10. Пробой р-n-перехода

На рис.3.8 показано изменение обратного тока р-n-перехода с ростом обратного напряжения. При большой величине V переход «пробивается» и через него протекает очень большой ток. Существует три основных типа пробоя: тепловой, туннельный и лавинный.

Тепловой пробой является основным в полупроводниках с относи-тельно узкой шириной запрещенной зоны, например в германии. В р-n-переходе при обратном напряжении протекает обратный ток и, следовательно, рассеивается мощность, равная J_обрV, что приводит к нагреву полупроводника. В свою очередь, это приводит к возрастанию обратного тока и повышению мощности, выделяемой в переходе, и т.д. При определенном напряжении V = V_пробвозникает процесс лавинообразного нарастания тока и разрушения р-n-перехода (кривая 1 на рис.3.8).

Туннельный пробой может произойти в том случае, когда обе сторо-ны р-n-перехода сильно легированы примесью и на него подано обрат-ное смещение. На рис.3.9 показана зонная диаграмма такого перехода, смещенного в обратном направлении. Из рисунка видно, что под влиянием V значительная часть заполненных уровней в валент-ной зоне материала р-типа оказывается на одном уровне со свобод-ными уровнями в зоне проводимости n-слоя. Если энергетический барьер, разделяющий свободные и заполненные уровни, достаточно узок, то электроны благодаря туннельному эффекту могут переходить из валентной зоны р-области в зону проводимости n-области. Этот квантово-механический процесс туннельного перехода и создает обратный ток через р-n-переход и его разрушение при достижении определенного значения.

Туннельный пробой происходит при напряжениях пробоя, меньших 4ΔЕg/q. Поскольку ΔЕg в Ge и Si уменьшается с повышением темпе-ратуры, то напряжение пробоя, связанное с туннельным эффектом падает с ростом Т. Обратная ветвь ВАХ перехода, отвечающая этому типу про-боя, показана на рис.3.8 кривой 2.

Причиной лавинного пробоя является столкновение между носителя-ми заряда и электронами валентной зоны в обедненном слое при обратном смещении. По мере увеличения напряжения обратного смещения все больше электронов и дырок получают кинетическую энергию, достаточную для генерации электронно-дырочных пар. Эти вновь рожденные электроны и дырки, в свою очередь, ускоряясь электрическим полем, набирают энергию, достаточную для рождения новой электронно-дырочной пары, и т.д. Этот процесс лавинного размножения и последующего пробоя более вероятен в слаболегированном участке перехода на несколько порядков шире сильнолегированного участка. Поэтому длина пути, на котором могут происходить ускорения носителей и столкновения с валентными электронами, в нем больше. На участке лавинного пробоя (кривая 3 на рис.3.8) небольшое изменение напряжения обратного смещения может вызвать сильное изменение обратного тока. Этот процесс не обязательно будет разрушающим. Лавинный пробой наблюдается при напряжениях, превышающих 6ΔЕg/q. Напряжение пробоя увеличивается с ростом Т. Диоды спроектированные для работы в режиме лавинного пробоя, называют стабилитронами и широко применяют в качестве стабилизаторов напряжения.

П р а к т и ч е с к а я ч а с т ь

Описание лабораторной установки

Установка состоит из двух частей: измерительного блока и моста переменного тока Р577.

В лабораторной работе используются р-n-переходы двух кремниевых и одного германиевого диодов, которые размещены в термостате измерительного блока. Подключение к измерительным цепям одного из диодов осуществляется переключателем «Диоды» с положениями «1», «2» и «3». Для измерения напряжения, подаваемого на диод, служит индикатор «Измерение V» с пределами измерения «1 В»,«10 В»,«100 В».

Переключатель пределов расположен под индикатором. Измерение тока, протекающего через диод, производится по индикатору «Измерение J» с пределами «100 мкА», «1 мА», «10 мА» и «100 мА». Переключатель пределов расположен под индикатором. Регулировка напряжения прямого смещения осуществляется ручкой «V+», а напряжения обратного смещения - ручкой «V-». Нагрев диодов происходит при включении тумблера «Нагрев». При достижении температуры 340 К загорается сигнальная лампочка. Включение блока в сеть осуществляется тумблеров «Сеть вкл.», Инструкция по эксплуатации моста переменного тока Р577 прилагается к лабораторной установке.

Исходное положение ручек управления: ручки регулировки напряжения смещения в крайнем левом положении; переключатель пределов измерения – «100 В» и «100 мА».

Порядок выполнения работы

Включить установку и мост Р577 в сеть и прогреть в течении пяти минут.

1. Исследование вольт-амперных характеристик p-n-переходов при комнатной температуре.

Номера исследуемых диодов согласовываются с преподавателем.

Установить переключатель «Диоды» в нужное положение. Вращением ручки «V+» определить пределы изменения тока через диод и напряжения на нем. Установить пределы индикаторов «Измерение V» и «Измерение J», удобные для измерения. Снять обратную ветвь вольт-амперной характеристики (8-10 точек). Обратить особое внимание на напряжение пробоя диода, если он наблюдается. Плавную подстройку обратного смещения можно получить с помощью ручки «V+».

2. Исследование вольт-емкостных характеристик диодов.

Ручки регулировки напряжения установить в крайнее левое положение. Переключателем «Диоды» установит номер исследуемого диода. Изменяя обратное напряжение от нуля до напряжения пробоя с помощью моста Р577, снять вольт емкостную характеристику (8-10 то-чек). Повторить измерения для других диодов.

3. Исследование вольт-амперных характеристик диодов при температуре Т = 340 К.

Включить тумблер «Нагрев». После загорания сигнальной лампочки повторить измерения п.1.

4. По результатам измерений, проведенных в пп.1 и 3, для каждого диода построить графики вольт-амперных характеристик при комнатной температуре и при Т = 340 К. По графикам определить полупроводниковые материалы, из которых изготовлены диоды и тип пробоя.

5. По результатам измерения вольт–емкостной характеристики построить графики (1/С)2 = f(V). По графикам определить контактную разность потенциалов Vk.

Оформить отчет.

Содержание отчета

1. Цель и задачи исследования.

2. Результаты экспериментов в виде таблиц и графиков.

3. Анализ полученных данных и выводы по работе.

Контрольные вопросы

1. Что такое p-n-переход?

2. Чем характеризуется равновесное состояние p-n-перехода?

3. Как расположен уровень Ферми в равновесном переходе и почему?

4. Какие токи протекают через p-n-переход?

5. Объясните вольт-амперную характеристику.

6. Что такое барьерная емкость p-n-перехода?

7. Типы пробоя p-n-перехода и как их отличить?

Лабораторная работа № 4

ИССЛЕДОВАНИЕ СВЕТОИЗЛУЧАЮЩЕГО ДИОДА

И ПОЛУПРОВОДНИКОВГО КВАНТОВОГО ГЕНЕРАТОРА

Цель работы: Изучение физики работы светоизлучающего диода и полупроводникового квантового генератора и экспериментальное исследование их характеристик.

Т е о р е т и ч е с к а я ч а с т ь