17

Лабораторная работа № 205 Полупроводниковые приборы: диод, стабилитрон

ЦЕЛЬ РАБОТЫ:

• изучить физические основы работы полупроводникового диода и стабилитрона;

• исследовать вольтамперные характеристики диодов - германиевого и кремниевого, и стабилитрона;

• определить по вольтамперным характеристикам для диодов: значение контактной разности потенциалов, величину дифференциального сопротивления на заданных участках вольтамперной характеристики; для стабилитрона: напряжение стабилизации и дифференциальное сопротивление на рабочем участке.

ЛИТЕРАТУРА

1. Бушманов Б.Н., Хромов Ю.А. “Физика твердого тела”, М., 1971.

2. Трофимова Т. И. “Курс физики”, М., 2001.

3. Пасынков В. В. и др. “Полупроводниковые приборы”, М., 1981.

4. Специальный физический практикум, ч.2, под ред. Харламова А.А., изд-во МГУ, 1977.

5. Сидорик В.В., Русак А.А. Физические принципы работы полупроводниковых приборов, Минск, БГПА, 2001.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Какую структуру имеют энергетические зоны в металлах, полупроводниках и диэлектриках?

2. Объясните физический смысл энергии Ферми.

3. Чем обусловлены собственная и примесная проводимости полупроводников?

4. Что называется p-n-переходом? Объясните механизм возникновения потенциального барьера в p-n-переходе.

5. По энергетической диаграмме p-n-перехода объясните, как изменяется высота потенциального барьера при приложении к нему внешнего напряжения (прямого и обратного).

6. Объясните причины, приводящие к различию между токами в прямом и обратном направлениях для диода.

7. Чем отличаются вольтамперные характеристики германиевого и кремниевого диодов? Почему для них отличаются значения обратных токов и величина напряжения, при котором происходит нарастание прямых токов?

Элементы зонной теории твердых тел

Зонная теория твердых тел – это квантовая теория. Согласно классическим представлениям электрон – частица, энергия которой может изменяться непрерывным образом. С точки зрения квантовой теории электрон принимает дискретный ряд значений энергии. Распределение электронов по энергетическим состояниям происходит в соответствии с принципом Паули, согласно которому в каждом энергетическом состоянии может находиться одна частица.

В изолированном атоме имеется определенное расположение электронных оболочек. При образовании твердого тела в результате сближения атомов и электростатического взаимодействия ядер и электронов соседних атомов происходит расщепление энергетических уровней на число подуровней, равное числу атомов в кристаллическом твердом теле, в результате чего образуются энергетические зоны. Сильнее расщепляются верхние уровни, а также те, которые не заняты электронами (рис.1).

Рис.1. Расщепление энергетических уровней в зависимости от расстояния r между атомами и образование разрешенных и запрещенных энергетических зон в твердом теле (заштрихованные области – разрешенные зоны, незашрихованная – запрещенная зона; r₀ – равновесное расстояние между атомами в твердом теле).

Образование зон (энергетического спектра) имеет квантово-механическую природу. Электроны внутренних оболочек атомов ведут себя практически так же, как и в изолированных атомах. Электроны внешних оболочек атомов (валентные) связаны слабее с ядрами, чем внутренние, и могут переходить от атома к атому сквозь потенциальные барьеры, окружающие атомы, в результате туннельного эффекта. Время жизни электрона в каком-либо энергетическом состоянии в изолированном атоме уменьшается от 10^-8 до 10^-15с в кристалле.

Воспользовавшись соотношением неопределенностей, найдем ширину возбужденного энергетического уровня в изолированном атоме:

,

где h – постоянная Планка, ∆ t₁=10^-8 c.

В кристалле ширина энергетического уровня электрона:

,

где ∆ t₂= 10^-15 c.

Отсюда следует, что энергетический уровень электрона при образовании кристалла из различных атомов расщепляется в энергетическую зону, которая назывется разрешенной, в пределах которой может изменяться энергия электрона. Причем энергетическая зона не является непрерывным рядом значений энергии электрона, а представляет собой систему дискретных энергетических уровней. Ширина энергетической зоны не зависит от размеров кристалла, а определяется природой атомов и строением кристалла. Пространство между разрешенными зонами называют запрещенной зоной, в которой электроны находиться не могут (рис.1).

Степень заполнения электронами энергетических уровней в разрешенной зоне определяется заполнением соответствующих атомных уровней. Зона, которая полностью заполнена электронами, называется валентной. Частично заполненная электронами либо незаполненная совсем зона называется свободной или зоной проводимости.

Зонная теория объясняет деление веществ на металлы, полупроводники и изоляторы, объясняя различие в их электрических свойствах, во-первых, характером заполнения разрешенных зон кристалла электронами, и, во-вторых, шириной запрещенных зон (рис.2).

Рис.2. Структура энергетических зон в металлах, диэлектриках и полупроводниках.

Если валентная зона перекрывает зону проводимости (рис.2а), то кристалл является металлом. Если в кристалле полностью заполненная валентная зона отделена от зоны проводимости запрещенной зоной, то в отсутствии внешнего возбуждения (нагревания, облучения и др.) кристалл является диэлектриком (рис.2б). Для диэлектриков ширина запрещенной зоны более 3 эВ. Полупроводниками принято считать вещества, у которых ширина запрещенной зоны менее 3 эВ (рис.2в).