Изучение работы полупроводникового диода

РАБОТА №46

ИЗУЧЕНИЕ РАБОТЫ ПОЛУПРОВОДНИКОВОГО ДИОДА

Цель работы: ознакомление с вольт-амперной характеристикой и выпрямляющим действием полупроводникового диода, сравнение измеренной вольт-амперной характеристики с теоретической.

Введение

С развитием полупроводниковой техники все большее применение в выпрямительных устройствах промышленной электроники находят полупроводниковые выпрямители-диоды.

По сравнению с электронными лампами кристаллические полупроводниковые выпрямители обладают рядом преимуществ — они имеют малые размеры и большой срок службы, потребляют малые мощности, всегда готовы к работе (в то время как предварительный разогрев электронных ламп требует нескольких минут), не имеют хрупких стеклянных частей.

Недостатком полупроводниковых диодов является сильная температурная зависимость их электрических характеристик.

Для устройства полупроводниковых диодов используется выпрямляющее действие контакта полупроводников с различными типами проводимости или металла с полупроводником. Односторонняя (монополярная) проводимость таких контактов связана с существованием контактной разности потенциалов между двумя соприкасающимися телами.

В качестве примера рассмотрим контакт двух полупроводников с различными типами проводимости, т. е. контакт полупроводников n- и р-типа. Пусть они выбраны так, что работа выхода полупроводника р-типа больше, чем работа выхода полупроводника n-типа.

В частности, полупроводником р-типа может служить германий с примесью индия, а полупроводником n-типа — германий с примесью мышьяка или сурьмы. До соприкосновения каждыйиз них нейтрален,так как суммарный заряд всех электронов равен суммарному заряду положительных ионов. Общее число свободных электронов в полупроводнике n-типа больше, чем в полупроводнике р-типа, а число «дырок» — наоборот. При соприкосновении таких полупроводников, обладающих разными работами выхода, происходит переход электронов от полупроводника с меньшей работой выхода к полупроводнику с большей работой выхода. Следовательно, электроны из полупроводника n-типа будут переходить в полупроводник р-типа. В результате вблизи границы соприкосновения в полупроводнике n-типа образуется избыточный положительный заряд, а в полупроводнике р-типа — избыточный отрицательный заряд. Таким образом, на границе соприкосновения полупроводников n- и р-типа возникает двойной электрический слой, который создает контактное электрическое поле с напряженностью Е_k и с определенной разностью потенциалов на границах слоя (рис. 1,а). Контактная разность потенциалов создает потенциальный барьер для подвижных носителей тока и препятствует дальнейшему переходу их через контактный слой. При определенной высоте потенциального барьера наступает состояние подвижного равновесия, условием которого является выравнивание уровней Ферми в обоих полупроводниках. Область контакта, обедненная подвижными носителями тока, имеет сопротивление большее, чем сопротивление глубинных областей контактирующих полупроводников.

Таким образом, контактный слой является запирающим слоем с повышенным сопротивлением. Ширина запирающего слоя, а следовательно, и его сопротивление существенно зависят от величины и направления приложенного к р-n-переходу внешнего электрического поля (типичная ширина р-n перехода» 1мкм). Когда внешнее электрическое поле E_B совпадает по направлению с контактным полем Е_K (см. рис. 1,б), оно усиливает поле контактного слоя, что приводит к возрастанию потенциального барьера, увеличению ширины запирающего слоя, его сопротивления. Такое направление внешнего электрического поля называется запорным или обратным направлением.

 

 

 

 

Если внешнее электрическое поле Е_B по направлению противоположно контактному полю Е_K (см. рис. 1,в), то поле в приконтактной области ослабевает, потенциальный барьер уменьшается и носители тока движутся в сторону контакта. Ширина запирающего слоя и его сопротивление при этом тоже уменьшаются. Такое направление внешнего электрического поля называется пропускным или прямым. Включая р-n-переход в цепь с переменным электрическим напряжением, можно получить значительные величины тока только в одном направлении, т. е. можно выпрямить переменный ток. Действительно, в течение одной половины периода (прямое направление внешнего электрического поля) через выпрямитель протекает значительный ток, а в течение второй — ток мал (обратное направление внешнего поля). Прямой ток может в несколько сотен раз превышать обратный при одном и том же абсолютном значении напряжения.

При изготовлении промышленного диода используется р-n-переход в одном кристалле. Получить подобный р-n-переход удается путем введения различных примесей в разные участки одного и того же кристалла. На р- и n-областях кристалла создаются невыпрямляющие контакты для включения диода в цепь. Наиболее широкое применение для изготовления диодов получили такие полупроводниковые материалы, как Ge, Si,SiCи другие. На схемах полупроводниковый диод изображается так, как показано на рис. 1,г. Стрелка указывает прямое направление внешнего поля.

Основной характеристикой полупроводникового диода является его вольт-амперная характеристика, т.е. зависимость тока, проходящего через диод, от величины и направления приложенного к диоду напряжения. Общий вид вольт-амперной характеристики полупроводникового диода показан на рис. 2. Из этого рисунка следует, что вольт-амперная характеристика диода является нелинейной.

Теоретическая зависимость токаI, проходящего через полупроводниковый диод, от приложенного к нему напряжения U записывается в следующем виде:

 

I=I_s[exp()-1] (1)

гдеI_s — величина, зависящая от свойств полупроводника и постоянная при данной температуре Т; е — основание натуральных логарифмов, q — заряд электрона, k — постоянная Больцмана, — безразмерный коэффициент, зависящий от ширины запирающего слоя (обычно » 1).

Из формулы (1) следует, что в прямом направлении (когда U > 0) ток растет экспоненциально с увеличением U. В обратном же направлении (U<0) с увеличением напряжения

 

		Рис. 2

 

сила тока стремится к насыщению, т. е. к постоянной величине I_s (см. рис. 2). При достаточно больших обратных напряжениях наблюдается резкое возрастание тока (пробой диода), что объясняется действием сильного поля, создающего в запорном слое новые носители тока. Соответствующее увеличение тока уже не описывается формулой(1).

Выпрямляющие свойства полупроводникового диода характеризуются коэффициентом выпрямления K_B который равен отношению величины прямого токаI_пр к величине обратного тока I_обр при одинаковых по величине прямом и обратном напряжениях, т. е.

 

K_B=I_пр/I_обр (2)

 

Чем больше коэффициент выпрямления тем лучше выпрямитель выполняет свою роль.

Упражнение 1

Снятие вольт-амперной характеристики полупроводникового диода

Приборы и принадлежности: панель с исследуемым полупроводниковым диодом, миллиамперметр, микроамперметр, вольтметр, потенциометры, провода.

Порядок выполнения

 

1. Собрать схему для снятия вольт-амперной характеристики исследуемого диода при прямом направлении (см. рис. 3). Вольтметр при этом включить на диапазон 0-ЗВ, миллиамперметр — на диапазон 0-100 мА.

2. Поставить движки потенциометров в нулевое положение.

3. Замкнуть переключатель на панели в соответствии со схемой, представленной на рис. 3.

4. Включить питание.

5. Перемещая движки потенциометров, изменять величину приложенного к диоду прямого напряжения от 0 до 0,4 В и через каждые 0,05 В записывать соответствующие значения тока, проходящего через диод. Результаты наблюдений записать в табл.1.

6. Поставить движки потенциометров в нулевое положение, отключить питание.

7. Собрать схему для снятия вольт-амперной характеристики исследуемого диода при обратном направлении (см. рис. 4). Вольтметр при этом оставить включенным на диапазон 0-ЗВ.

8. Замкнуть переключатель на панели в соответствии со схемой, представленной на рис. 4. Включить питание.

9. Перемещая движки потенциометров, изменять величину приложенного к диоду обратного напряжения от 0 до 3В и записывать в табл. 2 соответствующие значения тока через диод.

10. Поставить движки потенциометров в нулевое положение. Отключить питание. Разобрать схему.

 

Упражнение 2

Порядок выполнения

1. На клеммы АВ панели с исследуемым диодом надеть штепсельную колодку, соединенную со вторичной обмоткой трансформатора.

2. На передней панели осциллографа ручку «развертка» поставить в положение 20 Гц, а ручку «род работы» — в положение «непр.».

3. На задней панели осциллографа вынуть колодки, соединяющие вход У-усилителя с У-пластинами (две правые колодки), а колодки, соединяющие вход X-усилителя с Х-пластинами, оставить на месте (две левые колодки).

4. В верхние гнезда У-пластин вставить два провода. ВНИМАНИЕ! В нижние гнезда провода вставлять нельзя, так как это может привести к порче осциллографа.

5. Присоединить провода, идущие от У-пластин осциллографа, к выходу вторичной обмотки трансформатора (клеммы A₁ и B₁ на панели).

6. Включить осциллограф и первичную обмотку трансформатора в сеть.

7. Поставить тумблер осциллографа «сеть» в положение «вкл.». При этом должна загореться лампочка шкалы «калибровка амплитуды».

8. Рукояткой «частота» плавно отрегулировать луч так, чтобы картина на экране осциллографа была неподвижной.

9. Зарисовать полученную кривую изменения напряжения от времени на вторичной обмотке трансформатора.

10. Отсоединить первичную обмотку трансформатора от сети. Тумблер осциллографа «сеть» поставить в положение «выкл.».

11. Отсоединить от клемм А₁ и B₁ провода, идущие от У-пластин осциллографа, и присоединить эти провода к сопротивлению R (клеммы А₁ и С на панели).

12. Включить первичную обмотку трансформатора в сеть. Тумблер осциллографа «сеть» поставить в положение «вкл.». Получить и зарисовать кривую изменения напряжения от времени на сопротивлении. (Поскольку напряжение на сопротивлении R пропорционально величине тока, протекающего через диод, то эта же кривая выразит характер зависимости тока через диод от времени),

13. Отсоединить первичную обмотку трансформатора от сети. Тумблер осциллографа «сеть» поставить в положение «выкл.».

 

Таблица 1 Таблица 2

U, В	I, мА	lg I
0,05
0,1
0,15
0,2
0,25
0,3
0,35
0,4

U, В	I, мА	I, мА
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
3,0

 

Упражнение 3

Порядок выполнения

1. На задней панели осциллографа вынуть все четыре колодки, соединяющие Х- и У-пластины с соответствующими усилителями,

2. Собрать схему по рис. 6. При этом провода, идущие от сопротивления R (клеммы А1 и С на панели), присоединить к У-пластинам (верхние правые гнезда), а провода, идущие от диода (клеммы С и B1 на панели), присоединить к Х-пластинам (верхние левые гнезда).

3. На клеммы АВ панели надеть штепсельную колодку, соединенную со вторичной обмоткой трансформатора.

4. Включить осциллограф и первичную обмотку трансформатора в сеть. Тумблер осциллографа «сеть» поставить в положение «вкл.».

5. Зарисовать форму полученной на экране осциллографа динамической вольт-амперной характеристики исследуемого полупроводникового диода. Если характеристика на экране осциллографа оказывается каким-либо образом перевернутой, то переключением проводов у осциллографа нужно добиться обычной ориентации характеристики относительно осей координат (см. рис. 2). Обычно приходится поменять между собой провода, подключенные к У-пластинам, или же поменять между собой провода, подключенные к Х-пластинам осциллографа.

6. Сравнить полученную динамическую вольт-амперную характеристику с вычерченной в линейном масштабе (упражнение 1) по экспериментальным точкам.

7. Отключить от сети трансформатор и осциллограф. Разобрать схему.

Контрольные вопросы

 

1. Нарисуйте схему энергетических уровней электронов в полупроводнике, изоляторе и металле.

2. В чем выражается влияние донорных и акцепторных примесей на электропроводность полупроводников? Опишите два рода проводимости полупроводников.

3. Почему p-n-переход обладает односторонней проводимостью?

4. Какие преимущества и недостатки имеют полупроводниковые выпрямители по сравнению с электронными лампами?

5. Какой формулой описывается вольт-амперная характеристика полупроводникового диода?

 

ЛИТЕРАТУРА

 

1. Савельев И. В. Курс общей физики, т. II. § 72, 74, 76, 78. М., «Наука». 1970.

При относительно низких интенсивностях изменение концентрации основных носителей при внутреннем фотоэффекте незначительно по сравнению с равновесной концентрацией. По этой причине изменение прямой ветви вольт-амперной характеристики (ВАХ) диода при освещении p-n-перехода незаметно. Для работы фотодиода используется обратная ветвь ВАХ p-n-перехода.

Носители, созданные светом на расстоянии диффузионной длины с обеих сторон p-n-перехода (рис. 3) диффундируют к p-n-переходу и увлекаются там электрическим полем. Разделение носителей происходит по той причине, что основным носителям при движении через p-n-переход приходится преодолевать потенциальный барьер, тогда как неосновные носители попадают в ускоряющее поле и легко перебрасываются на другую сторону p-n-перехода. Кроме того происходит и разделение пар, генерированных светом в пределах p-n-перехода. В результате дырки движутся в p-область, а электроны- в n-область, создавая электронный ток, направленный в n-область.

Суммарный фототок неосновных носителей I=I_fn+I_fp нарушает тепловое равновесие и заряжает p-область положительно относительно n-область (рис. 4).

При этом создается разность потенциалов, стремящаяся понизить величину барьера, как если бы к переходу было приложено напряжение φ в прямом направлении. Возникшее таким образом смещение p-n-перехода в прямом направлении вызывает прямой ток, образованный уже основными носителями и направленный противоположно току фотоносителей.

В случае, если внешняя цепь фотодиода разомкнута и, следовательно, внешнее напряжение отсутствует, то φ называют вентильной фотоэдс.

 

Вольт- амперная характеристика фотодиода

 

Пусть последовательно с фотодиодом (рис. 5) включен источник обратного напряжения E_вн и внешнее сопротивление R (фотодиодный режим работа прибора). В этом случае ток через p-n-переход создается потоком не- основных носителей и определяется уравнением

I= –I_f +I_s(e -1). (2)

Таблица 1

,cм	Φ	U, B
		I,мкА

 

Таблица 2

l,cм
Φ
U1=0	I мкА
U2	I мкА
U3	I мкА

 

Контрольные вопросы

1. Что такое внутренний фотоэффекти чем определяется его длинно­волновая граница для беспримесного полупроводника?

2. Как образуется фототок и фотоэдс в p-n-переходе?

3.Что такое спектральная чувствительность фотодиода и от каких факторов она зависит?

4. Что такое интегральная чувствительность фотодиода?

5.Каково аналитическое выражение ВАХ диода и фотодиода?

6.Что такое световая характеристика светодиода?

7.Почему для работы фотодиода используется обратная ветвь ВАХ?

8. В чем различие вентильного и фотодиодного режима работы осве­щенного перехода?

ЛИТЕРАТУРА

1. Епифанов Г. И. Физические основы микроэлектроники. М., «Советское радио», 1971.

 

РАБОТА №46

ИЗУЧЕНИЕ РАБОТЫ ПОЛУПРОВОДНИКОВОГО ДИОДА

Цель работы: ознакомление с вольт-амперной характеристикой и выпрямляющим действием полупроводникового диода, сравнение измеренной вольт-амперной характеристики с теоретической.

Введение

С развитием полупроводниковой техники все большее применение в выпрямительных устройствах промышленной электроники находят полупроводниковые выпрямители-диоды.

По сравнению с электронными лампами кристаллические полупроводниковые выпрямители обладают рядом преимуществ — они имеют малые размеры и большой срок службы, потребляют малые мощности, всегда готовы к работе (в то время как предварительный разогрев электронных ламп требует нескольких минут), не имеют хрупких стеклянных частей.

Недостатком полупроводниковых диодов является сильная температурная зависимость их электрических характеристик.

Для устройства полупроводниковых диодов используется выпрямляющее действие контакта полупроводников с различными типами проводимости или металла с полупроводником. Односторонняя (монополярная) проводимость таких контактов связана с существованием контактной разности потенциалов между двумя соприкасающимися телами.

В качестве примера рассмотрим контакт двух полупроводников с различными типами проводимости, т. е. контакт полупроводников n- и р-типа. Пусть они выбраны так, что работа выхода полупроводника р-типа больше, чем работа выхода полупроводника n-типа.

В частности, полупроводником р-типа может служить германий с примесью индия, а полупроводником n-типа — германий с примесью мышьяка или сурьмы. До соприкосновения каждыйиз них нейтрален,так как суммарный заряд всех электронов равен суммарному заряду положительных ионов. Общее число свободных электронов в полупроводнике n-типа больше, чем в полупроводнике р-типа, а число «дырок» — наоборот. При соприкосновении таких полупроводников, обладающих разными работами выхода, происходит переход электронов от полупроводника с меньшей работой выхода к полупроводнику с большей работой выхода. Следовательно, электроны из полупроводника n-типа будут переходить в полупроводник р-типа. В результате вблизи границы соприкосновения в полупроводнике n-типа образуется избыточный положительный заряд, а в полупроводнике р-типа — избыточный отрицательный заряд. Таким образом, на границе соприкосновения полупроводников n- и р-типа возникает двойной электрический слой, который создает контактное электрическое поле с напряженностью Е_k и с определенной разностью потенциалов на границах слоя (рис. 1,а). Контактная разность потенциалов создает потенциальный барьер для подвижных носителей тока и препятствует дальнейшему переходу их через контактный слой. При определенной высоте потенциального барьера наступает состояние подвижного равновесия, условием которого является выравнивание уровней Ферми в обоих полупроводниках. Область контакта, обедненная подвижными носителями тока, имеет сопротивление большее, чем сопротивление глубинных областей контактирующих полупроводников.

Таким образом, контактный слой является запирающим слоем с повышенным сопротивлением. Ширина запирающего слоя, а следовательно, и его сопротивление существенно зависят от величины и направления приложенного к р-n-переходу внешнего электрического поля (типичная ширина р-n перехода» 1мкм). Когда внешнее электрическое поле E_B совпадает по направлению с контактным полем Е_K (см. рис. 1,б), оно усиливает поле контактного слоя, что приводит к возрастанию потенциального барьера, увеличению ширины запирающего слоя, его сопротивления. Такое направление внешнего электрического поля называется запорным или обратным направлением.

 

 

 

 

Если внешнее электрическое поле Е_B по направлению противоположно контактному полю Е_K (см. рис. 1,в), то поле в приконтактной области ослабевает, потенциальный барьер уменьшается и носители тока движутся в сторону контакта. Ширина запирающего слоя и его сопротивление при этом тоже уменьшаются. Такое направление внешнего электрического поля называется пропускным или прямым. Включая р-n-переход в цепь с переменным электрическим напряжением, можно получить значительные величины тока только в одном направлении, т. е. можно выпрямить переменный ток. Действительно, в течение одной половины периода (прямое направление внешнего электрического поля) через выпрямитель протекает значительный ток, а в течение второй — ток мал (обратное направление внешнего поля). Прямой ток может в несколько сотен раз превышать обратный при одном и том же абсолютном значении напряжения.

При изготовлении промышленного диода используется р-n-переход в одном кристалле. Получить подобный р-n-переход удается путем введения различных примесей в разные участки одного и того же кристалла. На р- и n-областях кристалла создаются невыпрямляющие контакты для включения диода в цепь. Наиболее широкое применение для изготовления диодов получили такие полупроводниковые материалы, как Ge, Si,SiCи другие. На схемах полупроводниковый диод изображается так, как показано на рис. 1,г. Стрелка указывает прямое направление внешнего поля.

Основной характеристикой полупроводникового диода является его вольт-амперная характеристика, т.е. зависимость тока, проходящего через диод, от величины и направления приложенного к диоду напряжения. Общий вид вольт-амперной характеристики полупроводникового диода показан на рис. 2. Из этого рисунка следует, что вольт-амперная характеристика диода является нелинейной.

Теоретическая зависимость токаI, проходящего через полупроводниковый диод, от приложенного к нему напряжения U записывается в следующем виде:

 

I=I_s[exp()-1] (1)

гдеI_s — величина, зависящая от свойств полупроводника и постоянная при данной температуре Т; е — основание натуральных логарифмов, q — заряд электрона, k — постоянная Больцмана, — безразмерный коэффициент, зависящий от ширины запирающего слоя (обычно » 1).

Из формулы (1) следует, что в прямом направлении (когда U > 0) ток растет экспоненциально с увеличением U. В обратном же направлении (U<0) с увеличением напряжения

 

		Рис. 2

 

сила тока стремится к насыщению, т. е. к постоянной величине I_s (см. рис. 2). При достаточно больших обратных напряжениях наблюдается резкое возрастание тока (пробой диода), что объясняется действием сильного поля, создающего в запорном слое новые носители тока. Соответствующее увеличение тока уже не описывается формулой(1).

Выпрямляющие свойства полупроводникового диода характеризуются коэффициентом выпрямления K_B который равен отношению величины прямого токаI_пр к величине обратного тока I_обр при одинаковых по величине прямом и обратном напряжениях, т. е.

 

K_B=I_пр/I_обр (2)

 

Чем больше коэффициент выпрямления тем лучше выпрямитель выполняет свою роль.