1/Цель работы

Изучение вольт-амперной характеристики p-n перехода.

2. ПРИБОРЫ И ОБОУДОВАНИЕ

Лабораторный стенд для изучения вольт-амперной характеристики диодов.

3. Теоретическая часть

3.1. СОБСТВЕННЫЕ ПОЛУПРОВОДНИКИ

Собственные полупроводники – это полупроводники без донорных и акцепторных примесей. При температуре абсолютного нуля в полупроводнике отсутствуют свободные носители заряда, т.к. каждый электрон удерживается в атоме на своей орбите.

При температуре выше абсолютного нуля некоторые электроны могут быть оторваны от атомов. У кристалла появляются две возможности проводить ток. Первая – движение свободных электронов под действием внешнего электрического поля. Вторая – непрерывное перемещение электронов с соседних орбит на место освободившейся пустой связи. Этот второй механизм электропроводности описывают как движение фиктивной частицы – дырки, имеющей положительный заряд, в точности равный по абсолютной величине заряду электрона.

Процесс возникновения пары электрон-дырка под действием тепла называется тепловой генерацией пары свободных носителей.

Процессы, происходящие в полупроводниках, удобно рассматривать с помощью энергетических диаграмм. Процесс генерации пар носителей поясняется на рис. 1.

Рис. 1 Процесс генерации элекронно – дырочных пар

где: – энергетический уровень дна зоны проводимости

– энергетический уровень потолка валентной зоны

– энергия ионизации (ширина запрещенной зоны)

Чтобы образовать электронно-дырочную пару, необходимо затратить энергию или, другими словами, преодолеть энергетический барьер высотой Энергия может быть получена от тепловых колебаний решетки или достаточно энергичного кванта света (фотона). При этом электрон переходит в зону проводимости, а ионизированный атом (дырка) остается в валентной зоне. Энергию внутри запрещенной зоны, между потолком валентной зоны и дном зоны проводимости, электрон иметь не может (он находится либо в атоме, либо вне его, получив необходимую энергию извне).

Кроме тепловой генерации пар носителей заряда, в полупроводнике существует обратный процесс – их рекомбинация, т.е. возвращение электрона из зоны проводимости в валентную зону, а иначе – захват атомом с дыркой свободного электрона, в результате чего пара носителей заряда исчезает. Энергия передается решетке кристалла, нагревая его. Иногда рекомбинация сопровождается рождением фотона с энергией .

В состоянии термодинамического равновесия оба процесса взаимно уравновешены. Соответствующие любой данной температуре собственные концентрации электронов и дырок одинаковы, т.к. пара носителей и возникает, и рекомбинирует одновременно.

С повышением температуры собственная концентрация носителей возрастает, но при обычных комнатных температурах она недостаточна для создания полупроводниковых приборов.

3.2. ПРИМЕСНЫЕ ПОЛУПРОВОДНИКИ.

Самыми распространенными собственными полупроводниковыми материалами являются четырехвалентные кремний Si и германий Ge. Четыре валентных электрона атома обобществлены меду данным атомом и его четырьмя соседями, образуя ковалентные (парные) связи между атомами.

При введении в собственный полупроводник пятивалентной донорной примеси (например, мышьяка As) в нем образуется избыточная концентрация электронов (полупроводник типа). Донорная примесь выбирается так, что один из пяти ее электронов, который не участвует в парных ковалентных связях (они заняты четырьмя другими электронами) имеет энергетический уровень вблизи дна зоны проводимости (рис. 2). Тогда преодолеть небольшой энергетический барьер сможет значительное число электронов донора (даже при комнатной температуре). Это означает, что концентрация примесных свободных электронов в зоне проводимости будет значительно больше, чем концентрация собственных .

Рис. 2 Донорный полупроводник

Положительно заряженные ионизированные атомы донора неподвижно закреплены в решетке, т.е. подвижной дырки, принимающей участие в проводимости, не образуется. Может показаться, что свободных дырок в электронном полупроводнике столько же, сколько в собственном. Однако термодинамическое равновесие сдвигает концентрацию в сторону уменьшения . Действительно, при данной температуре в примесном полупроводнике генерируется столько же электронно-дырочных пар, сколько и в собственном. Но гибнут дырки гораздо чаще. Ведь свободных электронов много, значит, и встреча дырки с электроном, заканчивающаяся рекомбинацией, происходит чаще. Можно показать, что:

,(1)

т.е. .

Электроны в полупроводнике типа являются основными, а дырки – неосновными носителями заряда.

При введении в собственный полупроводник трехвалентной акцепторной примеси (например, бора B) в нем образуется избыток концентрации дырок (полупроводник типа). Для прочного расположения в кристаллической решетке, т.е. образования четырех ковалентных связей с соседями, атому примеси не хватает одного электрона, и он отбирает его у соседнего атома полупроводника. Акцепторный уровень (рис. 3) подбирается находящимся вблизи потолка валентной зоны . Чтобы электрон от соседнего атома кристалла перешел к бору, необходимо затратить энергию , значительно меньшую энергии ионизации собственного полупроводника . Концентрация акцепторных свободных дырок в валентной зоне значительно больше концентрации собственных

.

Рис. 3 Акцепторный полупроводник

Отрицательно заряженные атомы бора неподвижно закреплены в кристаллической решетке и не могут принимать участие в проводимости. Концентрация свободных электронов в зоне проводимости уменьшается по сравнению с собственной , поскольку рекомбинация электронов окруженных многочисленными дырками, происходит гораздо чаще. В акцепторном ( -типа) полупроводнике выполняется соотношение (1),т.е. .

Дырки в полупроводнике типа являются основными, а электроны неосновными носителями заряда.

3.3. P-N ПЕРЕХОД

Основным элементом полупроводниковых приборов является переход, который представляет собой тонкий слой на границе раздела двух полупроводников различного типа проводимости.

Оба типа полупроводников, взятые по отдельности, электрически нейтральны. Их подвижные носители могут направленно перемещаться под действием либо электрического поля, либо разности концентраций. При отсутствии внешнего электрического поля возникает диффузионный поток электронов из полупроводника -типа, где их много, в дырочный полупроводник. И наоборот – диффузионный поток дырок из в полупроводник.

Образующийся между ними переход оказывается заряженным. Электроны, переходя в область, заряжают прилегающую к переходу часть полупроводника отрицательно. Прилегающая к переходу часть полупроводника типа, наоборот, приобретает положительный заряд, так как в ней остается нескомпенсированный положительный заряд неподвижных доноров.

К точно такому же эффекту приводит и диффузия дырок из в область. Прилегающая к границе область типа будет заряжаться так же отрицательно (в ней остается нескомпенсированным отрицательный заряд неподвижных акцепторов), а прилегающая к границе область типа – положительно (рис. 4).

Рис.4 p-n переход

Таким образом, вблизи перехода образуется двойной заряженный слой. Электрическое поле двойного слоя эквивалентно энергетическому барьеру и противодействует процессу диффузии. На любой электрон, попавший в такой слой, будет действовать сила, стремящаяся вытолкнуть электрон в область, а дырку в область.

В результате двух процессов, действующих в противоположные стороны, диффузии и движения зарядов в электрическом поле, устанавливается стационарное (не зависящее от времени) состояние равновесия. Электрическое поле создает в барьере ток проводимости , направленный навстречу диффузионному току и в точности его компенсирующий .

Выталкивание электрическим полем носителей из перехода приводит к обеднению перехода носителями и значительному повышению его сопротивления относительно и -областей. Сам переход оказывается объемно-заряженной зоной, так как со стороны области в нем находятся неподвижные отрицательно заряженные акцепторы, а со стороны области положительно заряженные неподвижные доноры.

Кроме рассмотренных основных носителей в полупроводниках существуют неосновные носители. Им поле барьера не мешает, а помогает переходить из одной области в другую. Так как концентрация неосновных носителей мала, дополнительный полевой ток , обусловленный их движением, также невелик. Но пренебрегать им нельзя. Из условия равновесия следует, что он должен быть скомпенсирован дополнительным диффузионным током .

,(2)

где – ток насыщения (название будет понятно из дальнейшего рассмотрения).

На рис. 5 образование перехода поясняется с помощью энергетических диаграмм. На рис. 5а приведены энергетические диаграммы и кристаллов по отдельности. На рис.5б – энергетическая диаграмма кристалла с p-n переходом.

Рис. 5а Энергетические диаграммы и кристаллов

Рис. 5б Энергетическая диаграмма кристалла с p-n переходом.

В стационарном состоянии равновесия акцепторный уровень в области и донорный уровень в области одинаковы (выровнены). При этом между и областями образовался энергетический барьер высотой .

Нужно учитывать, что увеличению энергии электрона соответствует перемещение по оси энергии вверх, а увеличению энергии дырки, перемещению вниз. Для качественного понимания можно представить электроны тяжелыми шариками, погруженными в жидкость, а дырки поплавками. Электронам трудно подняться по барьеру вверх (перейти из области в область), а дыркам – опуститься вниз (перейти из области в область). В состоянии равновесия число электронов, ежесекундно преодолевающих барьер (диффузионный ток) равно числу электронов, ежесекундно скатывающихся с барьера (полевой ток). Такое же равенство относится и к дыркам.

Примечание. Если уровни и не одинаковы, как на рис. 5а, то электронам энергетически выгодно переходить из области в область. Для понимания причины выравнивания уровней и рассмотрим (сначала) электронную составляющую диффузионного и полевого тока. Электроны донора, получив тепловую энергию (энергию преодоления барьера), переходят с уровня -области в область. Только незначительная часть именно этих электронов скатывается вниз с барьера. Основная часть, продвинувшись в прилегающую к переходу область, рекомбинирует (окруженные большим количеством дырок), отдавая решетке энергию и переходя на уровень . Электроны, компенсирующие эти "потери" полевого тока, возникают за счет тепловой ионизации атомов акцептора. Получив энергию , те из них, которые оказались вблизи перехода и не успели рекомбинировать в своей области, скатываются с барьера, образуя основную часть полевого тока. Условие стационарного равновесия требует, чтобы ни диффузионный, ни полевой переход не приводил ни к приобретению электроном энергии, ни к потере. Это возможно только тогда, когда уровни и одинаковы. То же относится и к дырочной составляющей токов.

3.4. ОБРАТНОЕ СМЕЩЕНИЕ

переход с прилегающими к нему и областями и электрическими выводами от них представляет собой полупроводниковый диод. Диод называется обратносмещенным, если к нему приложено напряжение от внешнего источника "плюсом" к области, а "минусом" к области. Вследствие большого сопротивления перехода практически всё приложенное напряжение падает на переходе. Поле от внешнего источника совпадает с полем внутри перехода, что приводит к увеличению потенциального барьера на величину (рис. 6).

При достаточном основные носители не в состоянии преодолеть барьер. Это приводит к полному отсутствию токов и . На ток же неосновных носителей обратное напряжение никак не влияет. Вольт-амперная характеристика обратносмещенного германиевого диода приведена на рис. 7 При небольшом, порядка десятых долей вольта, обратном напряжении ток перестает зависеть от напряжения (насыщается). С увеличением температуры ток насыщения резко увеличивается. Обратносмещенный диод в цепи постоянного тока представляет очень большое сопротивление. Обратный ток обусловлен встречным движением через переход неосновных носителей.

Рис.6 Обратно смещённый переход

Рис.7 Вольт-амперная характеристика обратносмещенного диода

3.5. ПРЯМОЕ СМЕЩЕНИЕ

На рис. 8 показан диод, к которому приложено прямое смещение. "Плюс" источника подключен к области, "минус" к области.

Рис. 8 Прямо смещённый переход

Прямо смещенный диод представляет собой очень маленькое сопротивление. Ток через переход очень сильно, экспоненциально растет с увеличением смещения. Это объясняется тем, что внешнее поле направлено навстречу полю перехода. При этом высота барьера уменьшается на величину . И, не удерживаемые полем барьера, основные носители инжектируют (врываются) в чужеродные области. Прямой ток – это встречное движение через переход основных носителей (смотри примечание). Полный ток через переход составляет

.(3)

Формула (3) описывает зависимость тока через переход при любом смещении: и прямом, и обратном. При прямом смещении положительно, а при обратном отрицательно.

Рис.9 Прямая вольт – амперная характеристика

На рис. 9 приведена вольт – амперная характеристика, построенная в соответствии с формулой (3). При прямом смещении ток резко, экспоненциально растет с приложенным напряжением, а при обратном – насыщается на уровне уже при величине обратного смещения , равном нескольким .

Примечание. В "чужеродных" областях основные носители полностью рекомбинируют на расстоянии диффузионной длины, не дойдя до края "чужеродной" области. Откуда же берутся эти "исчезающие" встречные потоки основных носителей при длительном протекании прямого тока ? Всё дело в работе источника. Это он каждую секунду притягивает к своему плюсу электронов из области и оставляет в ней такое же количество дырок, которые устремляется к переходу. Внутри источника эти электроны переходят к "минусу" источника и поступают в область, из которой также устремляются к переходу. Полный ток один и тот же во всех точках (сечениях) замкнутой цепи и определяется сопротивлением перехода.

4.ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Принципиальная схема установки приведена на рис.10.

Схема состоит из блока питания, микроамперметра и вольтметра, пределы измерений которых изменяются с помощью шунта и добавочного сопротивления, при переключении тумблера S2.

Тумблер S2 также переключает величину напряжения на выходе блока питания и полярность напряжения на диодах.

Контакты тумблера S2 обозначены на схеме как S2.1 – S2.7 и обозначены в положении измерения прямой вольт – амперной характеристики.

Тумблер S1 переключает кремниевый и германиевый диоды V1, V2.

Резисторы R1 и R2 служат для изменения значений токов и напряжений в процессе измерения вольт – амперных характеристик.

Рис.10 Принципиальная схема установки

1. Включить измерительную схему от сети 12 В на сетевом щитке.

2. Установить режим измерения прямой вольт – амперной характеристики тумблером S2 в положение «Пр».

3. Произвести измерения, изменяя величину тока с помощью ручки переменного резистора R1, «Рег» во всем диапазоне шкалы.

4. Измерения произвести для кремниевого и германиевого диодов переключая их с помощью переключателя S1.

5. Результаты измерений занести в таблицу 1

Таблица 1

Uпр (В)
Iпр (мА)

5. Установить режим измерения обратной воль – амперной характеристики тумблером S2 в положение «Обр».

6. Произвести измерения обратной вольт – амперной характеристики аналогично п.3. Результаты измерений занести в таблицу 2.

Таблица 2

Uоб (В)
Iоб (мкА)

5. ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ ИЗМЕРЕНИЯ

1. По результатам измерений на одном графике построить вольт – амперные характеристики кремниевого и германиевого диодов.

2. Для кремниевого диода построить линеаризованную характеристику, используя зависимость от напряжения . Ток определить из вольт – амперной характеристики. Сравнить угловой коэффициент полученной зависимости с величиной . Экспериментальное значение углового коэффициента отличается от теоретического в зависимости от материала и технологии изготовления диода.

6. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Собственные полупроводники. Процессы генерации и рекомбинации электронно-дырочных пар. Соотношение собственных концентраций.

2. Примесные полупроводники. Соотношения концентраций электронов и дырок в и полупроводниках.

3. переход. Образование потенциального барьера. Соотношение для диффузионного и полевого токов. Сопротивление перехода. Причины выравнивания донорного уровня области и акцепторного уровня области.

4. Обратное смещение. Ток насыщения. Носители, обуславливающие ток.

5. Прямое смещение. Носители, обуславливающие прямой ток. Причины резкого возрастания с напряжением.

Список литературы

1. Савельев И.В. Курс общей физики. — М.: Наука, 2002. — Т.3.

2. Лабораторный практикум по физике. — М.: Высшая школа, 1988.