Лабораторные по физике / Сборник МУ часть 6 / №71 (р-п переход)

Лабораторная работа №71

ИЗУЧЕНИЕ ВЫПРЯМЛЯЮЩИХ СВОЙСТВ ПОЛУПРОВОДНИКОВОГО ДИОДА

Цель работы

1 Изучить физические основы работы полупроводникового диода.

2 Снять вольтамперную характеристику диода.

Теоретическое введение

По способу проводимости различают собственные и примесные полупроводники. Собственными называются чистые полупроводники типа Gе, Si у которых число электронов в зоне проводимости равно числу дырок в валентной зоне и уровень Ферми находится в середине запрещенной зоны.

Каждый атом германия или кремния четырехвалентен, связан с четырьмя ближайшими соседями ковалентными связями.

При повышении температуры (Т > 0) эти связи могут разрываться, и часть электронов может стать свободной и передвигаться по кристаллу, участвуя в собственной проводимости.

Если в решетку германия ввести донорную примесь, например, мышьяк, валентность которого на единицу больше чем у основного атома, то возникнет незанятый электрон примеси, способный свободно передвигаться по кристаллу. Это электронная проводимость полупроводника n-типа. Если же в решетку кремния ввести трехвалентную акцепторную примесь (бор), то носителями тока становятся дырки, и возникает дырочная проводимость. Такой полупроводник называется дырочным (р-типа)

Контакт двух полупроводников, один из которых имеет дырочную, а другой - электронную проводимость, называется электронно-дырочным (или p-n) переходом.

Р-n переходы лежат в основе работы многих полупроводниковых приборов. В настоящее время разработан большой класс полупроводниковых диодов, использующих то или иное свойство выпрямляющего перехода (выпрямительные диоды, стабилитроны, туннельные диоды, варикапы, фотодиоды, светодиоды, лазеры и т. д.).

Рассмотрим физические процессы на контакте полупроводников p и n-типа. Если донорный полупроводник приводится в контакт с акцепторным, то электроны из полупроводника n-типа, где их концентрация выше, устремляются в полупроводник p-типа, где их концентрация ниже. При этом в n-типе остается нескомпенсированный положительный заряд ионизованных доноров, а в p-типе - отрицательный заряд ионизированных акцепторов. Эти заряды образуют двойной электрический слой (ДЭС), препятствующий дальнейшему обмену зарядами, а при определенной толщине p-n перехода наступает равновесное состояние, характеризующееся выравниванием уровней Ферми в полупроводниках. Если к p-n переходу приложить внешнее электрическое поле, способствующее движению основных носителей заряда к границе («+» на p-типе, «-» на n-типе), то толщина контактного слоя уменьшается, уменьшается его сопротивление, и сила тока растет. Это прямая ветвь на ВАХ. При обратном смешении («-» на p, «+» на n) основные носители зарядов стремятся удалиться от границы контакта вглубь, возникает запирающий слой.

Полупроводниковый диод - это прибор с одним выпрямляющим переходом и двумя внешними выводами, в котором используется то или иное свойство выпрямляющего перехода. В качестве выпрямляющего перехода в полупроводниковых диодах может служить электронно-дырочный (p-n) переход, гетеропереход (контакт двух различных по химическому составу полупроводников, обладающих различной шириной запрещенной зоны) или контакт металл-полупроводник (диод Шоттки).

В данной работе изучается одно из основных свойств диода - выпрямляющее. Это - способность диода пропускать ток только в одном направлении (односторонняя проводимость диода). Исследуется диод с электронно-дырочным (p-n) переходом.

Электронно-дырочный переход образуется на металлургической границе раздела (то есть без нарушения периодичности кристаллической решетки) полупроводников с донорной примесью (для кремния и германия ею являются элементы V группы таблицы Менделеева) и акцепторной примесью (элементы III группы).

В равновесных условиях в p-n переходе на границе раздела существуют двойной электрический слой, внутреннее электрическое поле и контактная разность потенциалов  φ_ĸ (рисунок 1 а, б, в, г соответственно).

Положительный заряд двойного электрического слоя, образованный ионами донорной примеси, всегда находится в полупроводнике n-типа, отрицательный, образованный ионами акцепторной примеси - в полупроводнике р-типа (рисунок 1а, б). Следовательно, внутреннее электрическое поле E_вн направлено из  n-области в р-область (рисунок 1а). Напряжённость электрического поля максимальна на границе раздела p- и n-областей и уменьшается до нуля за пределами двойного электрического слоя (рисунок 1в). Величина контактной разности потенциалов φ_к определяется физическими свойствами полупроводника по обе стороны p – n перехода и обычно составляет доли вольта (φ_к ≈ 0,3 B для Gе, φ_к ≈ 0,6 B для Ѕì; см. рисунок 1г).

При приложении к р-n переходу внешнего напряжения U происходит уменьшение высоты потенциального барьера ( φ = φ_к - U), если внешнее и внутреннее поля направлены в противоположные стороны; при этом через р-n переход протекает большой ток (от единиц миллиампер в маломощных диодах до сотен и тысяч ампер - в мощных). Вначале прямой ток растёт медленно; когда внешнее напряжение U скомпенсирует контактную разность потенциалов φ_к, ток через диод начинает быстро возрастать. Такое включение диода называется прямым или пропускным (плюс приложен к р-области, минус - к n-области).

Если изменить полярность приложенного напряжения, то внешнее и внутреннее поля складываются, и высота потенциального барьера возрастает ( ). При этом через диод протекает незначительный ток (доли наноампер у маломощных и единицы микроампер - у мощных диодов), слабо зависящий от приложенного напряжения. Резкий рост обратного тока при значительных обратных напряжениях связан с явлениями пробоя и ограничивает рабочие напряжения выпрямляющих диодов. Напряжение пробоя у различных типов диодов лежит от десятков вольт до тысяч вольт. Такое включение диода называется обратным, или запорным (минус приложен к р-области, плюс - к n-области). Вольтамперная характеристика (ВАХ) диода представлена на рисунке 2.

Выпрямительные диоды широко используются для выпрямления переменного напряжения (блоки питания радиоэлектронной аппаратуры, детекторы в радио и телеприемниках). Простейшая схема выпрямителя и форма переменного и выпрямленного (пульсирующего) напряжения приведены на рисунках 3а и 3б соответственно.

Дадим количественную оценку токам, протекающим через p-n переход. Ток через p-n переход примерно равен числу электронов при температуре Т, способных преодолеть потенциальный барьер на контакте ΔW, и j, вследствие статистики Больцмана, определяется формулой:

, (1)

где А = const, ΔW = qφ_к, k - постоянная Больцмана. В равновесии I_ПРЯМ = I_ОБР.

При прямом смещении U потенциальный барьер на контакте понижается, и соответствующий ток, следуя формуле (1), равен (2):

^, (2)

График этой функции приведен па рисунке 2, при комнатной температуре kT/q = 2,6∙10^-2 В, так что при U ~ 1 В, >>1

>>1 (3)

Однако столь малый обратный ток будет наблюдаться не всегда. При некотором значении обратного смещения U (см. рисунок 2) он начнет резко расти. Это явление называется электрическим пробоем p-n - перехода, при этом p-n-переход выходит из строя.

Приборы и оборудование

Внешний вид установки приведен на рисунке 4. Установка состоит из объекта исследования ОИ и блока управления и индикации БУИ. Объект исследования представляет собой вилку с переключателем, в корпусе которой установлены три образца - промышленные диоды.

На переднюю панель БУИ выведены:

1 Кнопки выбора режимов работы «ВАХ-ФВХ» и «прямая – обратная» и лампочки для индикации выбранных режимов.

2 Кнопки «+» «-», предназначенные для установки напряжения в режимах «ВАХ» - «прямая» и «ВАХ» - «обратная» в пределах 0-4,99 В и 0-30 В соответственно.

3 Розетка для установки объекта исследования.

Порядок выполнения работы

1 Подготовить установку к измерениям: включить установку выключателем «СЕТЬ» на задней панели устройства измерительного, выждать 5 минут (прогрев установки). При этом на всех индикаторах должны установиться нули и светиться индикаторы «ВАХ» и «прямая».

2 Переключатель на объекте исследования установить на первый тип диода, записать его типономинал.

3 Нажатием кнопки выбора режима работы «ВАХ - ВФХ» выбрать режим «ВАХ» - рядом с выбранным режимом загорится индикатор.

4 Нажатием кнопки выбора режима ВАХ «прямая - обратная» выбрать режим «прямая» - рядом с выбранным режимом загорится индикатор.

5 Меняя напряжение кнопками «+» и «-» (нажимая на них), начиная с минимального, снять ВАХ для прямого напряжения, результаты записывать в таблицу 1. По завершении измерений нажать кнопку «сброс».

Таблица 1

UПР, В
I, мА

Примечание: при достижении максимального тока 50 мА прекратить измерения, т.к. при этом источник питания p-n перехода переходит в режим ограничения тока.

6 Нажатием кнопки выбора режима ВАХ «прямая - обратная» выбрать режим «обратная» – рядом с выбранным режимом загорится индикатор.

7 Меняя напряжение, снять ВАХ для обратного напряжения I_ОБР, результаты записывать в таблицу 2. По завершении измерений нажать кнопку «сброс».

Таблица 2

UОБР, В
I, мА

Примечание: при достижении напряжения - 30 В прекратить измерения, т.к. при этом источник питания p-n перехода переходит в режим ограничения тока.

8 Повторить работу по пунктам 4-8 для других типов диодов.

Обработка результатов

1 Построить ВАХ для прямого и обратного токов (рисунок 2)

2 Для напряжения U = 1 В рассчитать коэффициент выпрямления

3 По ВАХ найти сопротивление диода для разных значений U_ПР.

, (2)

как тангенс угла наклона касательной в данной точке (при заданном U).

4 Построить зависимости R = f(U), .

Контрольные вопросы

1 Энергетические зоны в кристаллах.

2 Зоны, участвующие в электропроводности.

3 Деление веществ на проводники, полупроводники и диэлектрики с точки зрения зонной теории.

4 Зонная диаграмма полупроводника.

5 Собственные и примесные полупроводники. Доноры и акцепторы.

6 Электронно-дырочный переход.

7 Двойной электрический слой и внутреннее поле p-n перехода.

8 Включение р-n перехода в прямом направлении.

9 Включение р-n перехода в обратном направлении.

10 Вольт-амперная характеристика диода.

11 Выпрямление диодом переменного напряжения.

Список рекомендуемой литературы

1 Трофимова, Т.И. Курс физики: учеб. пособие для вузов. - 11-е изд., стер. / Т.И. Трофимова. - М.: Изд. центр «Академия», 2006. – 558 с.

2 Детлаф, А.А. Курс физики: учеб. пособие для студ. втузов. - 6-е изд., стер. / А.А. Детлаф, Б.М. Яворский. - М.: Изд. центр «Академия», 2007. – 791 с.

3 Савельев, И.В. Курс физики: учеб. пособие: В 3-х т. Т. 3. Квантовая оптика. Атомная физика. Физика твердого тела. Физика атомного ядра и элементарных частиц. / И.В. Савельев. - М.: Наука, 1987. – 320 с.

4 Грабовский, Р.И. Курс физики: учеб. пособие. – 10-е изд., стер / Р.И. Грабовский. - СПб.: Изд-во «Лань», 2007. – 607 с.