fopi / Лабы по ФОИ - Изучение работы полупроводникового диода (29)

Изучение работы полупроводникового диода

Приборы и прирнадлежности: кремниевый и германиевый диоды, миллиамперметр, микроамперметр. два вольтметра. два источника питания, два потенциометра, переключатель, соединительные провода

Цель работы: изучение принципа действия полупроводникового диода и снятие его вольт-амперной характеристики.

В настоящее время в медицинских приборах и аппаратах широко используются полупроводниковые элементы. Полупроводники — это материалы, электропроводимость которых имеет промежуточное значение между электропроводимостью проводников и диэлектриков. Сравнительно малые размеры, механическая прочность, малая потребляемая мощность — все эти преимущества полупроводниковых устройств открывают широкие возможности для их применения.

Полупроводники обладают рядом свойств, отличных от свойств проводников: их сопротивление уменьшается при повышении температуры; сопротивление зависит от освещенности и интенсивности ионизирующего облучения.

Чистый кристаллический полупроводник при Т=0 К и отсутствии освещенности и ионизирующего облучения не проводит электрический ток, так как его валентные электроны образуют правильные ковалентные связи и свободные носители заряда отсутствуют. При повышении температуры (Т>0 К), освещении или облучении электронные связи могут разрываться, что приводит к отрыву электрона, который становится носителем тока, и образованию вакантного места — дырки, которая соответствует положительному заряду.

При воздействии электрическим полем электроны перемещаются против направления линий напряженности, а дырки — по этим линиям. Электропроводимость чистых полупроводников называется собственной. При собственной проводимости число свободных электронов и дырок одинаково.

Внесение примесей в чистые полупроводники оказывает сильное воздействие на их электропроводимость. С помощью примесей можно получить полупроводники с избыточным количеством носителей заряда того или иного знака. В зависимости от знака преобладающих носителей заряда различают p- и n-полупроводники. Основными носителями заряда в полупроводнике n-типа являются электроны. Их концентрация значительно превышает при комнатной температуре концентрацию неосновных носителей — дырок. В полупроводнике р-типа, наоборот, основными носителями заряда являются дырки, а неосновными—электроны.

Особый интерес для практического использования представляют явления, происходящие при контакте двух полупроводников.

Рассмотрим контакт двух полупроводников с р- и n-проводимостью (рис. 29.1). На границе соприкосновения этих полупроводников возникает слой, который называется электронно-дырочным переходом (p-n-переход). Такой переход нельзя создать простым соприкосновением двух полупроводниковых пластин, р- и n-типа, так как вследствие шероховатостей и неровностей соприкасающихся поверхностей плотность контакта будет неодинаковой в различных точках. Обычно p-n-переходы получают в одном и том же кристалле полупроводника, создавая в нем различными способами области с различной проводимостью. Это можно сделать, например, производя местную термическую обработку кристалла германия. Другим способом получения p-n-перехода является внесение необходимых примесей в расплавленный полупроводник при выращивании монокристалла.

При контакте p- и n-полупроводников начинается диффузия основных носителей заряда. Электроны из n-области будут перемещаться в p-область, и их концентрация в приконтактном слое в n-полупроводнике начнет уменьшаться. Вследствие этого здесь возникнет нескомпенсированный положительный заряд ионов. Аналогично, при переходе дырок из p-области в n-область в приконтактном слое p-полупроводника возникнет избыточный отрицательный заряд. Таким образом, на границе p- и n-полупроводников получается контактный слой, в котором создается электрическое поле напряженностью , направленной от п-области к p-области. Толщина контактного слоя обычно имеет порядок 10^-6-10^-7 м.

Возникающее электрическое поле препятствует диффузии основных носителей заряда из одной области в другую. Поэтому по мере увеличения плотности заряда в контактном слое диффузионный ток основных носителей уменьшается, а затем почти совсем прекращается. На границе полупроводников создается разность потенциалов (потенциальный барьер), для преодоления которой электроны и дырки должны обладать энергией, соответствующей энергии их теплового движения при температуре в несколько тысяч градусов. Таким образом, для основных носителей контактный слой является запирающим, т. е. обладает повышенным сопротивлением.

Для неосновных же носителей зарядов (электронов в p-области и дырок в n-области) контактное поле является ускоряющим. Т.е. неосновные носители, которые оказываются в зоне перехода, под действием поля свободно переходят через границу полупроводников, образуя ток неосновных носителей (рис. 29.1)

Однако даже при комнатной температуре некоторые основные носители зарядов в обеих областях обладают анергией, достаточной для преодоления потенциального барьера. Эти носители диффундируют через границу полупроводников, образуя ток основных носителей , направленный навстречу току неосновных носителей. Таким образом, при контакте полупроводников устанавливается динамическое равновесие, при котором .

Если к p-n-переходу присоединить источник тока так, чтобы напряженность создаваемого им внешнего электрического поля имела направление, противоположное направлению (рис 29 -2, а), то высота потенциального барьера на границе полупроводников будет уменьшаться. При этом толщина контактного слоя делается меньше, его сопротивление уменьшается и сила тока основных носителей через p-n-переход возрастает. Такое направление тока называется прямым или пропускным.

Если же источник тока присоединить к контакту так, чтобы его поле совпало по направлению с собственным полем p-n-перехода (рис- 29.2, б), то потенциальный барьер возрастает. Толщина контактного слоя увеличивается, его сопротивление возрастает и сила тока основных носителей уменьшается почти до нуля. При этом через p-n-переход будет идти только малый ток неосновных носителей. Такое направление тока называют обратным или запирающим

Зависимость силы тока, текущего через р-п-переход, от приложенного к нему напряжения (вольт-амперная характеристика) изображена на рис. 29.3. Положительные значения силы тока соответствуют прямому направлению, отрицательные — обратному. Как видно из графика, сила прямого тока зависит от напряжения — при увеличении напряжения сила тока возрастает. Сила же обратного тока от напряжения практически не зависит. Она определяется количеством неосновных носителей, образующихся в полупроводнике в единицу времени, а это количество при постоянной температуре остается неизменным. Если приложенное запирающее напряжение превышает некоторое значение , то сила обратного тока резко возрастает, т, е. происходит пробой электронно-дырочного перехода. Причина этого заключается в следующем: под действием сильного электрического поля электроны приобретают значительную скорость и, сталкиваясь с нейтральными атомами в области p-n-перехода» ионизируют их. Таким образом, число неосновных носителей заряда в полупроводниках резко увеличивается и сила обратного тока возрастает.

Следовательно, электронно-дырочный переход обладает односторонней проводимостью. Это свойство позволяет использовать контакт полупроводников с p-n-проводимостью для выпрямления переменного тока. Приборы, действие которых основано на этом свойстве, получили название полупроводниковых диодов.

Одной из характеристик диода является коэффициент выпрямления k, равный отношению сил токов прямого к обратному, измеренных при одинаковых напряжениях:

(29.1)

При работе с полупроводниковыми диодами следует учитывать значение наибольшего обратного напряжения, т. е. такого напряжения, которое может быть приложено к диоду в запирающем направлении в течение длительного времени без опасности нарушения его нормальной работы.

В зависимости от способа получения p-n-переходов различают два типа полупроводниковых диодов: плоскостные и точечные.

Рассмотрим устройство плоскостного селенового диода, Схематический разрез которого изображен на рис. 29.4. Селеновый диод состоит из железного диска 1, покрытого слоем никеля 2. Этот диск является одним из электродов. На него наносят слой селена 3, обладающего p-проводимостью.

Вторым электродом служит тонкий слой 4 из сплава металлов кадмия, висмута и олова. Атомы сплава диффундируют в селен, который приобретает при этом n-проводимость, и на границе второго электрода и полупроводника возникает электронно-дырочный переход. В селеновых диодах прямой ток идет от железного диска через слой селена ко второму электроду.

Наибольшее обратное напряжение селеновых диодов составляет 20 —25 В. Для выпрямления большего напряжения соединяют последовательно несколько селеновых шайб. Для этого их надевают на изолированный стержень и стягивают гайками. Контакт между отдельными шайбами производится с помощью пружинящих металлических дисков. Выпрямленный ток подводится к латунным выводам на концах селенового столбика.

Для выпрямления слабых высокочастотных токов применяют точечные полупроводниковые диоды. Схематическое устройство точечного германиевого диода дано на рис. 29.5. Внутри керамической трубки 1 на металлических втулках укреплены пластинка германия 2 и контактная металлическая проволочка3, упирающаяся в германиевую пластинку. В месте контакта металлической проволоки с кристаллом полупроводника образуется p-n-переход. Сила выпрямленного тока в точечных диодах не должна превышать 10—30 мА.

Описание установки

Схема установки изображена на рис 29-6. С помощью переключателя К на полупроводниковый диод Д можно подавать напряжение U (от источника питания E₁ в прямом направлении и от источника E₂ в обратном направлении). Подаваемое на диод напряжение можно изменять потенциометрами) R₁ и R₂ и измерять вольтметрами V₁ и V₂. Прямой ток через диод измеряется миллиамперметром A₁, обратный ток — микроамперметром А₂

Порядок выполнения работы

1. Снятие вольт-амперной характеристики селенового диода:

   1. включите источник питания E₁;

   2. поставьте переключатель К в положение, соответствующее прямому направлению тока через диод;

   3. измените потенциометром R₁ напряжение U_пр на диоде от 0 до 2В через каждые 0,2 В, измеряя каждый раз силу тока I_пр в цепи;

   4. отключите источник питания E₁;

   5. поставьте переключатель К в положение, соответствующее обратному направлению тока через диод, и включите источник питания E₂,

   6. измените потенциометром R₂ напряжение U_обр на диоде от 0 до 20 В через каждые 1 В, измеряя каждый раз силу тока I_обр;

   7. результаты измерений ^внесите в табл. 29.1;

   8. постройте вольт-амперную характеристику селенового диода;

   9. вычислите коэффициент выпрямления селенового диода при двух значениях напряжения [см. (29.1)];

   10. определите погрешность определения коэффициента выпрямления селенового диода с доверительной вероятностью а=0,95.

2. Снятие вольт-амперной характеристики германиевого диода. Включите в цепь вместо селенового диода германиевый и выполните задание 1, a)-j).

Таблица 29.1

Uпр, В	Iпр, мА	Uобр, В	Iобр, мкА

Вопросы и упражнения

1. Дайте определение p-n-перехода.

2. Чем обусловлен диффузионный ток через p-n-переход?

3. Опишите процессы, происходящие в p-n-пeрeходe при прямом включении источника тока.

4. Опишите процессы, происходящие в p-n-переходе при обратном включении источника тока.

5. Изобразите вольт-амперную характеристику полупроводникового диода.

6. Что называется коэффициентом выпрямления диода?

7. Опишите устройство и принцип действия селенового и германиевого диодов.

8. Дайте определение полупроводников p- и n-типа.

9. В чем отличие полупроводников от проводников?

10. Укажите факторы, влияющие на проводимость полупроводников.