P-n-напівпровідниковий перехід і його вольт-амперна характеристика

При контакті двох напівпровідників з різним типом провідності на їх межі утворюється подвійний заряджений шар. Електрони з n-напівпровідника будуть дифундувати в дірковий напівпровідник. Це обумовить збіднення електронами n-напівпро-

відника поблизу контактної межі і утворення в ньому надлишкових позитивних зарядів. (рис 88.5)

Дифузія ж дірок з p-напівпровідника в n-напівпровідник обумовить утворення надлишкових негативних зарядів у дірковому напівпровіднику на межі електронно-діркового переходу. Таким чином утвориться подвійний заряджений шар, який перешкоджає наступному переходу електронів і дірок через межу розділу двох напівпровідників з різними типами провідності. Цей подвійний заряджений шар є потенціальним бар’єром для електронів і дірок. Він має підвищений електричний опір і перешкоджає дифузії електронів з n- в p-напівпровідник та дірок з p- в n-напівпровідник. По цій причині подвійний заряджений шар на p-n-переході називається запірним. Вектор напруженості Е₀ запірного шару напрямлений з n-напівпровідника в p-напівпровідник (рис. 88.5). Дія зовнішнього електричного поля істотно впливає на опір запірного шару.

Рисунок 88.5

 

 

Рисунок 88.6

 

Під’єднаємо до p-n-переходу джерело струму ε так, що

n-напівпровідник контактує з від’ємним полюсом, а p-напівпровідник – з додатнім полюсом джерела. Електричне поле джерела ε напруженістю Е_дж напрямлене протилежно до вектора напруженості Е₀ запірного шару. Оскільки Е_дж>>Е₀, то вектор напруженості Е результуючого електричного поля напрямлений з p- в n-напівпровідник, тобто сприяє збільшенню струму через нього. Цей напрям струму називається прямим (рис. 88.6).

Якщо змінити полярність прикладеної до p-n-переходу напруги джерела ε (від’ємний полюс джерела струму приєднати до p-напівпровідника, а додатній – до n-напівпровідника), то напрям напруженості Е_дж джерела струму буде співпадати з напрямом напруженості Е₀ запірного шару, тобто результуюча напруженість Е значно підвищить потенціальний бар’єр запірного шару (рис. 88.7). В цьому випадку ширина запірного шару на p-n-переході збільшиться, а концентрація вільних зарядів – електронів і дірок – значно менша, ніж в контактуючих домішкових напівпровідниках.

Рисунок 88.7

Чим більша запірна напруженість p-n-переходу, тим товстішим є запірний шар. При значній величині оберненої напруги запірний шар є практично ізолятором, в якому відсутні вільні носії струму. У випадку контакту ідеальних домішкових напівпровідників різного типу провідності зворотного струму не повинно бути. Насправді ж зворотний струм існує. Він обумовлений неосновними носіями (електронами в дірковому напівпровіднику та дірками в електронному напівпровіднику). Типова вольт-амперна характеристика реального p-n-переходу представлена на рис. 88.8.

 

Рисунок 88.8

 

При прикладенні змінної напруги до p-n-переходу реалізується одностороння провідність, тобто відбувається випрямлення змінного струму. Такий p-n-перехід називається напівпровідниковим діодом. Його ефективність характеризується коефіцієнтом випрямлення α, який рівний відношенню

 

прямого I_пр і зворотного I_зв струмів при однаковій напрузі (U = =const):

. (88.1)

Чим більший коефіцієнт випрямлення α, тим більш ефективним є напівпровідниковий діод.

Для дослідження напівпровідникового діода використовується установка, електрична схема якої зображена на рис. 88.9.

ПОРЯДОК ВИКОНАННЯ РОБОТИ

 

1. Зібрати електричну схему згідно рис. 88.9.

2. Встановити повзунок потенціометра ПТ в положення, яке відповідає найменшій напрузі.

3. Ввімкнути селеновий випрямляч, для чого перемикач ПК ввімкнути на клеми 1-2, а ключ К – на клему 5.

4. Пересуваючи повзунок потенціометра ПТ, збільшувати напругу через 0,5 В, записуючи при цьому покази вольтметра і міліамперметра.

5. Для зняття вольт-амперної характеристики при зворотному струмі ввімкнути перемикач ПК на клеми 3-4, поставивши заздалегідь повзунок потенціометра ПТ в положення, яке відповідає найменшій напрузі.

 

Рисунок 88.9

6. Пересуваючи повзунок потенціометра ПТ, збільшувати напругу через кожні 0,5 В, записуючи при цьому покази вольтметра і міліамперметра.

7. Аналогічно вимірювання (п.п. 2-6) провести для германієвого випрямляча, перемкнувши ключ К на клему 6.

8. Результати вимірювань і обчислень занести в таблицю.

 

Таблиця 88.1

№ п.п

Селеновий випрямляч

Германієвий випрямляч

Uпр, В

Іпр, А

Uзв, В

Ізв, А

α

Δα

Δα/α

Uпр, В

Іпр, А

Uзв, В

Ізв, А

α

Δα

Δα/α

 

9. За результатами вимірювань побудувати вольт-амперні характеристики для селенового і германієвого випрямлячів. Для цього по вісі абсцис відкладати значення напруги, а по вісі ординат – відповідні значення струму. Прямі значення напруг і струмів відкладати на додатних піввісях координат, а зворотні значення напруг і струмів – на від’ємних піввісях координат.

10. За формулою (88.1) розрахувати значення коефіцієнта випрямлення α для досліджуваних випрямлячів при різних значеннях напруги.

11. Визначити абсолютну і відносну похибки для коефіцієнта випрямлення і зробити висновок.

 

 

КОНТРОЛЬНІ ЗАПИТАННЯ

 

1. Яка різниця між власними і домішковими напівпровідниками?

2. Які домішки у напівпровіднику називаються донорами? Навести конкретний приклад.

3. Які домішки у напівпровіднику називаються акцепторами? Навести конкретний приклад.

4. На основі зонної теорії твердих тіл пояснити електропровідність домішкового напівпровідника n-типу.

5. На основі зонної теорії твердих тіл пояснити електропровідність домішкового напівпровідника p-типу.

6. Які явища відбуваються на контакті двох напівпровідників різного типу провідності?

7. Що таке запірний шар? Чому він так називається?

8. Пояснити електропровідність запірного шару при прямому ввімкненні зовнішнього джерела струму.

9. Пояснити електропровідність запірного шару при зворотному ввімкненні зовнішнього джерела струму.

10. Що є причиною виникнення зворотного струму в напівпровідниковому випрямлячі?

11. Пояснити вольт-амперну характеристику напівпровідникового випрямляча.

12. Що таке коефіцієнт випрямлення напівпровіднико-вого випрямляча і від чого він залежить?

13. Де можуть використовуватись напівпровідникові випрямлячі, зокрема у Вашій спеціальності?

 

 

Лабораторна робота №89