Цель работы: ознакомление с основными физическими характери­стиками полупроводникового р-n перехода, изучение вольтамперной ха­рактеристики (ВАХ) полупроводникового диода, исследование работы LC —автогенератора на транзисторе, формирование у студентов навыка рабо­ты с электронными элементами и устройствами.

Основные понятия

Полупроводники, с точки зрения электропроводности, занимают промежуточное положение между металлами и диэлектриками. Свойства полупроводниковых элементов определяются химическим составом со­единения и его чистотой, наличием контролируемой по составу и количе­ству примеси (легирование), технологией изготовления. Варьируя пара­метры состава или технологии можно получить полупроводниковые мате­риалы с очень различными свойствами. Для понимания физических про­цессов при изготовлении и использовании полупроводниковых элементов необходимо пользоваться зонной теорией полупроводников. Понятия зон­ной теории исходят из атомной структуры материала полупроводника. Структура собственного, другими словами чистого, беспримесного, полу­проводника состоит из одного элемента таблицы Менделеева. Это могут быть германий - Ge, кремний - Si, селен - Se и ряд других.

Атомы полупроводника связаны химическими связями в кристалли­ческую решетку - достаточно прочную структуру, определяющую механи­ческие, а.также и электрические свойства материала. Наличие химических связей в решетке означает наличие взаимодействий между соседними ато­мами, обусловленных электромагнитными силами. Из основ квантовой ме­ханики Известно, что электроны в изолированном атоме могут занимать лишь определенные энергетические состояния (уровни). Внешнее воздей­ствие на атом электрическим или магнитным полем приводит к смещению или расщеплению уровня на более мелкие состояния - подуровни, разме

щающиеся по энергии вблизи основного уровня. В кристаллической ре­шетке взаимодействие так велико, что энергетические уровни атома рас­ширяются до так называемых разрешенных зон энергии. Количество уров­ней в такой зоне достигает величины 10 ²² см ^-3 эВ^-1 и выше. При такой плотности уровней каждую такую разрешенную зону можно считать не­прерывной зоной для энергии электрона. Разрешенные зоны могут быть разделены по энергии зонами, где у собственного полупроводника уровней нет вообще. Такие зоны называются запрещенными. Ясно, что электроны в собственном полупроводнике могут занимать уровни лишь в разрешен­ных зонах. При этом от валентности атома и количества электронов в его внешней оболочке зависит будет ли разрешенная зона полностью запол­ненной, частично заполненной или пустой. Для понимания электрических свойств полупроводника из множества разрешенных и запрещенных зон важны только три зоны, имеющие свои названия. Зоной проводимости на­зывается самая нижняя, по энергии, из пустых или частично заполненных зон. Валентной зоной называется самая верхняя, по энергии, из полностью заполненных зон. Промежуток - Е _g между дном зоны проводимости- Е _с и

потолком валентной зоны - Е _v назы­вается запрещенной зоной

На рис. 1 изображена энергетическая диаграмма собственного полупровод­ника. Если запрещенная зона имеет ширину, сравнимую со средней энергией теплового движения - кТ, то электроны из валентной зоны могут тер­мически активироваться и переходить в зону проводимости. В зоне прово­димости они могут передвигаться как свободные и участвовать в переносе тока. На месте выбывших электронов в валентной зоне образуется свобод­ное место, называемое дыркой. Если количество электронов, перешедших в зону проводимости значительно, то такое же количество дырок будет в валентной зоне. В место каждой дырки может перейти электрон из сосед­него атома. Таким образом, в валентной зоне создаются условия для дви­жения дырок по объему полупроводника. В этом случае ток в полупровод­нике переносится электронами в зоне проводимости и дырками в валент­ной зоне. Направление тока совпадает с направлением движения дырок. Такой механизм тока имеет место в собственных полупроводниках. Элек­троны, активированные в зону проводимости, и дырки в валентной зоне называются собственными носителями тока в полупроводнике.

Идеально чистые полупроводники в природе не встречаются, изго­товление их искусственно достаточно дорого. Примеси изменяют свойства полупроводников. Имеет значение валентность примесей. Если валент­ность примеси на единицу или более превышает валентность основного полупроводника, она называется донорной. Если ее валентность на едини­цу или более меньше основного полупроводника, она называется акцеп­торной.

На рис. 2 изображена энергетическая диаграмма примесного полупроводни­ка, содержащего как донорную, так и акцепторную примеси. Уровни примес­ных донорных атомов - Е _д располага­ются под дном зоны проводимости и в обычном состоянии заполнены элек

тронами. Уровни акцепторных примесных атомов - Е _а располагаются над потолком валентной зоны вблизи нее и в обычном состоянии пусты. Меха­низм проводимости в этом случае заключается в переходе электронов с донорных уровней Е _д в зону проводимости (рис.2) для третьего слева уровня. Ввиду малости энергий между донорными уровнями и дном зоны проводимости, эти переходы возможны при гораздо более низких темпера-

турах, чем в собственных полупроводниках. Дырочная проводимость воз­никает из-за наличия пустых акцепторных уровней вблизи потолка валент­ной зоны. В обычном состоянии они пусты и, следовательно, способны к захвату электронов из валентной зоны. При этом в месте захваченного электрона образуется дырка, способная к перемещению по полупроводни­ку. Это показано на рис.2 для второго слева акцепторного уровня. В при­месном полупроводнике может происходить процесс, имеющий характер перемещения как положительных, так и отрицательных зарядов. Пока в полупроводнике не действует внешнее электрическое поле, оба эти про­цесса имеют хаотический характер. При наложении поля оба процесса по­лучают преимущественное направление: свободные электроны движутся против поля, а дырки по полю - что приводит к появлению тока одного на­правления.

В полупроводнике только с одним видом примеси - донорным воз­никает преимущественно электронная проводимость за счет опустошения донорных уровней. Полупроводник в этом случае называется n-типа, или электронным. Если имеется только акцепторная примесь, то характер про­водимости меняется на дырочный и полупроводник называется р-типа.

Если полупроводник n-типа соединить технологически с полупро­водником р-типа, то получится р-n переход. Каждый из полупроводников будет электрически нейтрален, но в результате соединения некоторое ко­личество электронов вблизи перехода перейдет за счет диффузии из n-области в р-область и нейтрализует там некоторое количество дырок. В ре­зультате n- полупроводник приобретает положительный заряд, а полупро­водник р-типа - отрицательный. То же самое получается при переходе ды­рок из р-области в n-область. В результате возникает разность потенциа­лов: положительная со стороны n-типа по отношению к р-области, которая препятствует дальнейшей диффузии электронов и дырок. Если к р-n пере­ходу подключить батарею положительным полюсом к р-области, а отрицательным к n-области, то ее напряжение противоположно внутренней раз­ности потенциалов и в р-n переходе возникает ток. На рис.За показано протекание тока через р-n переход.

Положительные дырки в области р-типа отталкива­ются положительным по­люсом батареи, а электро­ны в области n-типа оттал-

киваются отрицательным полюсом батареи. При переходе через р-n пере­ход электроны и дырки рекомбинируют (взаимно уничтожают друг друга), и в этом случае через nр-n переход течет заметный ток.

Если изменить полярность батареи так, как показано на рис. 36, то дырки в р-области и электроны в n-области притягиваются к полюсам ба­тареи противоположного знака; при этом они отходят от р-n перехода, в результате чего ток через переход резко уменьшается.

ВАХ р-n перехода, т.е. зависимость тока I через переход от напря

жения и показана на рис. 4.

Область характеристики при положительных значениях тока и напряжения образует прямую ветвь ВАХ. Это область сильных токов. Область характеристики при отрицательных значениях тока и напряжения называется обратной ветвью. Она

характеризуется гораздо меньшим током, однако, при значительных отри­цательных напряжениях ток может возрастать, что приведет к электриче­скому пробою и порче р-n перехода. Таким образом, р-n переход пропус­кает ток преимущественно в одном направлении и может служить выпря

мителем. Электронные приборы, работающие на этом свойстве, называют­ся полупроводниковыми диодами.

На рис.5 изображена принципиальная схема однополупериодного выпрямления переменного тока. Исходное переменное напряжение а), по­дается на электрическую цепь б), состоящую из полупроводникового дио­да - Д и сопротивления нагрузки R. При положительном полупериоде ра­ботает прямая ветвь диода, и ток свободно проходит в нагрузку. При отри­цательном полупериоде работает обратная ветвь диода с большим внут­ренним сопротивлением, и ток нагрузки сильно уменьшается. Таким обра­зом, работают схемы выпрямления переменного тока.