Главная | Обратная связь

ИЗУЧЕНИЕ РАБОТЫ ПОЛУПРОВОДНИКОВОГО ДИОДА

Цель работы: исследование зависимости силы тока, текущего черезр-n переход, от направления и величины приложенного к нему электрического поля.

Приборы и принадлежности: вольтметр, милли и микроамперметр, полупроводниковый диод, переключатель.

Краткая теория

К полупроводникам относится большое число веществ, удельное сопротивление которых изменяется в широком интервале от 10^-5 до 10⁸ Ом×м и очень быстро уменьшается с повышением температуры. При абсолютном нуле полупроводники являются диэлектриками. Типичными полупроводниками являются как чистые элементы (германий, кремний, селен и т.д.), так и многие химические (в том числе органические) вещества.

Проводимость твердых полупроводников, как и металлов, обусловлена движением электронов, однако она осуществляется за счет перемещения как свободных, так и связанных электронов.

Проводимость, обусловленная движением свободных электронов, называется электронной, или проводимостью n-типа. Проводимость, обусловленная последовательным перемещением связанных электронов, называется «дырочной» проводимостью, или проводимостью p-типа. «Дырка» образуется при отсутствии одного из двух электронов, обеспечивающих ковалентную связь между атомами полупроводника, при этом нехватка электрона соответствует появлению положительного заряда в области связи. Ток в полупроводнике обеспечивается движением двух типов носителей: свободных электронов (n) в направлении, противоположном электрическому полю, и дырок (p) в направлении электрического поля. В чистых «собственных» проводниках концентрации электронов и дырок одинаковы и увеличиваются с ростом температуры, что и приводит к уменьшению удельного сопротивления.

Характерными особенностями полупроводниковых материалов являются уменьшение их удельного сопротивления при нагревании и освещении, сильная зависимость его величины от наличия примесей. Наличие даже небольшой примеси в полупроводнике оказывает существенное влияние на его проводимость, создавая так называемую примесную проводимость полупроводника. Некоторые примеси обогащают полупроводник свободными электронами, вызывая в нем преимущественную электронную проводимость (основные носители – свободные электроны). Такие примеси называются донорными (дающими), а полупроводники – электронными, или полупроводниками n-типа. Другие примеси обогащают полупроводник дырками, создавая в нем преимущественную дырочную проводимость (основные носители – дырки). Такие примеси называются акцепторными (принимающими), а полупроводники – «дырочными», или проводниками p-типа. Для атомарных полупроводниковых материалов (например, германия) донорными примесями являются атомы элементов с большей валентностью (например, мышьяка), а акцепторными – с меньшей (например, бора). В примесных полупроводниках присутствуют и неосновные носители тока (дырки в n-проводниках и свободные электроны в p-проводниках), обусловленные собственной проводимостью.

Особенности полупроводников дают возможность, используя небольшое количество примеси, менять их свойства и получать полупроводниковые устройства, обусловливающие одностороннюю проводимость. Основным элементом таких устройств служит р-n переход, являющийся внутренней границей, разделяющей области с дырочной (p) и электронной (n) проводимостями одного и того же кристалла полупроводника. Создать p-n переход путем соприкосновения двух кристаллов с различной примесной проводимостью невозможно из-за различных несовершенств и загрязнений контактных поверхностей. Поэтому либо необходимые примесные атомы вводятся в чистый полупроводник за счет высокотемпературной диффузии, либо при выращивании кристалла разные области обогащаются примесями разного типа.

При изучении свойств p-n перехода удобно считать его образованным в результате идеального контакта двух частей монокристалла, обладающих проводимостями р- и n-типа. Различие концентраций электронов и дырок в p- и n-областях полупроводника приведет к возникновению преимущественной диффузии основных носителей через пограничный слой: электронов из n- в p-полупроводник и дырок из p- в n-полупроводник. В результате этого процесса происходит усиленная рекомбинация электронов и дырок вблизи границы полупроводников, а пограничный слой оказывается обедненным носителями заряда. Поэтому его сопротивление значительно больше, чем сопротивление остальной части полупроводника, и он называется запирающим слоем. Кроме того, в приконтактной области образуется двойной электрический слой: в пограничном слое n-полупроводника, потерявшего часть электронов, образуется положительный объемный заряд неподвижных ионов донорной примеси, а в пограничном слое p-полупроводника – нескомпенсированный заряд отрицательных ионов акцепторной примеси. Эта область объемного заряда и есть собственно p-n переход. Контактное электрическое поле в p-n переходе Е_к обусловливает совершение работы при дальнейшем переходе основных носителей через этот слой. Вследствие этого потенциальная энергия электрона в p-области оказывается больше, чем в n-области. На рис. 5.1,а на примере зоны запрещенных энергий (между валентной и свободной зонами) показано, что в этом случае соответствующие энергетические зоны в p- и n-полупроводниках вдали от p-n перехода смещаются относительно друг друга, а в области перехода искривляются и возникает потенциальный барьер для основных носителей заряда, величина которого eU_к, и, следовательно, возникает контактная разность потенциалов U_к на p-n переходе. При этом ток основных носителей (обладающих энергией большей eU_к) и неосновных носителей уравнивается и результирующий ток через переход равен нулю.

а б в

Рис. 5.1. Схема энергетических уровней вблизи p–n перехода при отсутствии внешнего поля (а) и во внешнем поле (б, в)

Кристалл с переходом обладает ценными свойствами. Одно из них – способность пропускать ток лишь в одном направлении.

Если приложить внешнее электрическое поле Е_вн противоположно контактному Е_к (к p-области подключить плюс, а к n-области – минус) (рис. 5.1,б), высота потенциального барьера изменится до значения e(U_к - U_вн),где U_вн – напряжение внешнего поля. Вследствие этого увеличится ток основных носителей и уменьшится толщина запирающего слоя. Ток неосновных носителей практически не изменится. Условие равновесия нарушится, и через p-n переход будет протекать результирующий ток основных носителей заряда. Такое направление поля и тока называется пропускным или прямым. Величина прямого тока определяется сопротивлением внешней цепи и приложенным напряжением.

Если внешнее поле по направлению совпадает с контактным (к p-области подключен минус, а к n-области – плюс) (рис. 5.1,в), оно увеличивает высоту потенциального барьера до значения e(U_к + U_вн). Ток основных носителей уменьшается до нуля, и через p-n переход течет лишь небольшой ток неосновных носителей, называемый обратным. Вследствие малой концентрации неосновных носителей и большого сопротивления расширившегося запирающего слоя обратный ток во много раз меньше, чем прямой, кроме того, он почти не зависит от величины внешнего напряжения.

Таким образом, система, содержащая p-n переход, обладает односторонней проводимостью. Прикладывая к такой системе переменное напряжение, получают ток практически одного направления. По аналогии с ламповыми выпрямителями тока подобные полупроводниковые выпрямители называют диодами. Важной характеристикой диода является коэффициент выпрямления – отношение прямого тока к обратному при постоянном внешнем напряжении:

,U = const.

В хороших выпрямителях К достигает значений 10⁵–10⁶. Другой характеристикой диода является кривая зависимости тока в нем от приложенного напряжения (вольтамперная характеристика). Для полупроводниковых диодов она нелинейна, поэтому коэффициент выпрямления К не является постоянной величиной.