Лабораторная работа 59

ИЗУЧЕНИЕ РАБОТЫ ПОЛУПРОВОДНИКОВОГО ДИОДА

Цель работы: снятие вольтамперной характеристики полупроводникового диода. Расчет коэффициента выпрямления.

Приборы и принадлежности: электрическая схема с исследуемым полупроводниковым диодом.

Основные понятия

Твердое тело - это физическая система взаимодействующих атомов и молекул, обладающая определенными свойствами и своими особенностями.

Кристаллические тела имеют четкую внутреннюю структуру - кристаллическую решетку. Кристаллическая решетка представляет собой пространственную сетку, в узлах которой располагаются частицы, образующие твердое тело. Пример простейшей структуры - кубической решетки - показан на рисунке 1. И з таких элементов, перемещенных по трем пространственным осям, построен весь кристалл. Изучение структуры реальных кристаллов показывает, что их внутреннее строение отличается от реальных кристаллов. Отклонения структуры реальных кристаллов от идеальной называются дефектами. Видов дефектов много, одним из них являются так называемые примеси. Это наиболее важный и распространенный вид дефектов, сильно влияющий на свойства кристаллов.

Кристаллические тела, в свою очередь, по способности проводить электрический ток (электропроводность) делятся на металлы, полупроводники и диэлектрики. Четкой границы такого деления не существует, так как свойства кристаллов в большинстве своем зависят от внешних условий, особенно от температуры. Наиболее наглядным признаком деления кристаллов является особенность зонного энергетического спектра.

Известно, что при образовании кристалла уровни энергии отдельных электронов расщепляются на N подуровней (N-число атомов в кристалле), которые близко прилегают друг к другу и образуют энергетическую зону. Зоны, образованные подуровнями разрешенных для электронов энергий, называются разрешенными энергетическими зонами.

Разрешенные энергетические зоны разделены зонами запрещенных значений энергии, называемыми запрещенными энергетическими зонами. Ширина зон (разрешенных и запрещенных) не зависит от размера кристалла.

Каждая энергетическая зона содержит ограниченное число подуровней и в соответствии с принципом Паули на каждом может разместиться не более двух электронов с противоположно направленными спинами. Характер заполнения зон электронами лежит в основе деления всех твердых тел на три класса.

Первый класс содержит целиком заполненные зоны, последняя из которых называется валентной (В.З.) и свободные зоны проводимости (З.П.). Между ними располагается запрещенная зона (рис. 2,а). К этому классу твердых тел относятся полупроводники и диэлектрики. Деление на полупроводники и диэлектрики обусловлено шириной запрещенной зоны Е, лежащей над валентной зоной. Если Е  1 эВ, то это диэлектрики, если  Е 1 эВ, то это полупроводники. Деление на полупроводники и диэлектрики по этому признаку довольно условно.

У второго класса твердых тел над валентной зоной после запрещенной лежит зона, укомплектованная частично; у нее заняты только нижние подуровни у дна зоны (рис 2, б).

У третьего класса твердых тел верхняя, целиком заполненная зона, перекрывается с расположенной над ней свободной зоной (см. рис 2, в). Твердые тела, обладающие энергетическим спектром второго и третьего классов, являются проводниками.

Хорошим объектом для изучения свойств твердых тел являются полупроводники, получившие широкое техническое применение, особенно в последнее время. Во всех случаях их использование связано с сильной зависимостью электропроводности от температуры, чистоты материала полупроводника и внешних воздействий.

Типичными полупроводниками являются кристаллы элементов четвертой группы таблицы Менделеева – германий, кремний, а также соединения типа А2В6,А3В5 (HgTe, CdTe, ZnSb, AlSb) и другие.

Различают собственные и примесные полупроводники.

Собственные полупроводники - это химически чистые элементы. Их проводимость называют собственной.

П ри температуре 0 К и отсутствии других внешних факторов собственные полупроводники ведут себя как диэлектрики. При повышении температуры электроны с верхних уровней валентной зоны могут быть переброшены на нижние уровни зоны проводимости (рис. 3).

При наложении на кристалл электрического поля электроны будут перемещаться против поля и создадут электрический ток. Проводимость собственных полупроводников, обусловленная электронами, называется электронной, или проводимостью n-типа.

После заброса электронов в зону проводимости в валентной зоне возникают вакантные состояния, называемые дырками.

Во внешнем поле на место дырки может переместиться электрон с нижележащего уровня, а дырка появится там, откуда пришел электрон. Возникает процесс, равносильный перемещению дырок по полю, т.е. в направлении, противоположном движению электронов. Проводимость собственных полупроводников, обусловленная квазичастицами - дырками, называется дырочной, или проводимостью р-типа. Таким образом, в собственных полупроводниках существует два механизма проводимости: электронный и дырочный.

Проводимость полупроводников, обусловленная примесями, называется примесной, а сами полупроводники примесными. Примеси могут быть внесены в чистый (собственный полупроводник) атомами посторонних элементов, избыточными атомами собственного вещества, различными типами дефектов.

Введение примеси в полупроводник меняет его проводимость в 5 - 10 раз, даже при концентрациях примеси, равной тысячной доли процента.

Рассмотрим механизм примесной проводимости на примере Ge, в который вводятся атомы с большей или меньшей валентностью. На рис. 4 а, показана схема замещения атома Ge на атом As, имеющего валентность на единицу больше, чем у германия. Один лишний электрон атома As не может образовать ковалентной связи, он оказывается лишним и может при тепловых колебаниях решетки отщепиться от атома и стать свободным (темный кружок на рис.). Но дырка при этом не возникает.

Избыточный положительный заряд связан с атомом As и перемещаться не может. Примесь (атом As) искажает поле решетки, и в запрещенной зоне появляется уровень энергии отщепленного электрона, расположенный у дна зоны проводимости. Примесный донорный уровень Е_D Е, (рис 4, б).

Чтобы теперь перебросить электрон в зону проводимости, нужна меньшая энергия, чем Е. В таких полупроводниках возникает электронная примесная проводимость (n-типа). Полупроводники соответственно называются электронными или n-типа.

Если в решетку Ge ввести атом меньшей валентности, например In, то для образования ковалентной связи с четырьмя соседями будет недоставать одного электрона; этот электрон может быть захвачен от соседнего атома Ge, где соответственно образуется дырка (рис. 5, а).

Последовательное заполнение образовавшихся дырок электронами эквивалентно перемещению дырок в полупроводнике, т.е. дырки перемещаются в решетке Ge как свободные положительные заряды. По зонной теории введение в решетку Ge примеси с меньшей валентностью приводит к возникновению в запрещенной зоне примесного уровня не занятого электронами, и расположенного у потолка валентной зоны (рис. 5, б)

Близость примесных уровней к валентной зоне приводит к тому, что уже при низких температурах электроны переходят на примесные уровни, а проводимость создается движением дырок в валентной зоне.

Таким образом, в полупроводниках с примесью, валентность которой меньше валентности основных атомов, носителями являются дырки; проводимость называют дырочной, а полупроводники - дырочными, или р-типа. Примеси, захватывающие электроны, называются акцепторными, соответственно уровни - акцепторными.

В примесных полупроводниках проводимость обеспечивается в основном носителями одного знака электронами или дырками. Эти носители называются основными. Кроме них имеются и неосновные: в полупроводниках n-типа - дырки, а в полупроводниках р- типа – электроны. Как и проводимость любого проводника, проводимость примесного полупроводника определяется концентрацией носителей тока.

Большое практическое значение получили особенные свойства границы двух полупроводников, один из которых имеет электронную, а другой - дырочную проводимость, так называемые р-n переходы. Эти переходы являются основой работы многих полупроводниковых приборов (транзисторов, диодов).

Р-n переход нельзя осуществить механическим соединением двух полупроводников. Обычно область различной проводимости создают в процессе выращивания полупроводника, или внесением в полупроводник примесей.

Рассмотрим физические процессы, происходящие в р-n - переходе (рис. 6, а). В полупроводнике n-типа концентрация электронов выше, чем в р-типа, поэтому электроны начнут диффундировать в область р- типа. Диффузия дырок будет происходить в обратном направлении р  n.

В n –типа полупроводнике из–за ухода от границы дырок, вблизи перехода образуются отрицательные заряды, создающие на границе р-n перехода двойной электрический слой, поле которого препятствует дальнейшему взаимному переходу дырок и электронов. Если концентрация доноров и акцепторов в полупроводниках одинакова, то толщины слоев одинаковы d₁=d₂. При некоторой толщине d=d₁+d₂ наступает равновесное состояние, а на границе р-n перехода возникает контактная разность потенциалов. Носители тока способны преодолеть эту разность потенциалов лишь при температуре в несколько тысяч градусов, т.е. при комнатных температурах этот слой является запирающим и имеет повышенное сопротивление.

Э то сопротивление можно изменить с помощью внешнего электрического поля. Если приложить к р- n переходу внешнее электрическое поле Е, направленное от n-типа к р-типа области полупроводника (рис 6, б.), то оно вызывает движение электронов и дырок от границы p-n перехода, в результате чего ширина запирающего слоя d увеличивается, а его сопротивление возрастает.

Направление внешнего поля расширяющего запирающий слой называется запирающим, или обратным. В этом направлении ток через p-n переход почти не идет, так как он образуется только движением неосновных носителей.

Если приложить к p-n-переходу внешнее поле противоположно полю запирающего слоя Е_к (см. рис. 6, в), то оно вызывает движение электронов и дырок к границе p-n-перехода. В запирающем слое они рекомбинируют (обратный переход электрона из зоны проводимости в валентную зону - уничтожение свободного электрона и свободной дырки), число свободных носителей уменьшается. Ширина запирающего слоя и его сопротивление уменьшаются. Следовательно, в этом (прямом) направлении ток через p-n - переход пойдет.

Таким образом, p-n - переход имеет одностороннюю вентильную проводимость.