2. Стабілізуюча дія p-n- переходу

Опір запірного шару можна змінити за допомогою зовнішнього електричного поля. Якщо прикладене до p-n- переходу зовнішнє електричне поле напрямлене від n- напівпровідника до p- напівпровідника (рис. 3а), співпадає з полем контактного шару, то воно спричинює рух електронів в n- напівпровіднику і дірок в p- напівпровіднику від межі p-n- переходу в протилежні напрямки. В результаті запірний шар розшириться і його опір зросте, потенціальні бар’єри для дірок і електронів зростуть. Струм неосновних носіїв повинен вирости, так як число неосновних носіїв мале, то цей потік дуже швидко досягає насичення і при подальшому збільшенні зовнішньої різниці потенціалів не змінюється, залишаючись дуже малим по величині. Через p-n- перехід буде протікати дуже малий струм, що називають «оберненим». Таке включення зовнішньої напруги називається запірним (оберненим).

Якщо прикладене до p-n- переходу зовнішнє електричне поле напрямлене протилежно полю контактного шару (рис. 3 б), то воно визиває рух електронів в n- провіднику і дірок в p- провіднику до границі p-n- переходу назустріч один одному. В цій області вони рекомбінують, товщина

Рис. 3

контактного шару і його опір зменшуються, зменшується висота потенціальних бар’єрів для дірок і електронів. В цих умовах різко зростає дифузійний потік дірок із p- в n- область і електронів із n- в p-область. Через перехід піде струм в напрямку від p- напівпровідника до n- напівпровідника, величина якого буде сильно залежати від прикладеної зовнішньої різниці потенціалів. Таке включення зовнішньої напруги називається пропускним (прямим).

Графік залежності струму через p-n- перехід від прикладеного зовнішньої напруги показано на рис. 4. Зверніть увагу на масштаб осі напруги: в прямому напрямку масштаб осі напруги на порядок менший, чим при зворотному. При великих зворотних напругах, основні носії отримують при русі через перехід велику енергію і починають розігрівати його. За збільшення температури збільшується число неосновних носіїв в напівпровіднику і зворотній струм зростає. Процес лавиною наростає, і саморозігрів p-n- переходу призводить до теплового пробою (p-n- перехід в такій області вигоряє, утворюючи провідні мостики) на графіку «пробійна» напруга позначена U_пр.

P-n- перехід з вольт - амперною характеристикою, приведеною на рис. 4, має стабілізуючу дію. Покажемо це.

Рис. 4 Рис. 5

Нехай на p-n- перехід подається зміна напруга U_~ (рис. 5). В ті моменти часу, коли зовнішня напруга має полярність, що відповідає пропускному напрямку, через перехід протікає великий струм. Коли полярність U_~ співпадає з запирним напрямком, струм через перехід майже рівний нулю. То якщо через перехід протікає струм фактично одної полярності, він називається випрямленим.

Таким чином, p-n- перехід (подібно контакту металу з напівпровідником) має односторонню (вентильною) провідністю.

Опис робочої установки і метода вимірювань

На вольт-амперні характеристики напівпровідникових стабілізаторів в великі степені впливає температура. При підвищенні температури збільшуються прямий та зворотній струм. Зворотній струм дуже залежить від температури, тоді як відносна зміна прямого струму з зміною температури незначна. З ростом температури зменшується висота потенціального бар’єра і експоненціально росте концентрація неосновних носіїв заряду, внаслідок чого збільшується струм насичення I_s з підвищенням температури.

Залежність зворотного струму насичення від температури для напівпровідникових діодів можна представити в вигляді:

,

де С- множник, що мало залежить від температури, ΔW – енергія матеріалу діода (ширина забороненої зони).

Досліджуючи температурну залежність зворотного струму насичення, можна знайти значення енергії активації (ширина забороненої зони) напівпровідникового матеріалу діода. Логарифмуючи вираз (1), отримаємо для температур Т₁, Т₂ виразу:

(2)

Розв’язуючи рівняння (2) відносно енергії ΔW, одержимо:

, (3)

де I_S1 і I_S2 - обернені точки насичення при температурах Т₁ і Т₂ відповідно, k- стала Больцмана.

Рис. 6. Блок-схема робочої установки: 1 – досліджуваний діод; 2 – блок живлення; 3 – термометр; 4, 5 – термостат; 6 – електрична плитка; 7 – цифровий вольтметр

Блок-схема установки для визначення температурної залежності зворотного струму напівпровідникового діода показана на рис. 6. Досліджуваний діод 1, на який подається напруга від блоку живлення 2, поміщують разом з термометром 3 в термостат 4,5 і нагрівають за допомогою електроплитки 6 від кімнатної температури до 60ºС.

Порядок виконання роботи і обробка результатів вимірів

1. Зібрати схему для вимірювання зворотного струму діода.

2. Подати на діод напругу 8÷10В в оберненому напрямку («—» блоку живлення підключити до «+» анода діода).

3. Виміряти зворотній струм діода при кімнатні температурі.

4. Включити нагрівник термостата і зняти залежність зворотного струму діода від кімнатної температури до 90ºС, вимірюючи його значення через кожні 5ºС. Дані занести в таблицю.

Увага! Значення співвідношення в таблицю записати з точністю до третьої значущої цифри. Наприклад:

Таблиця результатів

№ досліду	t, ºC	IS, мкА	T, K	, K-1	ln IS	ΔW, Дж	ΔW, эВ

5. Побудувати графік залежності натурального логарифма зворотнього струму діода від зворотної температури: .

Провести через експериментальні точки пряму лінію.

Потрібно знати, що масштаб графіка визначається інтервалом зміною величин, відкладених по осях. Причому, масштаби по обох осях вибираються незалежно один від одного. Не обов’язково, щоб на графіку обов’язково був початок координат. Наприклад, якщо значення величини , відкладаємо по осі x, змінюються в проміжках від 2,85*10^-3 К^-1до 3,35*10^-3К^-1, то вісь х краще починати не з нуля, а з ближчого «круглого» числа – 2,5 і з кроком в 5 см відмітьте наступну «круглу» цифру 3, потім 3,5. При цьому множник 10^-3, визначаючи порядок величини, разом з одиницею вимірювань К^-1виноситься в кінець осі х. Наприклад: , 10^-3 К^-1.

5. Виберіть на графіку залежності будь які дві точки, які як і в більшість других експериментальних точок добре лежать на прямі. Використовуючи значення координат цих точок: ln I_S1 і ln I_S2 -по осі y, і -по осях х, по формулі (3) вирахуйте ширину забороненої зони напівпровідника.

6. Порівняйте отримані значення з значенням ширини забороненої зони кремнію(ΔW=1,07 эВ) і германію (ΔW=0,65 эВ) при температурі 340 К (1эВ=1,6*10^-19 Дж).