её проекцией на одну из координатных плоскостей. Вид такой проекции, получаемой при изображении кристаллических решёток германия и кремния, показан на рис. 2.1. На этом рисунке атомы кристалла изображаются окружностями, расположенными в узлах кристаллической решётки, а цифра в окружности означает валентность атома. Валентные электроны изображаются линиями.

Рис. 2.1

Валентные электроны каждого атома образуют ковалентные связи или парноэлектронные связи с четырьмя соседними атомами, дополняя таким образом свою внешнюю оболочку до восьми электронов. Такая оболочка называется заполненной или завершённой, свободных электронов нет, поэтому кристалл полупроводника становится идеальным диэлектриком (электропроводимость полупроводника равна нулю). Однако такое состояние возможно только в идеальном (без дефектов кристаллической решётки) полупроводнике при температуре близкой к абсолютному нулю Т=0⁰ К.

С точки зрения зонной теории отсутствие электропроводимости полупроводника можно объяснить тем, что при Т=0⁰ К, т.е. когда полупроводник не получает энергии извне, все энергетические уровни в валентной зоне заполнены электронами. Электроны в зоне проводимости отсутствуют (рис. 2.2). Поэтому полупроводник и является диэлектриком.

Рис. 2.2.

При повышении температуры (Т> 0⁰ К) часть валентных электронов приобретают энергию достаточную для разрыва ковалентных связей (рис. 2.3а). при этом образующие их электроны становятся свободными ( на рисунке обозначаются знаком Ө), т. е. эти электроны перебрасываются из валентной зоны в зону проводимости (рис. 2.3б). На месте ушедшего электрона оказывается незаполненная валентная связь (свободный энергетический уровень в валентной зоне), которую называют дыркой. Дырка обладает положительным зарядом, равным по величине заряду электрона (на рисунке обозначается знаком )

а) б)

Рис. 2.3

Возникновение пары зарядов электрон-дырка в результате воздействия тепла, света и т.д. носит название генерации пар носителей заряда. Электроны, прошедшие в зону проводимости, могут в результате взаимодействия с другими частицами или узлами решётки потерять приобретённую энергию и снова возвратиться в валентную зону, заполнив одну из нарушенных ковалентных связей. Происходит рекомбинация электронов с дырками.

При постоянной температуре число таких рекомбинаций в единицу времени равно числу образований числу свободных электронов и дырок в полупроводнике при постоянной температуре остаётся неизменной.

Таким образом, в абсолютно чистом полупроводнике имеются два типа носителей заряда – электроны и дырки. Соответственно этому различают два типа проводимости - электронную (или проводимость типа n) дырочную (или проводимость типа p) . Общая проводимость чистого (без примесей) полупроводника, обусловленная генерацией пар зарядов электрон-дырка называется собственной проводимостью проводника.

где n, p – концентрация электронов (дырок);

- подвижность электронов (дырок).

Концентрация электронов и дырок, а следовательно, и величина собственной проводимости полупроводников очень мала и зависит от ширины запрещённой зоны и температуры. Эту зависимость можно выразить приближённым уравнением:

(2.1)

где - коэффициент учитывающий изменение подвижности носителей от температуры;

k – постоянная Больцмана;

- ширина запрещённой зоны.

Из этого уравнения следует, что с повышением температуры собственная проводимость проводника возрастает.