Лабораторная работа

Исследование характеристик полупроводниковых диодов

Цель работы:

• изучить принцип действия полупроводникового диода;

• исследование вольтамперной характеристики (ВАХ) выпрямительного полупроводникового диода.

Приборы и оборудование

- Универсальный источник питания УИП-2 ………………….. 1

- Цифровой мультиметр типа М830 ……………………………..………. 2

- Стенд для снятия ВАХ диодов ……………………………….. 1

- Германиевые и кремниевые диоды Д226, Д7Ж

- Отвертка, соединительные провода

1. Основные сведения по теме работы

1.1 Образование p-n-перехода

Область на границе двух полупроводников с различными типами проводимости называется электронно-дырочным переходом, или p-n-переходом. Явления, происходящие в p-n-переходе, лежат в основе работы большинства полупроводниковых приборов.

1.1.1 р-n-переход в равновесном состоянии

Рисунок 1 – Образование p-n перехода на границе полупроводников

На рис.1,а показана пластина германия, одна часть объема которой (n) легирована донорной примесью, т.е. обладает электронной проводимостью, а другая (p) – легирована акцепторной примесью, т.е. обладает дырочной проводимостью. Для простоты принимаем, что граница, разделяющая германий типа n и германий типа p, выражена очень резко. На границе полупроводниковых слоев возникает большая разница в количестве электронов и дырок. Под воздействием этого градиента концентрации свободные заряды начнут диффундировать из области с более высокой концентрацией в область пониженной концентрации, т.е. электроны начнут перемещаться из n-области в p-область, а дырки – в противоположном направлении.

Электроны, перешедшие в p-область, будут рекомбинировать с дырками, в результате чего в приконтактной части p-области появятся отрицательно заряженные неподвижные ионы акцепторной примеси. В свою очередь, уход электронов из n-области приводит к появлению в приконтактной части n-области положительно заряженных неподвижных ионов донорной примеси. Аналогичное явление происходит и с дырками (рис.1,б). Таким образом, с обеих сторон границы раздела слоев германия образуются противоположные по знаку пространственные заряды. Распределение плотности (₀ ) этих зарядов показано на рис.1,в.

Двойной слой неподвижных электрических зарядов (ионов) создает на границе p - и n- областей объемный пространственный заряд, наличие которого приводит к появлению внутреннего электрического поля. Влияние этого поля оценивается потенциальным барьером ∆φ_ο (рис.1,г): чем больше высота потенциального барьера, тем труднее его преодолеть основным носителям зарядов.

Внутреннее электрическое поле направлено так, что оно препятствует движению основных носителей зарядов, т.е. развитию того процесса, в результате которого возникло само поле. Поэтому с ростом напряженности внутреннего электрического поля интенсивности движения основных носителей зарядов через границу перехода снижается: все большее число электронов n-об­ласти и дырок р-области начинает отражаться этим полем от границы перехода и возвращаться обратно. Только часть основных носителей, обладающая повы­шенной энергией, будет все-таки проходить через переход. Вместе с тем, внут­реннее поле р-п-перехода не препятствует движению неосновных носителей че­рез переход, так как для них оно будет ускоряющим. Через короткий промежуток времени при отсутствии внешне­го напряжения на р-п-переходе устанавливается равновесие, при котором взаим­но компенсируются как заряды донорных и акцепторных ионов, так и токи основных и неосновных носителей. При этом р-п-переход оказывается электрически нейтральным, а ток через него равным нулю.

Обеднение области p-n-перехода основными носителями зарядов приводит к тому, что эта область обладает повышенным сопротивлением, и поэтому p-n-переход часто называют запирающим (обедненным) слоем.

Именно этот слой и является собственно р-п-переходом (рис. 2,а). Он имеет повышенное сопротивление, которое и оп­ределяет электрическое сопротивление всей системы. За пределами р-п-перехода области полупроводника оказываются электрически нейтральными.

1.1.2 р-п-переход в неравновесном состоянии

Если к полупроводниковому крис­таллу, в котором создан р-п-переход, приложить напряжение U плюсом к n-слою, а минусом к р-слою (рис. 2,6), то это напряжение почти полностью будет падать на переходе, так как сопротивление перехода (обедненного слоя) во мно­го раз больше сопротивлений слоев п и р. В результате этого на р-п- переходе по­явится внешнее электрическое поле, складывающееся с его внутренним полем. Потенциальный барьер возрастет, увеличится ширина р-п-перехода и его сопро­тивление. Такое включение перехода называют обратным.

Рисунок 2 – Структура p-n-перехода в равновесном (а)