Исследование полупроводникового диода

1. Цель работы: Изучить физические явления и основные закономерности определяющие свойства р-п перехода. Снять вольт- амперную характе-ристику диода.

 

2. Теоретическая часть

Для описания электрических свойств полупроводниковых материалов сле-дует исходить из следующих положений:

– проводимость полупроводников растет с увеличением температуры (напомним, что у металлов она уменьшается);

–имеются различные зоны энергии для носителей тока– электродов.

Согласно квантовой теории энергия электронов в любом кристаллическом теле может принимать лишь дискретные значения, называемые уровнями энергии. Согласно принципу запрета Паули в любой квантовой системе (атоме, молекуле, кристалле) на каждом энергетическом уровне может находиться не более двух электронов с противоположенными спинами.

Разрешенные значения энергии электронов в кристалле объединяются в зоны, разделенные промежутками, в которых разрешенных значений энергии нет.

В зависимости от структуры этих зон все кристаллические тела подразделяются на проводники (металлы), полупроводники и изоляторы (диэлектрики). Схематически расположение и структуру зон можно изобразить следующим образом (при Т = 0).

Существуют собственные и примесные полупроводники. К собственным относятся химически чистые полупроводники (кремний, германий), а к при-месным –полупроводники, в которые искусственно введены примеси, например, в германий – фосфор, в кремний – бор.

Рис.1 Схема расположения и структура зон

В собственном полупроводнике при абсолютном нуле все уровни валентной зоны полностью заполнены электронами, а в зоне проводимости электроны отсутствуют (рис.2,а). При температурах, отличных от абсолютного нуля, часть электронов с верхних уровней валентной зоны переходят в результате теплового возбуждения на нижние уровни зоны проводимости (рис.2,б). При этом в зоне проводимости появляется некоторое число свободных электронов. Свободные от электронов места в валентной зоне, несущие положительный избыточный заряд + е(е – заряд электрона) называются дырками.

Возможные перемещения валентных электронов, последовательно замещающих друг друга, вызывают движение дырок.

Рис.2 Схема энергетических зон собственного полупроводника.

Таким образом, электрический ток в полупроводнике возникает в резуль-тате движения двух типов носителей заряда – дырок (–). Такая проводимость называется собственной и наблюдается в чистых полупроводниковых кристаллах (где нет атомов примеси) при достаточно высоких температурах.

В реальных полупроводниках в узлах кристаллической решетки всегда существуют атомы примесей. При наличии электрически активных примесей возникает примесная проводимость. Различают два основных вида электрически активных примесей:

1 – донорные примеси, поставляющие электроны в зону проводимости; 2 – акцепторные, забирающие электроны из валентной зоны и способствующие образованию дырок. Уровни энергии донорной примеси должны находиться вблизи зоны проводимости (рис.3.а), так как валентный электрон легко отщепляется от атома примеси.

Рис.3. Схема энергетических зон примесного полупроводника.Е_F – уровень энергии Ферми.

В этом случае появление свободного электрона в зоне проводимости не сопровождается образованием дырки в валентной зоне. Уровни энергии акцеп-торной примеси находятся вблизи валентной зоны (рис.3б). Электрону из валентной зоны энергетически выгоднее перейти на акцепторный уровень. Такой переход отвечает образованию дырки без возникновения электрона в зоне проводимости. Если в полупроводнике находятся только донорные примеси, то проводимость является электронной и он принадлежит к n – типу (от слова nеqativ – отрицательный) в случае присутствия только акцепторных примесей проводимость называется дырочной и обозначается как р – тип (от слова роsίtίv – положительный). Чтобы получить нужный уровень n – или р –тип проводимости на практике в полупроводниковый материал вводят заданное количество атомов электрически активных примесей.

Рассмотрим контакт одного и того же полупроводникового материала р – и n – типа проводимости с однородным распределением примеси в р – и n – областях. Такой переход с резким изменением концентрации примесей будем называть р – n переходом. Он представляет собой тонкий слой на границе между двумя областями одного и того же кристалла, отличающимися типом примесной проводимости.

Вследствие диффузного перемещения подвижных носителей, обусловлен-ного хаотическим движением и наличием градиентов концентрации, электроны будут перемешаться из n – области в р – область перехода, а дырки в обратном направлении. В результате ухода электронов в приконтактной области n – типа остается некомпенсированный положительный заряд ионизированных донорных атомов. Аналогично этому по мере ухода дырочек из р – области у границы раздела возникает нескомпенсированный отрицательный зард, ионизированных акцепторных атомов. Образующаяся при этом обедненная подвижными носителями тока (электронами и дырками) область двойного объемного заряда получила название запирающего, или обедненного слоя (рис.4).

Рис.4. Схематическое изображение р – n– перехода. Ширина этого слоя зависит от концентрации примесей (концентрации р и n), контактной разности потенциалов φ_к и напряжения V, приложенного к р - переходу. С увеличением положительного напряжения ширина запирающего слоя уменьшается и увеличивается при отрицательном обратном напряжении. Чем меньше концентрация примесей концентрация носителей тока в полупроводнике, тем тоньше слой объемного заряда. Толщина области р – n перехода может быть порядка 10^-6 – 10^-4 см.

Общий ток через переход равен сумме дырочного и электронного токов через границу запирающего слоя.

(1)

где Д_р и Д_n – коэффициент диффузии соответственно дырок и электронов;

ј_n, ј_p –‘электронный и дырочный токи, соответственно;

е – заряд электрона.

Диффузный ток протекает до тех пор, пока на границе р – n перехода не установится определенная контактная разность потенциалов (электрическое поле в месте контакта, которое препятствует переходу электронов из полупроводника n–типа в р –область). Таким образом, устанавливается равновесие между носителями тока при некотором значении напряжения на р – n – переходе, например, для полупроводникового материала – германия контактная разность потенциалов φ_к ≈ 0,4 -0,5 В при Т= 300К и равенстве концентраций электронов и дырок. В общем случае контактная разность потенциалов φ_к возникает, если работа выхода электронов у соприкасающихся тел различна и выражается в виде разностей работ выхода. Работа выхода электронов из полупроводника n– типа всегда меньше, чем в материале р –типа.

Особенности прохождения электрического тока через р – n переход связаны с тем, что на границе областей с различными типами проводимости существует потенциальный барьер для движения носителей тока в определенном направлении. Активной областью полупроводникового диода, обладающего выпрямляющими свойствами, является р – n – переход, который пропускает большой ток в прямом направлении от р – области к n – области и малый в обратном направлении, когда напряжение приложено плюсом к n, а минусом к р – области.

Решая уравнение непрерывности с учетом выражения (12) можно получить формулу для вольт - амперной характеристики полупроводникового диода в виде

, (2)

где J_s–ток насыщения; е – заряд электрона; k – постоянная Больцмана;

Т – температура; U – напряжение на диоде

Выражение (2) описывает вольт-амперную характеристику (ВАХ) идеаль-ного диода (рис.5), то есть без учета процессов, протекающих в самом запира-ющем слое, явлений на поверхности кристаллов, краевых эффектов. С ростом напряженности на диоде (на р – n– переходе) зависимость тока от напряжения становится почти линейной. Путем экстраполяции этой зависимости к малым токам определим падение напряжения на р – n переходе U отс (напряже-ние отсечки), которое приблизительно равно контактной разности потенциалов φ_к.

Рис.5. Вольт- амперная характеристика полупроводникового диода.

При отрицательном напряжении как следует из выражения (2), когда << 1, ток стремится к насыщению (J=J_s).

Неодинаковость сопротивления в прямом и обратном направлении позволяет использовать р – nереход для выпрямления переменного тока. Промышленностью выпускаются селеновые, германиевые и кремниевые диоды.

 

 

Экспериментальная часть

ОПИСАНИЕ УСТАНОВКИ

Вольт – амперную характеристику (ВАХ) диодов снимать на установке, схема которой приведена на рисунке 6. Установка включает в себя источник постоянного тока КПТ на 30 В, реостат (R₁) на 1000Ом; ограничительное сопротивление R₂ на 150 Ом; полупроводниковый диод Д типа Д305, вольтметр V с пределами измерения 0-30 В, миллиамперметр (МА) с пределами измерения 0-200мА, и миллиамперметр с пределами измерения 0-50-100мкА. Обратная ветвь В-А характеристики снимается на той же установке путем замены мА на мкА и изменением полярности диода.

Рис.6. Схема установки для снятия вольт-амперной характеристики полупроводникового диода.

ВЫПОЛНЕНИЕ РАБОТЫ

1. Снять ВАХ исследуемого диода, для чего:

а) установить на измерительных приборах пределы, соответствующие измеряемым величинам;

б) регулятором напряжения (реостатом) установить нулевое значение напряжения;

в) снять зависимость J = f (V) диода в прямом направлении измерения про-вести при токах в пределах (0-200) мА, фиксируя значение напряжения. Количество измерений не менее 8-10. Результаты занести в таблицу.

г) снять зависимость J = f (V)диода в обратном направлении. Измерения провести в интервале напряжений – (0-25) В, фиксируя значение тока. Результаты занести в таблицу.

Таблица

№ п/п	Прямое напряжение	Обратное напряжение
J, мА	V, В	JмкА	V, В

2.По результатам измерений построить вольт-амперную характеристику на миллиметровой бумаге, откладывая по горизонтальной оси напряжение, а на вертикальной – ток.

3.По вольт-амперной характеристике оценить контактную разность потенциалов φ_к и значение тока насыщения J_s. Результаты записать в тетради.

 

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Цель и производство работы.

2. Элементы зонной теории твердых тел. Распределение электронов по энерге-тическим зонам. Валентная зона проводимости.

3. Электронная и дырочная проводимости полупроводников, механизм соб-ственной проводимости.

4. Зонная теория примесной проводимости.

5. Контакт электронного дырочного полупроводников (р – п - переход) его вольт –амперная характеристика.

6. Электрические схемы выпрямителей переменного тока на полупровод-никовых диодах, их характеристики.

 

 

Работа № 11