Вивчення напівпровідникового діода

 

ПРИЛАДИ: напівпровідниковий діод (германієвий, кремнієвий); вольтметр В7-22А; амперметр («І_пр.») та мікроамперметр («І_зв.»); перемикач; джерело струму ИСН-50.

Залежність струму від напруги в контактах метал-напівпровідник і напівпровідник-напівпровідник складніша ніж лінійна, тому не може бути описана законом Ома. Опір контактів залежить від величини прикладеної напруги, а при одній і тій же величині може суттєво змінюватися при зміні напрямку струму.

За характером своєї провідності напівпровідник може бути електронним (n-тип) та дірковим (р-тип). У напівпровідниках n-типу основними рухомими носіями заряду є негативні електрони, а в напівпровідниках р-типу позитивні дірки. У випадку контакту двох напівпровідників електрони і дірки отримують можливість переходити з одного напівпровідника в другий, і тому між напівпровідниками виникає контактна різниця потенціалів, а в тонкому приграничному шарі з’являється контактне електричне поле.

Якщо в контактах знаходяться два напівпровідника одного і того ж типу (обидва електронні або обидва дірочні), то обидва напівпровідника обмінюються однаковими частками: або електронами, або дірками, і явища в цьому випадку мають велику схожість з явищами в контакті двох металів. Тому ми зупинимося тільки на тому випадку, коли один з напівпровідників має провідність (n-тип), а другий - діркову (р-тип). Такі контакти називаються електронно - дірковими переходами або р-n-переходами.

Визначимо, що такий контакт у чистому вигляді неможливо отримати, притискаючи один до одного два напівпровідника. Справа в тому, що внаслідок шорсткості поверхонь контакт матиме місце лише в деяких точках; в інших місцях будуть повітряні зазори, в яких виникають плівки окислів, тому контакт буде мати складну будову.

Для отримання р-n-переходу в кристал чистого напівпровідника (наприклад, германія або кремнію) вводять дві домішки - одну донорну (тобто таку, що створює електрону провідність), а другу - акцепторну (створює діркову провідність). Домішки розподіляють таким чином, щоб в одному кінці кристалу був надлишок однієї з домішок, а в другому кінці - надлишок другої. Тоді в одній половині кристалу виникає електрона провідність, а в другій - дірочна, причому між обома областями буде розташований тонкий перехідний шар, в якому обидві домішки компенсують одна одну.

 

Рівновага р-n-переходу (U_зовн = 0).

Розглянемо спочатку р-n-перехід без струму. Внаслідок теплового руху (дифузії) електрони із n- області будуть переходити в р-область, а дірки - з р-області в n-область. Тому в n-області біля межі розділу з'явиться позитивний об’ємний заряд іонізованих донорних атомів, а в р-області - негативний об’ємний заряд іонізованих акцепторних атомів. В зв’язку з цим n-область отримає позитивний потенціал, і енергія електрона в ній стане менше (оскільки заряд електрона негативний), а потенціал р-області зробиться негативним, і енергія електрона в ній збільшиться. Крива розподілу потенціальної енергії електронів буде мати вигляд показаний на рис. 8.1,а (неперервна крива). Навпаки, енергія позитивних дірок W_g буде більше в n-області та менше в р-області (пунктирна крива).

В стані рівноваги повний струм через контакт буде дорівнювати 0. Цей струм на відміну від металів, де носіями заряду є тільки електрони, складається як з руху електронів, так і з руху дірок.

В будь-якому напівпровіднику, крім основних носіїв заряду, завжди є ще й деяка кількість неосновних носіїв заряду. Тому в електронному напівпровіднику поряд з електронами провідності (основні носії заряду) існує ще невелика кількість дірок (неосновні носії заряду), а у дірковому напівпровіднику крім дірок, ще є деяка кількість електронів. Кількість неосновних носіїв буде малою в порівнянні з кількістю основних.

Звернемося знов до рис. 8.1. Можна бачити, що контактне поле допомагає руху неосновних носіїв які “зкочуються” потенціальним схилом. Тому всі неосновні носії, що генеруються у приконтактній області, рухаються через р-n- перехід і утворюють деякий струм i_н, направлений від n- області до р.

Сила цього струму не залежить від контактної різниці потенціалів між n- та р- напівпровідниками і визначається кількістю неосновних носіїв, які створюються у приконтактній області за одиницю часу. Основні ж носії (дірки, які рухаються внаслідок дифузії справа наліво, та електрони, які рухаються зліва направо) створюють струм i _о, направлений протилежно струму i_н, тобто від р до n.

В стані рівноваги встановлюється така висота потенціального бар’єру, при якій повний струм:

 

i = i _о – i _н = 0.

 

Пряме зміщення р-n-переходу (U_зовн > 0).

Розглянемо тепер, що буде відбуватися при наявності струму через контакт. Припустимо, що ми приклали до контакту напругу такого знаку, що на n-області маємо негативний потенціал, а на р області - позитивний (рис. 8.1,б). Тоді енергія електронів в n-області збільшиться, а в р-області – зменшиться, внаслідок чого висота потенційного бар’єру стане меншою. При цьому струм неосновних носіїв i _н, як зазначалося вище, не зміниться. Струм же основних носіїв i ₀ збільшиться, так як тепер більша кількість електронів зможе пройти потенціальний бар’єр та перейти зліва направо і більша кількість - дірок - перейде у протилежному напрямку. В результаті через контакт буде йти струм

 

i = i _о – i _н,

 

спрямований від р до n; сила струму буде швидко зростати зі збільшенням позитивної напруги.

 

 

 

 

Рис 8.1. Електричний струм в р-n-переході.

 

Зворотнє зміщення р-n-переходу (U_зовн < 0).

Інше буде відбуватись, якщо до n-області приєднати позитивний полюс джерела струму, а до р-області - негативний (рис.8.1,в). В цьому випадку висота потенційного бар’єра збільшиться і струм основних носіїв i _озменшиться. Вже при напрузі десь близько 1В цей струм практично буде дорівнювати 0, і тому через контакт буде протікати струм тільки неосновних носіїв i_н, величина якого дуже мала.

В силу вищезазначеного вольт-амперна характеристика р-n-переходу має вигляд, зображений на рис. 8.2. Коли струм направлено від р- до n-області, то сила струму велика та швидко збільшується разом з напругою, та відповідно, контакт для цього напрямку струму (прохідна напруга струму) має малий опір. Якщо ж струм направлений від n - до р області, то сила струму дуже мала і зовсім не залежить від напруги (струм насичення). Для цього напрямку струму контакт має великий опір. Таким чином, р-n перехід має однобічну провідність, або вентильну властивість, та має нелінійну вольт-амперну характеристику.

При вмиканні в коло змінного струму такі контакти діють як випрямлячі.

	Рис.8.2 Вольт-амперна характеристика р-n переходу

 

 

Аналогічні вольт-амперні характеристики спостерігаються і в деяких контактах напівпровідників з металами.

Коли прикладена зворотна напруга стає достатньо великою, у контакті відбувається ряд додаткових явищ, які викликані розігріванням контакту та дією сильного електричного поля у перехідному шарі. Це приводить до швидкого зростання зворотних струмів, які руйнують випрямляючий перехід (“пробій”).

Односторонню провідність контактів двох напівпровідників використовують для приладів напівпровідникових випрямлячів, які використовуються для випрямлення та перетворення змінних струмів. Властивості випрямлячів характеризуються коефіцієнтом випрямлення , який дорівнює відношенню прямого струму I_пр до зворотного I_зв, виміряним при однакових за величиною прямої та зворотної напруги:

 

.

 

В цій роботі досліджується залежність сили струму, який проходе через діод, від величини та напрямку прикладеної напруги, знімається вольт-амперна характеристика та визначається коефіцієнт випрямлення.

Схема експериментальної установки приведена на рис. 8.3. Тут Д - досліджуваний діод, Q-джерело струму, R – потенціометр, V – цифровий вольтметр, А – амперметр, К – перемикач полярності діода.

 

 

Експериментальна установка

 

 

 

Рис.8.3. Схема експериментальної установки.

Завдання

 

1. Зібрати коло згідно рис.8.3

2. Ступінчатий та плавний регулятори вихідної напруги джерела ИСН-50 поставити в крайнє положення, повернути проти годинникової стрілки до упору.

3. Замкнути контакти перемикача К або у верхнє, або у нижнє положення.

4. Увімкнути в мережу ИСН-50, В7-22А, амперметр («І_пр.»). На В7-22А включити діапазон «20В».

5. Плавний регулятор напруги ИСН-50 повернути за годинниковою стрілкою до упору. Якщо на табло В7-21 напруга при цьому буде 0.4÷1.0В, значить, досліджуваний діод увімкнено у прямому напрямку. Якщо діод увімкнено у зворотному напрямку, на табло буде напруга 3÷6В. Повернути плавний регулятор вліво до упору.

6. Збільшуючи напругу ступінчатим регулятором ИСН-50, зняти вольт-амперну характеристику діода у прямому напрямку.

8. Вимкнути напругу до нуля, перемкнути полярність діода перемикачем К на зворотну, замінити амперметр на мікроамперметр («І_зв.»), на В7-22А включити діапазон «200В». Зняти зворотну характеристику діода до напруги 50В..

9. Замінити досліджений діод на діод другого типу та зняти для нього пряму та зворотну вольт-амперну характеристику. Побудувати графіки прямої та зворотної вітки ВАХ.

10. Визначити коефіцієнти випрямлення діодів для напруги 0.4В для діода з германія, та для напруги 0,9В для діода з кремнія.

Дані вимірювання занести в таблицю:

Германій	Кремній
прямий	зворотній	прямий	зворотній
U(B)	I (A)	U(B)	I(I0^-6 A)	U(B)	I (A)	U(B)	I (I0^-6 A)

 

Контрольні питання

 

1. Які структури мають нелінійні електричні властивості?

2. Яким чином можна отримати р-n перехід?

3. Накреслити ВАХ р-n-переходу. Пояснити її властивості.

4. Як працює експериментальна установка по вивченню електричних властивостей напівпровідникового діода?

5. Описати процеси, які проходять у р-n-переході в рівновазі та при різних полярностях підключеного джерела.

6. Яким чином напівпровідниковий діод випрямляє змінний струм?

7. Чому дорівнює коефіцієнт випрямлення випрямляча? Як повинен змінюватись коефіцієнт при збільшені к.к.д. випрямляча?

 

Література

 

1. Калашников С.Г. Электричество. -М. Наука, 1977, с. 203-205

 

ЧАСТИНА 2. МАГНЕТИЗМ.

Лабораторна робота № 9