Дослідження електричного струму в напівпровідниках

Мета роботи – зняття вольт-амперної характеристики напівпровідникового діода; визначення залежності опору діода і коефіцієнта випрямлення від напруги; вивчення роботи діода з випрямлення змінного струму в схемах одно- і двопівперіодного випрямлення.

         Напівпровідниками називають речовини, які залежно від зовнішніх впливів (температури, домішок, опромінення та ін.) є або провідниками, або діелектриками. У напівпровідників провідність зростає зі збільшенням температури, а у металів зменшується.

Кожному валентному електрону кристала, згідно з квантовою теорією, відповідає певне значення енергії (рівень на енергетичній діаграмі). Сукупність рівнів енергії валентних електронів однорідного кристала утворює на енергетичній діаграмі напівпровідника валентну зону – зону дозволених рівнів (або просто: дозволену зону), які можуть бути зайняті електронами повністю або частково (це залежить від будови атомів певної речовини).

        Кількість енергетичних рівнів у валентній зоні дорівнює N/2, якщо кристал містить N атомів. Оскільки в реальних кристалах кількість атомів дуже велика (~10²³ см^-3), то енергетична різниця між сусідніми рівнями в зоні зовсім мала (<< kT). Навіть при такій великій ширині зони як 10 еВ ця різниця має порядок 10^-22 еВ для 1 см³ кристала.

        Далі ми розглянемо спрощену схему розташування вказаних вище зон і заповнення їх електронами. При цьому слід пам’ятати дві важливі речі: 1) система енергетичних рівнів знаходиться не в звичайному просторі, де одиницями виміру відстані є метр, сантиметр та ін., а в енергетичному просторі, де відстані між рівнями вимірюються в одиницях енергії (Дж, еВ та ін.); 2) принцип Паулі, за яким кожний квантовий стан може бути зайнятий не більш ніж одним електроном. Підвищення енергії електронів при цьому означає переміщення їх з одного рівня на інший, більш високий, рівень енергії.

       

 

                                                Рис.36.1

 

       На рис.36.1 горизонтальними лініями показано енергетичні рівні, які складають валентну зону і наступну за нею вільну від електронів зону. Між ними знаходиться заборонена зона з шириною W. На зайнятих електронами рівнях позначено два електрони чорними кружками зі стрілками. Це не суперечить принципу Паулі, тому що при однаковій енергії електрони мають різні проекції власних орбітальних моментів (спинів), тобто знаходяться у різних квантових станах, на що вказують протилежні напрямки стрілок.

        На рис.36.1 зображено три випадки:

         1. У валентній зоні, де знаходяться електрони, всі рівні зайняті. Ширина забороненої зони велика: W >> kТ (рис.36.1,а). У цьому випадку під дією електричного поля і підвищення температури (якщо ці дії не занадто великі) підвищення енергії, а, отже, і рух електронів неможливі – надто велика ширина забороненої зони (відстань до наступної вільної зони). Це – діелектрики.

         2. У валентній зоні зайнята лише частина рівнів, при низьких температурах – нижня. Електрони, що розташовані поблизу вакантних рівнів, можуть легко переходити до них під дією дуже маленького електричного поля. Ця зона зветься зоною провідності, а кристал є провідником (рис.36.1,б). Для різних металів є інші розташування валентних зон (наприклад, їх перекриття), але принцип виникнення електричного струму в них залишається тим самим, що і в спрощеному варіанті.

3. Картина зайнятих і вільних від електронів рівнів та сама, що і у діелектриків, тільки ширина забороненої зони W маленька настільки, що при невеликому збільшенні температури електрони заповненої валентної зони одержують енергію, якої достатньо для подолання забороненої зони і переходу до вільних рівнів наступної зони (рис.36.1,в). Кількість електронів, що переходять, а, отже, і величина електричного струму сильно збільшуються при підвищенні температури. Це – напівпровідники. Вільна зона, в яку переходять електрони, називається зоною електронної провідності, а валентна зона, яку електрони залишають, - зоною дірочної провідності. Діркою умовно називають вакантне місце, яке звільняє електрон. Їй приписують позитивний заряд. Перехід електронів із заповненої зони у вільну зону супроводжується переміщенням дірок, що обумовлює дірочну провідність. На рис.36.1,в дірки позначені прозорими кружками. Звичайно, справжніми носіями електричних зарядів у напівпровідниках (як і в металах) є реальні електрони, а не формально введені дірки.

        Провідність  чистих (без сторонніх домішок) напівпровідників, обумовлену підвищенням температури, називають власною провідністю. У першому наближенні для невеликого інтервалу температур вона, таким чином, залежить від абсолютної температури Т:

 

,

        де k=1,38 ^. 10 ^-23 Дж/К (стала Больцмана);

₀ – стала величина, яка залежить від конкретного     напівпровідника.

 

        Ніякої якісної відміни між діелектриками і напівпровідниками при низьких температурах немає. Є тільки кількісна – ширина забороненої зони. Умовно до діелектриків багато дослідників відносять речовини, в яких ширина забороненої зони більше 2 еВ. До напівпровідників відноситься широкий клас речовин: більшість елементів IV, V i VI груп періодичної системи Менделєєва (вуглець у вигляді графіту, бор, кремній, германій, фосфор, миш’як, селен, сурма, телур, йод та ін.); багато сплавів, солей; велика кількість неорганічних сполук.

        Окрім власної провідності існує домішкова провідність напівпровідників. Вона виникає при введенні в кристалічну гратку чистої речовини атомів інших речовин, а також при порушеннях власної кристалічної гратки. Оскільки електричний струм виникає при дуже маленьких кількостях цих атомів або порушеннях власної гратки, їх в обох випадках для стислості називають домішками.

        У свою чергу, домішкова провідність може бути двох видів: донорна (n-типу) і акцепторна (р-типу).

        Донорна провідність виникає у випадку, коли атоми домішки мають валентність вище ніж атоми основної речовини, а енергетичні рівні валентних електронів домішки розташовуються в забороненій зоні напівпровідника близько до вільної зони (нижче неї). Під дією зовнішнього електричного поля електрони з домішкового рівня легко переходять на рівні вільної зони, створюючи електричний струм (рис.36.2,а). Прикладом є чотиривалентний напівпровідник германій, в якому деякі атоми замінені атомами п’ятивалентної сурми.

Акцепторна провідність виникає у випадку, коли атоми домішки мають валентність менше ніж атоми основної речовини, а домішкові рівні розташовані в забороненій зоні дуже близько до валентної зони, яка зайнята електронами, але вище неї. Під впливом зовнішнього електричного поля електрони з валентної зони основної речовини легко переходять на вільні рівні акцепторної домішки, створюючи у валентній зоні так звані позитивні дірки (рис.36.2, б). Оскільки вони, знаходячись в енергетичному спектрі основної речовини, володіють більшою рухливістю, ніж електрони в акцепторній домішці, така провідність називається дірочною,        або р-типу (позитивною). Прикладом є той самий германій з домішкою тривалентного індію, який намагається приєднати до себе четвертий електрон із гратки германію.

Рис.36.2

        Велике практичне значення мають з’єднання напівпровідників двох типів: n i p. Таке з’єднання називається напівпровідниковим діодом і може використовуватися як випрямляч змінного струму.

 

 

 

Рис. 36.3

 

        Розглянемо явища, які відбуваються в місці контакту К двох провідників n- i p-типу (рис.36.3,а). Внаслідок теплового руху через місце контакту відбувається дифузія електронів і дірок. Напівпровідник n-типу втрачає електрони і тому заряджається позитивно. Водночас напівпровідник р-типу заряджається негативно. Поблизу межі поділу К утворюється подвійний електричний шар LL`, який створює контактне електричне поле, що перешкоджає дальшій однобічний дифузії електронів у напрямі n → p і дірок у протилежному напрямі. Концентрація носіїв струму в контактному шарі внаслідок їх рекомбінації набагато менша, ніж в об’ємі напівпровідника, тому цей шар називають запірним.

        Прикладемо до контакту p-n напівпровідників зовнішнє електричне поле так, щоб струм проходив від напівпровідника р-типу до напівпровідника n-типу (рис.36.3,б). Дірки і електрони почнуть переміщуватися в напрямі до контакту. Опір запірного шару внаслідок збільшення концентрації носіїв струму зменшиться, і через контакт піде більший струм. Цей напрям струму називається прямим.

Прикладемо до контакту p-n напівпровідників зовнішнє електричне поле в напрямі від напівпровідника n-типу до напівпровідника р-типу (рис.36.3,в). Під дією зовнішнього поля дірки і електрони рухатимуться вглиб відповідних напівпровідників, зона запірного шару збільшиться, а тому зросте і його опір. Сила струму, що проходить через контакт, зменшиться. Такий зворотній напрям струму називається запірним. На цих властивостях p-n переходу ґрунтується дія напівпровідникового діода. Здатність напівпровідникового діода проводити струм в одному напрямку краще, ніж в іншому, обумовлює його застосування для випрямлення змінного струму. На рис. 36.4 зображено типову залежність струму (він проходить через p-n перехід) від прикладеної напруги, так звану вольт-амперну характеристику діода. З рис. 36.4 видно, що при U > 0 (прямий напрям) опір переходу незначний і струм різко зростає; при U < 0 (зворотній напрям) опір великий і струм практично залишається незмінним до деякого значення U₀ , при якому струм різко зростає. Така напруга називається пробивною.

 

Рис. 36.4

              

          Властивості напівпровідникового діода, який є випрямлячем, характеризуються коефіцієнтом випрямлення, що дорівнює відношенню струмів, прямого до зворотного, які вимірюються при однакових за величиною прямій і зворотній напругах:

                                             Iпр  

                                   ½ K= ¾¾ (при ½U_пр½= ½U_зв).             (1)

                                             I_ЗВ

          Опір напівпровідникового діода R також є його характеристикою. Його можна визначити із закону Ома за формулою

,                                                                  (2)

 

де U – напруга;

 I – сила струму.

         На рис. 36.5 зображено типову залежність опору діода в прямому і зворотному напрямах від прикладеної напруги.

                                                       

 

Рис.36.5

         

Діоди для випрямлення промислового струму виготовляють з напівпровідників, що мають великий опір (германій, кремній, селен, а також закис міді Cu₂O). Найефективнішими є германієві та кремнієві діоди, ККД яких досягає 98%, і селенові – 70%.