Лабораторна робота № 6–6

Лабораторна робота № 6–6 вивчення залежності вольт-амперної характеристики напівпровідникових діодів від температурного режиму

Мета роботи: спостерігати зміни гілок вольт-амперних характеристик (ВАХ) діодів різного типу під впливом температури.

Обладнання: діоди з кремнію та германію, лабораторна установка, муфельна піч, термометр.

Теоретичні відомості

Напівпровідник – це речовини, основною властивістю яких є сильна залежність концентрації вільних носіїв струму, а відтак і всіх залежних від концентрації характеристик (зокрема, питомої електропровідності), від впливу таких зовнішніх факторів як-от: температура, електричне поле, світло, тощо.

Якщо розглянути ізольований атом, то кожен електрон, що входить до складу атому, має певну енергію (займає певний енергетичний рівень). Такі енергетичні рівні (або електронні терми) складають дискретний набір значень. У твердому тілі, завдяки взаємодії атомів, дискретні енергетичні рівні поєднуються у так звані дозволені зони. Ці зони складаються з окремих близько розташованих енергетичних рівнів, число яких відповідає числу електронів у кристалічному тілі. Кожна така зона завжди має енергетичних рівнів, де- кількість елементарних комірок у кристалі. Енергетичні рівні валентних електронів напівпровідника, при поєднанні атомів у кристал, створюють так звані валентні зони. Лишенайнижчих за енергією валентних зон є заповненими валентними електронами кристалу (- кількість валентних електронів, яка припадає на одну елементарну комірку кристалу).

Утеорії напівпровідників звичайно валентною зоною називають лише найвищу з цих заповнених зон (рис.1). Атомарні енергетичні рівні, вільні від електронів, створюють так звані вільні (незаповнені) енергетичні зони в кристалі (рис.1). Найнижча з вільних зон зветься зоною провідності. Поміж дозволеними зонами знаходяться заборонені зони, тобто області значень енергії, які не можуть мати електрони (рис. 1).

Для напівпровідників важливе значення має заборонена зона, що розділює вершину валентної зони і дно зони провідності. ЇЇ характеризують шириною забороненої зони . При температуріширина забороненої зони для кремнію:; для германію:. Залежність ширини забороненої зонивід температури обумовлена наступними факторами:

1. зміною з температурою амплітуди теплових коливань атомів кристалічної решітки;

2. зміною з температурою міжатомних відстаней, тобто об’ємним розширенням кристалу. У більшості напівпровідників величина ширини забороненої зони з підвищенням температури дещо зменшується.

При наявності зовнішнього електричного поля енергетичні діаграми напівпровідників зручно будувати, відкладаючи вздовж вертикальної осі повну енергію електронів () з урахуванням потенціальної енергії електрону в електричному полі (, де- заряд електрону) а вздовж горизонтальної осі – геометричну координату. При такій побудові в тих областях напівпровідника, де існує електричне поле, енергетичні зони будуть нахилені, причому кутовий коефіцієнт їх нахилу пропорційний напруженості електричного поля (), а відносне зміщення відповідних енергетичних зон – різниці потенціалів () поміж даними точками об’єму напівпровідника. Коефіцієнт пропорційності при цьому дорівнює елементарному заряду електрона:(рис. 2).

При контакті двох напівпровідників з різним типом провідності виникає взаємна дифузія носіїв заряду. В результаті цього в- області поблизу контакту залишаються некомпенсовані акцептори (негативні нерухомі заряди), а в- області – некомпенсовані донори (позитивні нерухомі заряди). Створюється область просторового заряду (подвійний приконтактний електричний шар), виникає електричне поле, що спрямоване від- області до-області. Воно зветься дифузійним (або контактним, або запірним) електричним полем. Поміж- і- областями при цьому виникає різниця потенціалів, яка зветься контактною (рис. 3а).

Енергетичну діаграму - переходу при термодинамічній рівновазі можна зобразити, як показано на рис.3(г). Далеко від контакту двох областей електричне поле відсутнє, тому края енергетичних зон в цих областях зображені горизонтальними (незалежними від координат). Через те, що напруженість дифузійного (приконтактного) електричного поля в області- переходу спрямована від електронного напівпровідника до діркового, на діаграмі відповідні один одному края енергетичних зон повинні бути нижче для- області, ніж для- області. Зсув зон пропорційний контактній різниці потенціалів () або висоті потенційного бар’єру () електронно-діркового переходу.

Якщо зовнішнє електричне поле протилежне за напрямом до контактного (дифузійного), то сумарна напруженість поля в - переході зменшується, отже, й висота потенційного бар’єру також зменшується. Частина основних носіїв, що мають найбільші значення енергії, можуть за таких умов подолати бар’єр. Це призводить до появи струму через- перехід. Таке вмикання переходу зветься прямим зміщенням (рис.3 б, д).

Якщо ж зовнішнє електричне поле співпадає за напрямом з контактним (дифузійним) полем, то висота потенційного бар’єру для основних носіїв збільшується (рис. 3 в, е). Однак, для неосновних носіїв, тобто для дірок в n- області і для електронів в р- області, потенційний бар’єр в - переході, навпаки, відсутній. Неосновні носії заряду втягуються електричним полем в- перехід і проходять через нього в сусідню область, де негайно стають основними. При цьому через- перехід буде йти так званий зворотній струм, який відносно є відносно малим, адже концентрація неосновних носіїв заряду в прилеглих до- переходу областях не велика. Таке вмикання зветься зворотнім зміщенням переходу (оберненим).

Таким чином, - перехід має нелінійну і несиметричну провідність: струм є великим у прямому зміщенні і малим – в оберненому напрямі. Саме така його властивість використовується у випрямляючих діодах. Повну інформацію про електричні властивості випрямляючих діодів можна отримати з так званої вольт-амперної характеристики (ВАХ) – залежності струму діоду від напруги на контактах до- та- областей.

При прямому вмиканні діода висота потенційного бар’єру зменшується і через діод тече прямий струм. Через те що висота потенційного бар’єру зменшується пропорційно прикладеній напрузі, а носії заряду розподілені по енергіях за експоненціальним законом, у відповідності до статистики Фермі-Дірака, пряма гілка ВАХ діода повинна бути близька до експоненти.

При збільшенні температури діода також зменшується висота потенційного бар’єру і до того ж змінюється розподіл носіїв заряду по енергіях (електрони, наприклад, займають більш високі енергетичні рівні в зоні провідності). Тому прямий струм через діод помітно збільшується із зростанням температури при незмінному значенні прямої напруги. Вплив температури на пряму гілку ВАХ зручно оцінювати температурним коефіцієнтом прямого падіння напруги на діоді при сталому струмові.

(1)

На рис.4 і 5 подано вигляд вольт-амперної характеристики кремнієвого і германієвого діодів відповідно та її температурна залежність.

Прямий струм росте при нагріванні діодів менш різко, ніж зворотній. Це пояснюється тим, що прямий струм зумовлений основними носіями струму, концентрація яких залежить головним чином від концентрації домішків у напівпровідниках. Остання ж практично не залежить від температури. Невеличке збільшення прямого струму також забезпечено генерацією основних носіїв з валентної зони у зону провідності напівпровідника.

Максимально дозволені прямі струми кремнієвих площинних діодів різних типів складають діапазон: . Падіння напруги на діодах при таких прямих струмах не перевищує. Якщо порівнювати прямі гілки ВАХ двох діодів з різною шириною забороненої зони, то у діода з більшою шириною забороненої зони буде більшої висота потенційного бар’єру. Тому, прямий струм через діод з матеріалу більшої ширини забороненої зони буде меншим при однаковому значенні напруги. У зв’язку з тим, що висота потенційного бар’єру германієвого- переходу приблизно вдвічі менша, ніж для кремнієвого- переходу, пряма напруга на германієвому діоді при максимальному дозволеному значенні струму приблизно вдвічі менша, ніж на кремнієвому діоді. Це одна (і, нажаль, єдина) з переваг германієвого діода над кремнієвим.

Зворотній напрям вмикання діода характеризується густиною струму насичення. Вона прямо пропорційна до квадрату власної концентрації носіїв заряду (~). При збільшенні температури діода експоненціальне зростає власна концентрація носіїв заряду, тому і густина струму насичення збільшується. Власна концентрація носіїв експоненціальне спадає при збільшенні ширини забороненої зони. Порівнюючи германієві та кремнієві діоди та враховуючи, що приконцентрація:,, можна зробити висновок, що густина струму насичення в кремнієвих діодах повинна бути меншою на шість порядків. Що стосується температурної залежності оберненого струму, то в кремнієвих діодах вона значно менша, ніж в германієвих (рис. 4, 5). Суттєвим недоліком германієвих діодів є те, що вони не витримують навіть короткочасні імпульсні перевантаження при оберненому вмиканні.

Для визначення контактної різниці потенціалів, що виникає в - переході, використовують пряму гілку вольт-амперної характеристики. У випадку великих струмів, коли потенційний бар’єр- переходу прямує до нуля, ВАХ переходить у пряму, нахил якої обернено пропорційний до електричного опору- переходу. Екстраполяція цієї прямої до перетинання з віссю напруги покаже значення контактної різниці потенціалів(рис. 6).