Контрольные вопросы

1. В чем заключается явление внутреннего фотоэффекта?

2. Какова природа проводимости фотосопротивлений?

3. Как устроены фотосопротивления?

4. Какие материалы используются для изготовления фотосопротивлений?

5. От чего зависит величина фототока?

6. Характеристики и параметры фотосопротивлений?

7. Объясните ход полученных в работе зависимостей?

Лабораторная работа №74. Исследование свойств полупроводникового диода

Цель работы: снятие статических вольтамперных характеристик полупроводникового диода.

Теоретическое введение

Понятие об электронно-дырочном переходе и полупроводниковом диоде.

Полупроводниковые приборы в настоящее время широко применяются практически во всех отраслях науки и техники. Особенно большие возможности использования полупроводниковых материалов для приборов связаны со свойствами неоднородных полупроводниковых структур. Примером наиболее сильной из всех встречающихся неоднородностей является полупроводник, в котором концентрации примесей (доноров и акцепторов) меняются так, что в каком-то месте образца происходит смена типа проводимости с электронной на дырочную.

Область объемных зарядов, возникающая между двумя частями проводника с проводимостями р и n-типа называется электронно – дырочным переходом или р-n – переходом. Подчеркнем, что р – n переход получают в едином кристалле полупроводника; обычно р – и n-области представляют один и тот же полупроводник (германий Ge или кремний Si, или другие). В последние годы развита технология и созданы приборы на основе гетеропереходов (в одном кристалле р - область – один материал, n - область другой; например, Ge –GaAs, GaAs –GaF.

Прибор состоящий из р – n - перехода и двух омических контактов для включения во внешнюю цепь, представляет собой полупроводниковый диод (рисунок 74.1). По своему назначению полупроводниковые диды делятся на следующие группы: выпрямительные, высокочастотные, стабилитроны, варикапы, туннельные, фотодиоды, светодиоды и др.

Структура полупроводникового диода и его условное графическое обозначение в схемах

Рисунок 74.1

Электронно-дырочный переход в равновесии

Напомним, что в полупроводниках тип проводимости и концентрация свободных носителей заряда определяются примесями. Электронная проводимость (n-типа) возникает при добавлении в решетку основного материала донорных примесей (например, в четырехвалентные Ge или Si пятивалентного фосфора Р, мышьяка As или сурьмы).Основными носителями заряда в этом случае являются электроны с концентрацией n, образующихся в основном благодаря донорной примеси, неосновными – дырки с концентрацией p, которые образуются за счет собственных атомов кристалла; n>>p. Дырочная проводимость (р-тип) создается присутствием в решетке атомов акцепторной примеси (в Ge или Si это трехвалентный бор В, алюминии Al или индии In). Основные носители заряда в полупроводнике р – типа – дырки, неосновные – электроны, р>>n. На рисунке 74.2 показаны зонные диаграммы (расположения значений энергии зон и уровней) примесных полупроводников.

Зонные диаграммы примесных полупроводников

Wc – дно зоны проводимости; Wv – потолок валентной зоны; W – донорный уровень; W – акцепторный уровень; – энергия ионизации примеси; W – уровень Ферми; – ширина запрещенной зоны.

Рисунок 74.2

Уровень Ферми – статистический параметр. В полупроводниках он определяется условием распределения электронов по всем возможным энергиям в валентной зоне, зоне проводимости и на примесных уровнях. В полупроводниках n - типа уровень Ферми W лежит выше середины запрещенной зоны (при OK посередине между W_D и W_C), в полупроводниках p – типа уровень Ферми находится ниже середины запрещенной зоны (при OK посередине между W и W ). В собственных полупроводниках W проходит через середину запрещенной зоны. В состоянии термодинамического равновесия уровень Ферми одинаков для всех областей полупроводника.

Условна представим, что в какой-то момент создан электрический контакт между областями полупроводника с различным типом проводимости. Свободные носители заряда получают возможность переходить из одной области в другую, образуется единая система, и уровень Ферми устанавливается на одной высоте для областей p - и n - типа. Это проводит к тому, что энергетические зоны в p – и n – областях смешаются относительно друг друга, в области контакта наблюдается изгиб зон и возникает потенциальный барьер е , где е - величина заряда электрона, - контактная разность потенциалов (рисунок 74.3).

Зонная диаграмма p-n – перехода в равновесии

Рисунок 74.3

Рассмотрим процессы, которые приведут к образованию потенциального барьера. На контакте возникают диффузионные потоки свободных носителей заряда. Электроны переходят из n - области (где их много) в p - область (где их мало); дырки, наоборот, из р - области в n - область. Электроны, попавшие в р – область, рекомбинируют там с дырками (взаимно уничтожаются, что означает заполнение незамкнутой валентной связи). Рекомбинация происходит в тонком слое кристалла вблизи границы между р - и n - областями. В результате отрицательный заряд ионов акцепторной примеси в этом слое уже не компенсируется положительным зарядом дырок, и слой заряжается отрицательно, возникает отрицательный объемный заряд ионов акцептора (рисунок 74.4). Аналогично дырки переходят в n - область и рекомбинируют с электронами. В тонком слое со стороны n - области положительные заряды ионов донора не компенсируются зарядом электронов, образуется объемный положительный заряд. В области контакта (р - n – перехода) объемные заряды ионов акцептора и донора создают двойной электрический слой и, следовательно, внутреннее электрическое поле, напряженность которого направлена от n - области (+) к р - области (-). Концентрация свободных носителей заряда в области объемного заряда вследствие рекомбинация мала, потому эту область называю обедненным или истощенным слоем, и этот слой обладает очень высоким сопротивлением.

Распределение зарядов в р-n –переходе

• – ионы акцепторов; – ионы доноров; (+) – дырки; (-) – электроны.

Ионы основного материала и не основные носители заряда, ввиду их малого количества схематические не изображены.

Рисунок 74.4

Внутреннее электрическое поле препятствует дальнейшему переходу основных носителей заряда через контакт: электронов из n - в p - область и дырок из p - в n - область. Переходят только те свободные носители, энергия которых превышает высоту потенциального барьера. Эти переходы образуют диффузионный ток Ig. Одновременно через р – n – переход движутся не основные носители заряда; электроны из р - в n - область и дырки n - в р - область. Этим переходам внутреннее электрическое поле не препятствует, а наоборот, помогает. Поэтому все электроны, образовавшиеся в результате тепловой генерации и оказавшиеся в области отрицательного объемного заряда (в р – n – переходе со стороны р – области), перейдут в n – область и, наоборот, дырки из положительного заряженного объема n – области перейдут в р – область. Эти потоки неосновных носителей образуют дрейфовый ток I₀. В равновесии I_g и I₀ равны по величине и направлены противоположно, результирующий ток через р – n-переход равен нулю:

I = I_g + I₀ = 0

Электронно-дырочный переход во внешнем электрическом поле

Внешнее электрическое поле, приложенное к p – n – переходу, нарушает равновесие в системе и вызывает протекание тока. При этом величина потенциального барьера должна меняться, причем, так как внешнее напряжение почти полностью падает на переходе вследствие его большого сопротивления, изменение высоты потенциального барьера должно быть равно величине приложенного напряжения. В неравновесном состоянии уровень Ферми заменяться на квазиуровни Ферми, которые уже не будут совпадать в различных частях полупроводника (p-и n-областях). Рассмотрим два случая:

Прямое включение. При приложении внешнего напряжения U плюсом к р-области и минусом к n-области (рисунок 74.5 а) внешнее поле направлено противоположно внутреннему контактному полю p-n-перехода. В результате напряженность электрического поля на p-n-переходе уменьшатся, высота потенциального барьера понижается и становится равной; соответственно уменьшится толщина слоя объемных зарядов (запирающего слоя). Зонная диаграмма p-n-перехода в этом случае показана на рисунке 74.5 б. Смещение зон р-области и n-области уменьшилось по сравнению с равновесным состоянием.

Снижение потенциального барьера приведет к тому, что число электронов в n-области, энергия которых будет достаточно для перехода в р-область, увеличится. Точно также уменьшение потенциального барьера для дырок приведет к увеличению числа дырок, переходящих из р-области в n-область.

Электрическое поле на p-n-переходе и энергетическая диаграмма p-n-перехода при приложении прямого напряжения

а) б)

Рисунок 74.5

Таким образом, вблизи границы возрастет концентрация неосновных носителей заряда: электронов в р-области и дырок в n-области. Это явление введения неосновных носителей заряда, происходящее при приложении внешнего напряжения плюсом к р-области и минусом к n-области, называется инжекцией неосновных носителей заряда. Диффузионный ток дырок из р- в n- область и электронов из n- в р- область превышает дрейфовый ток неосновных носителей заряда. В результате через р-n-переход течет ток, направленный от р- к n-области. Рассматриваемое включение р-n-перехода называется прямым или пропускным, а текущий ток – прямым током. С увеличением напряжения на р-n-переходе концентрация инжектируемых носителей заряда резко возрастает, что приводит к сильному росту тока через контакт в прямом направлении.

Обратное включение. При приложении внешнего напряжения U плюсом к n-области и минусом к р-области (рисунок 74.6 а) потенциальный барьер для основных носителей заряда еще более повысится (энергетические зоны р- и n-областей еще более сместятся относительно друг друга – рисунок 74.6 б), станет равным , увеличится и толщина запирающего слоя.

Электрическое поле на p-n-переходе и энергетическая диаграмма p-n-перехода при приложении обратного напряжения

­­

а) б)

Рисунок 74.6

Этот способ включения р-n-перехода называется обратным или запорным. Чем сильнее смещен переход в обратном направлении (чем больше U), тем меньшее количество основных носителей заряда способно преодолеть возросший потенциальный барьер. Таким образом, при обратном включении внешнего напряжения ток основных носителей заряда I_g будет меньше, чем при равновесном состоянии, а ток неосновных носителей заряда I₀ практически не изменяется. Поэтому суммарный ток через р-n-переход будет направлен от n-области к р-области и с увеличением обратного напряжения в начале будет незначительно расти, а затем, почти не меняясь, стремиться к величине I₀, так как диффузионный ток стремится к нулю.

Вольтамперная характеристика р-n-перехода

Зависимость силы тока через р-n–переход от приложенного к нему напряжения называется его вольт – амперной характеристикой (ВАХ). Вольт – амперная характеристика р-n–перехода является нелинейной и теоретически определяется формулой:

_,

где – сила тока; ₀ – сила тока неосновных носителей заряда, постоянная по величине; ℓ – основание натурального логарифма; q – заряд электрона; – напряжение (положительное при прямом включении, отрицательное – при обратном); k – постоянная Больцмана; T – абсолютная температура.

Величина I₀ зависит от материала, в котором создан p – n – переход, площади p – n – перехода, температуры.

ВАХ реальных диодов несколько отличаются от теоретической зависимости вследствие того, что объем полупроводника и контакты диода обладают сопротивлением, и ряда других причин. В области высоких обратных напряжений _проб происходит пробой p-n–перехода. Теоретическая ВАХ (пунктир) и реальная ВАХ (сплошная линия) полупроводникового диода показаны на рисунок 74.7.

Вольт амперные характеристики p-n – перехода

Рисунок 74.7

Применение и параметры полупроводниковых диодов

Полупроводниковые диоды изготовляются из германия, кремния, селена, закиси меди, арсенида галлия и других металлов. Применяются они в самых разнообразных целях: для преобразования переменного тока в постоянный (рисунок 74.8), для переключения, для детектирования сигналов, для стабилизации напряжения, в качестве элементов с электрически управляемой емкостью, для генерации СВЧ колебаний и т.д.

Выпрямление переменного тока

а – зависимость переменного напряжения от времени; б – зависимость тока, прошедшего через полупроводниковый диод, от времени.

Рисунок 74.8

Приведем параметры выпрямительных диодов:

1. постоянный обратный ток диода (при заданном обратном напряжении);

2. постоянное обратное напряжение;

3. постоянный прямой ток;

4. постоянное прямое напряжение;

5. диапазон частот, в котором работает диод;

6. емкость;

7. обратное максимально допустимое напряжение;

8. максимально допустимая мощность, рассеиваемая диодом;

9. среднее за период значение обратного напряжения;

10. среднее за период значение обратного тока;

11. максимальное значение выпрямленного тока;

12. среднее за период значение прямого напряжения (при заданном среднем значении прямого тока).

Лабораторная установка и метод измерений

Основной характеристикой диода является вольтамперная характеристика. В зависимости от способа получения принято различать статические, динамические и классификационные характеристики.

Наиболее полно выпрямительные свойства диода отражает динамическая ВАХ, дающая зависимость ( ) при приложении к диоду переменного напряжения заданной частоты. На практике часто пользуются классификационными ВАХ, снимаемыми при раздельном положении к диоду переменного напряжения в прямом и обратном направлениях. ВАХ, снятая на постоянном токе, называется статической.

В настоящей работе снимается статическая ВАХ плоскостного диода. Схема применяемой установки показана на рисунке 74.9. На схеме переход от прямого включения к обратному осуществляется переключателем SA2 (положения «пр» и «об»).

Схема лабораторной установки

Рисунок 74.9

Отдельно схемы с соответствующим включением измерительных приборов в прямом и обратном направлениях показаны на рисунке 74.10 а, б. Необходимо обратить внимание на различное включение приборов в обоих случаях.

Схемы измерений при прямом (а) и обратном (б) включениях

а) б)

Рисунок 74.10

В случае пропускного направления амперметр PA измеряет ток через диод VD и вольтметр PV, но так как внутреннее сопротивление вольтметра значительно больше сопротивления диода, включенного в пропускном направление, ошибка в измерение тока через диод незначительна. При обратном включение внутреннее сопротивление миллиамперметра PmA, измеряющего ток, значительно меньше сопротивления диода, и ошибка в измерении напряжения также незначительна. Амперметр PA в этом случае как измерительный прибор не используется, так как он дает суммарный ток через диод и вольтметр.

Порядок выполнения работы:

1) ознакомиться со схемой установки. Удостовериться, что потенциометр RP стоит в положение, соответствующем минимуму напряжения (выведен в крайнее левое положение) и измерительные приборы (PA, PmA и PV) переключены на самую грубую шкалу;

2) включить постоянное напряжение на стенке и с помощью ключа SA1 подать питание на схему;

3) снять ВАХ диода в прямом направлении. Для этого переключатель SA2 поставить в положение «пр». Переключить вольтметр на шкалу с пределом измерения 0.75 В и масштабом (множителем) х1. Подать минимально возможное напряжение с помощью потенциометра RP, подобрать шкалу амперметра PA, достаточно чувствительную для измерения тока, и измерить силу тока. Значения U и I занести в таблицу 74.1. Используя RP, менять величину напряжения через 0,02–0,05 В до 0,35–0,40 В. По мере роста тока переходить на более грубые (с большими пределом измерения) шкалы амперметра. Значения U_пр и соответствующие величины I_пр занести в таблицу 74.1.

Таблица 74.1

Uпр, В
Iпр , А

4) снять ВАХ диода в обратном направлении. Поставить переключатель SA2 в положение «об». Использовать сначала ту же шкалу вольтметра с пределом 0,75 В и шкалу миллиамперметра PmA в соответствие с величиной I_об. Измерить значения тока через диод VD, меняя напряжение потенциометром сначала через 0,02 – 0,05 В. А выше 0,3 В через 0,1 – 0,2 В. Напряжение поднимать до 1,3 – 1,5 В. Значения U выше 0,75 В измерять либо переключив масштаб шкалы в положение х2, либо переключив предел. Значения U_об и I_об занести в таблицу 74.2;

Таблица 74.2

Uоб, В
Iоб, mА

5) построить статистическую ВАХ диода на одном графике в прямом и обратном направлениях. Масштаб U_пр и U_об должен быть одинаков, а масштаб I_пр и I_об различен. При построении ВАХ U_пр и I_об откладывают на положительных осях, U_об и I_об на отрицательных;

6) для нескольких значений напряжения, например, 0,1; 0,15; 0,2; 0,25; 0,3; 0,35 В, подсчитать коэффициент выпрямления как отношение тока в пропускном направлении к току в обратном при одном и том же напряжении на диоде.

Результаты занести в таблицу 74.3.

Таблица 74.3

U, В
КВЫПР.