Влияние температуры на ход вольтамперной характеристики p-n перехода
На вольтамперную характеристику p-n перехода существенное влияние оказывает температура. На рис. 15 видно, что более существенное изменение претерпевают обратные ветви характеристик германиевого и кремниевого p-n переходов.
Дело в том, что с повышением температуры кристалла увеличивается тепловая энергия электронов, поэтому повышается вероятность их перехода из валентной зоны в зону проводимости, что приводит к росту концентрации неосновных носителей заряда, а, следовательно, и возрастанию обратного тока.
а
б
Рис. 15. Вольтамперные характеристики p-n переходов при разных температурах:
а – германиевого; б – кремниевого
В германиевых p-n переходах при комнатной и повышенной температурах преобладают тепловые токи, обусловленные прямой генерацией, вероятность которой достаточно высока, поскольку кристаллы германия имеют малую ширину запрещенной зоны.
В кремниевых p-n переходах ширина запрещенной зоны сравнительно велика, поэтому при комнатной температуре вероятность прямой генерации низка: тепловые токи, обусловленные этим видом генерации, не превышают сотых и тысячных долей тепловых токов, вызванных ступенчатой генерацией. Лишь при температурах порядка 120°С указанные составляющие тепловых токов у германиевых и кремниевых p-n переходов становятся сравнимы между собой.
Прямые ветви вольтамперных характеристик германиевых и кремниевых p-n переходов с ростом температуры изменяются не так сильно. Дело в том, что прямой ток перехода создается преимущественно основными носителями заряда, количество которых определяется лишь степенью легирования полупроводников, на границе которых возникает p-n переход. При комнатной и повышенной температурах количество основных носителей остается неизменным, а небольшое увеличение прямого тока объясняется изменением контактной разности потенциалов, которая уменьшается с ростом температуры. Кроме того, в прямом токе всегда присутствует составляющая, связанная с неосновными носителями заряда, число которых увеличивается с ростом температуры.
Лабораторные работы Лабораторная работа №1 Исследование вольтамперных характеристик p-n переходов с различной площадью переходов и шириной запрещенной зоны полупроводника
Целью лабораторной работы является изучение функционирования p-n перехода при прямом и обратном включении. Для этого в данной работе исследуются прямые и обратные ветви вольтамперных характеристик p-n переходов германиевых и кремниевых выпрямительных диодов большой и малой мощности (с большой и малой площадью p-n перехода).
Описание лабораторной установки
Вольтамперные характеристики p-n переходов снимаются на лабораторной установке, внешний вид которой представлен на рис. 16, а.
Рис. 16. Лабораторная установка для исследования вольтамперных характеристик p-n переходов:
а – общий вид установки; б – увеличенная фотография объединительной платы, в – чертеж сменного модуля для диода малой мощности.
Лабораторная установка состоит из источника питания GVA1, мультиметра в режиме амперметра PA1, мультиметра в режиме вольтметра PV1 и объединительной платы А1, на которой имеются разъемы для подключения измерительных приборов, а также модуля с полупроводниковым диодом, p-n переход которого исследуется в лабораторной работе. На увеличенной фотографии объединительной платы (рис. 16, б) они обозначены XA1 – разъем амперметра, XV2 – разъем вольтметра, разъем для подключения модуля обозначен ХS2. Там же показан резистор R1 для защиты диодов от перегрузки по току. Для подключения измерительных приборов к объединительной плате А1 служат кабели ЕХ1 и ЕХ2.
Чтобы получить вольтамперные характеристики p-n переходов, необходимо изменять напряжение на переходе и измерять величину протекающего через него тока. На рис. 17 показаны электрические схемы для исследования вольтамперных характеристик германиевых и кремниевых p-n переходов с большой и малой площадью. Во всех схемах около измерительных приборов проставлены рекомендуемые пределы измеряемых величин.
а
б
в
г
0 – 2000 мВ
0 – 20 мА
0 – 10 А
0 – 2000 мВ
R1
R1
R1
R1
0 – 20 В
0-20 В
0 – 20 мкА
0 – 20 мкА
0 – 200 мкА
0 – 2 мА
Рис.17. Электрические схемы для исследования вольтамперных характеристик германиевых и кремниевых p-n переходов с большой и малой площадью: а – для прямой ветви ВАХ p-n перехода малой площади; б – для обратной ветви ВАХ p-n перехода малой площади; в – для прямой ветви ВАХ p-n перехода большой площади; г – для обратной ветви ВАХ p-n перехода большой площади.
Примечание. На всех четырех схемах рис. 17 обозначена перемычка XS1, причем она шунтирует резистор R1 только в схемах в и г (для исследования переходов большой площади). Сама перемычка XS1 с разъемом ХР1, расположенным на объединительной плате, показаны на рис.16, б. При наличии перемычки в разъеме ХР1 в схему можно подавать токи величиной до 2 ампер. В схемах исследования p-n переходов малой площади (рис.17, а и б) перемычка не шунтирует резистор R1, а, значит, она должна быть удалена из разъема, в противном случае, p-n переход может быть поврежден.