Введение

Одним из самых удивительных свойств полупроводников оказалось свойство односторонней проводимости так называемого p-n-перехода. Это свойство явилось основой для создания полупроводниковых выпрямителей переменного тока, транзисторов и многих других электронных устройств. Первый тип полупроводникового выпрямителя был создан в 1924 г. из закиси меди (Cu₂O). В то время механизм выпрямления еще не был известен. Теперь природа этого явления достаточно ясна.

Для образования p-n-перехода нужно создать в кристалле с электронной проводимостью область с дырочной проводимостью (или, наоборот, в кристалле с дырочной проводимостью область с электронной проводимостью). Такую область создают путем введения примеси в процессе выращивания кристалла, или атомы примеси вводят в готовый кристалл. Например, в пластинку кремния или германия с электронным типом проводимости вплавляют кусочек индия – элемента третьей группы периодической системы элементов. В процессе вплавления атомы индия диффундируют на некоторую глубину в пластинку, в результате на этой глубине в кристалле возникает дырочная проводимость. Кроме этого способа, разработаны и другие приемы, позволяющие создавать в монокристалле полупроводника p-n-переход.

В p-n-переходе протекают сложные физические процессы. Для большей ясности мы их расчленим, хотя они происходят одновременно. В момент установления контакта между слоями полупроводника, обладающими различным типом проводимости, начинается диффузия электронов из n-полупроводника в p-полупроводник. В тот же момент начинается преимущественный переход дырок из p-полупроводника в n. В результате совместного действия электронного и дырочного потоков и рекомбинации электронов и дырок в граничной области электронного полупроводника возникает слой объемного положительного заряда с ионизированными атомами донорной примеси, а в граничной области дырочного полупроводника – такой же по величине слой объемного отрицательного заряда, образованного заряженными атомами акцепторной примеси (рис. 1, а). Через очень короткий промежуток времени преимущественные потоки электронов и дырок прекратятся. Это произойдет потому, что между двумя слоями объемного заряда возникает электрическое поле. По мере накопления объемного заряда напряженность поля возрастает, и оно оказывает все большее противодействие переходам электронов из n-области в p-полупроводник и соответственно дырок из p-области в n-полупроводник.

а) б) в)

Рис. 1

Кроме основных носителей заряда в любом полупроводнике существуют неосновные носители – дырки в электронном полупроводнике и электроны в дырочном. Естественно, концентрация неосновных носителей заряда во много раз меньше, чем основных. Электрическое поле, возникшее в области контакта, вызывает дрейфовое движение неосновных носителей через p-n-переход. Дырки движутся из n-области в p-полупроводник, электроны наоборот. В состоянии динамического равновесия диффузионные и дрейфовые потоки электронов и дырок компенсируют друг друга, и общий ток через p-n-переход равен нулю.

Между областями с различным типом проводимости объемные заряды ионов создают запирающее напряжение (контактную разность потенциалов); его значение для германиевых p-n-переходов равно примерно 0,35 В, для кремниевых – около 0,6 В. Пограничная область раздела полупроводников с различным типом проводимости в связи с уходом свободных электронов и дырок практически превращается в диэлектрик. Отметим, что толщина этой области весьма мала. Она составляет 10^-3 – 10^-4 мм.

Если p-n-переход соединить с источником тока так, чтобы с его положительным полюсом была соединена область с электронной проводимостью, то электроны в n-полупроводнике и дырки в в p-полупроводнике удаляются внешним полем от запирающего слоя в разные стороны, увеличивая его толщину и сопротивление (рис. 1, б). При этом через p-n-переход протекает слабый ток, обусловленный неосновными носителями. Рассмотренный способ включения p-n-перехода называется включением в запирающем или обратном направлении. Обратный ток сначала быстро растет с ростом напряжения, а затем практически не изменяется – имеет место насыщение обратного тока.

Если p-n-переход соединить с источником тока так, чтобы положительный полюс был соединен с областью с дырочной проводимостью, а отрицательный – с областью с электронной проводимостью, то переходы основных носителей через область контакта значительно облегчаются. Двигаясь навстречу друг другу, основные носители входят в запирающий слой, уменьшая его толщину и сопротивление (рис. 1, в). Этот способ включения называется включением в пропускном, или прямом направлении.

Теоретическое решение задачи о вольтамперной характеристике p-n-перехода приводит к экспоненциальной зависимости силы тока от внешнего напряжения U:

. (1)

Здесь I₀ – сила тока насыщения, k – постоянная Больцмана, Т – абсолютная температура.

В условиях, соответствующих рабочему режиму полупроводниковых диодов, отношение »1. В таком случае единицей в выражении (1) можно пренебречь, и для зависимости силы прямого тока от напряжения мы получим выражение

. (2)

Прологарифмируем это выражение:

(3)

Таким образом, согласно теории зависимость натурального логарифма силы прямого тока через p-n-переход от приложенного напряжения должна быть линейной. Проверка этой закономерности является одной из задач данной лабораторной работы.

Способность p-n-перехода пропускать ток практически только в одном направлении используется для преобразования переменного тока в постоянный (точнее – в пульсирующий) ток. Отношение значения прямого тока к значению обратного при напряжении 1 В называется коэффициентом выпрямления. В хороших диодах коэффициент выпрямления достигает значений порядка 10⁶.

Область рабочих напряжений полупроводникового диода ограничена со стороны малых напряжений из-за повышения сопротивления p-n-перехода при уменьшении прямого напряжения. Максимальное рабочее напряжение диода определяется напряжением пробоя p-n-перехода при обратном напряжении.

Достоинствами полупроводниковых диодов являются малые размеры и масса, длительный срок службы, высокая механическая прочность, высокий коэффициент полезного действия. Существенный недостаток полупроводниковых диодов – зависимость их параметров от температуры. Полупроводниковые диоды не могут работать при температурах ниже -70 ^оС из-за возрастания удельного сопротивления полупроводниковых материалов с понижением температуры. При температурах выше 80 ^оС для германиевых и 125 ^оС для кремниевых диодов рабочие параметры резко ухудшаются из-за возрастания влияния собственной проводимости полупроводниковых материалов. Так, например, с ростом температуры резко (экспоненциально) увеличивается обратный ток, обусловленный неосновными носителями, и уменьшается коэффициент выпрямления.

Заметим, что в силу экспоненциальной зависимости силы тока, текущего через диод, от напряжения на нем, сопротивление диода R=U/I не остается величиной постоянной – оно резко уменьшается с ростом силы тока. Таким образом, полупроводниковый диод является весьма ярким примером нелинейного элемента в электрической цепи, т.е. элемента, параметры которого зависят от интенсивности протекающего в нем процесса.