- •Исследование свойств и характеристик полупроводниковых структур
- •Даются описание лабораторных установок, порядок выполнения работы, задания и краткие сведения из теории.
- •Редактор э.Б. Абросимова
- •Цель работы
- •Классификация полупроводниковых материалов
- •Электропроводимость полупроводников Собственная проводимость полупроводников
- •Примесная проводимость полупроводников
- •Простые полупроводниковые материалы Германий
- •Кремний
- •Электронно-дырочный переход при воздействии внешнего электрического поля
- •Переход металл - полупроводник
- •Невыпрямляющий (омический) переход
- •Выпрямляющий переход
- •Полупроводниковые приборы Полупроводниковые диоды
- •Биполярный транзистор
- •Диодные включения транзисторов
- •Содержание работы
- •Описание лабораторной установки
- •Описание програмного интерфейса Основное меню
- •Панель инструментов
- •Окно измерений
- •Меню настройки
- •Порядок выполнения работы
- •Обработка результатов
- •Часть I «Исследование диодных структур» содержит:
- •Часть II «Исследование транзисторных структур» содержит:
- •Контрольные вопросы
- •Список литературы
Выпрямляющий переход
Рассмотрим контакт полупроводника n-типа с металлом, когда Ам>Аn, (рис. 9,а). Электроны будут переходить главным образом из полупроводника в металл, и в приграничном слое полупроводника образуется область, обедненная основными носителями и имеющая большое сопротивление. Кроме того, переход электронов приводит к появлению контактной разности потенциалов.
Если к переходу подключить внешнее напряжение, причем «минус» к полупроводнику, а «плюс» к металлу, то внешнее электрическое поле компенсирует внутреннее. Потенциальный барьер уменьшается, а ток основных носителей (электронов) из n-области увеличивается - переход открыт. При смене полярности («минус» к металлу, «плюс» к полупроводнику) внешнее электричес-кое поле суммируется с внутренним, потенциальный барьер увеличивается и переход не пропускает ток. Переход закрыт.
Таким образом, переход между металлом и полупроводником обладает вентильными свойствами. Его называют барьером Шоттки.
Аналогичные процессы имеют место при контакте металла с полупроводником p-типа, когда Ам<Ар. Значительно большее количество электронов будет переходить из металла в полупроводник. Их рекомбинация с дырками в полупроводнике приведет к уменьшению концентрации носителей в приграничном слое - создается обедненный слой и контактная разность потенциалов (рис. 9,б).
Рис. 9. Выпрямляющий переход |
Подключение внешнего напряжения плюсом к полупро-воднику, а минусом к металлу снижает потенциальный барьер. Через переход течет ток, обу-словленный переходом электро-нов из металла в полупроводник - переход открыт. Обратное включение уве-личивает потенциальный барьер. Через переход будут течь лишь неосновные носители полупро-водника p-типа - электроны. Так как их концентрация мала, то ток |
через переход практически не течет - переход закрыт.
Выпрямляющий переход металл-полупроводник тоже используется для создания приборов с односторонней проводимостью, как и n-p-переход.
Полупроводниковые приборы Полупроводниковые диоды
Полупроводниковым диодом называется полупроводниковый прибор с одним p-n-переходом и двумя выводами, в котором используются свойства перехода.
Полупроводниковые диоды классифицируются:
- по материалу (Ge, Si, GaAs и т.д.);
- по технологии (точечные, сплавные, диффузионные);
- по конструкции (точечные, плоскостные, планарные);
- по функциональному назначению (выпрямительные, универсальные, стабилитроны, туннельные и т.д.).
Выпрямительный диод
Выпрямительные диоды предназначены для выпрямления переменного тока. В них используется основное свойство p-n-перехода: пропускать с малым сопротивлением ток в одном направлении и практически не пропускать в другом.
На рис. 10 изображена вольт-амперная характеристика (ВАХ) кремниево-го диода, которую можно представить в виде двух частей:
- прямая - при прямом включении p-n -перехода;
- обратная — при обратном включении p-n -перехода.
В схеме обозначения диода анод (А) соответствует электроду, присоединенному к р-области, а катод (К)-к n-области.
Рис. 10. Вольт-амперная характеристика диода
Прямая ветвь обусловлена диффузионным током основных носителей. На начальной стадии (U<1B) ток нарастает медленно, что обусловлено наличием потенциального барьера (контактной разности потенциалов), препятствующего движению основных носителей. На этом участке вольт-амперная характеристика нелинейная. По мере преодоления внешним полем внутреннего (U> Δφk≈1В) потенциальный барьер исчезает и остается лишь сопротивление р- и n-областей, которое можно приближенно считать постоянным. Поэтому далее характеристика становится практически линейной при резком нарастании тока.
Обратный ток при увеличении обратного напряжения сначала быстро нарастает. Это вызвано тем, что уже при небольшом увеличении обратного напряжения повышается потенциальный барьер и резко уменьшается диффузионный ток. Следовательно, полный ток (Iпepex.oбр=Iдр-Iдиф), резко увеличивается.
Дальнейшее увеличение обратного напряжения не приводит к росту тока, так как его величина определяется числом неосновных носителей, концентрация которых низка. При некотором значении обратного напряжения (Uобр.max, рис. 10) ток начинает резко возрастать. Это возникает при напряжен-ности поля около 107В/м. Неосновные носители при таком поле разгоняются на длине свободного пробега до энергии, достаточной для ионизации атомов. Концентрация носителей лавинно нарастает в толщине перехода.
Процесс лавинного размножения носителей за счет ударной ионизации атомов называется лавинным пробоем (электрическим). К этому следует добавить, что концентрация носителей дополнительно увеличивается за счет вырывания электронов из атомов сильным электрическим полем.
Лавинный пробой обратим, то есть при снятии напряжения свойства p-n-перехода восстанавливаются.
При дальнейшем увеличении напряжения наступает тепловой пробой. Плотность обратного тока в этом режиме достигает такой величины, что переход начинает разогреваться. Это приводит к появлению дополнительных электронно-дырочных пар в переходе, что, в свою очередь, еще больше увеличивает плотность тока.
Процесс разрушения p-n-перехода вследствие его перегрева обратным током называется тепловым пробоем.
Основные параметры выпрямительных диодов:
- Iпр.ср – средний прямой ток;
- Uобр.мах – максимально допустимое обратное напряжение;
- Iобр – величина обратного тока при заданном обратном напряжении;
- Uпр – величина прямого напряжения при заданном прямом токе Iпр;