Контакт двух полупроводников

Прогресс в технике выпрямления переменных токов связан с использованием контакта двух примесных полупроводников, один из которых имеет электронную, другой – дырочную проводимость. Такой контакт получил название электронно-дырочного перехода или перехода. Когда между кристаллами возникает контакт, через него из кристалла типа в кристалл типа диффундируют свободные электроны, так как концентрация их в кристалле типа значительно больше, чем в кристалле типа. По той же причине из кристалла кристалл типа диффундируют дырки. Эти процессы нарушают электрическую нейтральность полупроводника.

Электроны, перешедшие из кристалла типа в кристалл типа, рекомбинируют здесь с дырками и атомы оказываются заряженными отрицательно, так как их заряды теперь не скомпенсированы зарядом дырок. Подобным же образом в кристалле типа перешедшие сюда дырки рекомбинируют с электронами, и положительный заряд ионизированных атомов-доноров оказывается не скомпенсированным зарядом свободных электронов. В результате области кристаллов, прилегающие к контакту, заряжаются: в кристалле типа – положительно, в кристалле типа– отрицательно (рис. 5а).

Рис. 5

Между этими областями возникает электрическое поле, препятствующее дальнейшей диффузии основных носителей через -переходов, которым теперь для проникновения в другой кристалл нужно совершить добавочную работу. Эта добавочная работа является своего рода потенциальным барьером для основных носителей тока (рис. 5а). Однако среди основных носителей тока при любой температуре имеются носители, энергии которых больше высоты потенциального барьера (вследствие флюктуации тепловой энергии). Они “прорываются” через переход (электроны из области в область, дырки – в обратном направлении). Встречное движение основных носителей через переход представляет собой электрический ток . Не основные носители, совершая тепловое движение, попадают в область - перехода, увлекаются здесь контактным полем и перебрасываются через него (дырки из области в область, электроны из области в область). Встречные потоки не основных носителей через переход создают ток , величина которого пропорциональна концентрации не основных носителей в данном полупроводнике и не зависит от высоты потенциального барьера. В отсутствии внешнего напряжения ток через переход должен быть равен нулю, поэтому ток основных носителей через переход равен току не основных . Внешнее напряжение , приложенное к переходу, изменяет высоту потенциального барьера. Если напряженность внешнего электрического поля совпадает по направлению с напряженностью контактного поля, высота потенциального барьера увеличивается на величину (рис. 5б). Увеличение высоты потенциального барьера на величину уменьшает ток основных носителей через переход в раз. Результирующий ток через переход (обратный ток) будет равен:

Но так как , получим

(1)

При увеличении внешнего напряжения этот ток стремится к и называется током насыщения.

Если напряженность внешнего поля противоположна направлению напряженности контактного поля, высота потенциального барьера уменьшается на величину . Уменьшение потенциального барьера на величину увеличивает ток основных носителей через переходе раз. Результирующий ток через переход (прямой ток) будет равен:

(2)

Объединяя формулы (1) и (2), получим:

Знак “+” соответствует включению перехода в прямом направлении, знак “-” - в обратном.

На рис. 6 показана зависимость тока через переход от величины приложенного напряжения (вольтамперная характеристика).

Рис. 6

Так как концентрация не основных носителей тока в полупроводниках невелика, то оказывается очень небольшим. Это означает, что в обратном направлении переход практически не пропускает электрический ток. При приложении к переходу внешней разности потенциалов в прямом направлении сила тока через переход растет по экспоненте и уже при незначительных напряжениях достигает большой величины. Нелинейность вольтамперной характеристики перехода говорит о том, что он обладает свойством односторонней (униполярной) проводимости, т.е может служить выпрямителем переменного тока. В нашей работе в качестве выпрямителя изучается германиевый плоскостной диод (например, ). На рис. 7 представлено схематическое устройство такого диода. Основу диода составляет кристалл германия с примесью сурьмы или мышьяка. С одной стороны кристалл сплавляется с электродом-держателем, который дает плотный контакт и позволяет подключать зажим внешней батареи. С другой стороны на кристалл наплавляется кусочек индия. Атомы индия проникают (диффундируют) в кристалл и после охлаждения в германии возникает слой с примесью индия.

Рис. 7

Полученная система будет служить выпрямителем. Свойства выпрямителя характеризуется коэффициентом выпрямления , который равен отношению прямого тока к обратному , измеренным при одинаковых по величине прямой и обратному напряжениях:

, при

Выполнение работы:

1. Включают установку, схема которой приведена на рис. 8

2. Измеряют значения обратного тока, изменяя напряжение реостатом от 0 до 10 В, данные заносят в таблицу 1

Рис. 8

3. Устанавливают реостатом напряжение на вольтметре 0 В

4. Переключатель ставят в прямое положение. Предел измерения вольтметра 10 В. Измеряют значения прямого тока, изменяя напряжение реостатом от 0 до 19 В, данные заносят в таблицу 2

Таблица 1

(В)	1	2	3	4	5	6	7	8	9
(мА)

Таблица 2

(В)	1	2	3	4	5	6	7	8	9
(мА)

5. По данным таблиц 1 и 2 строят график зависимости:

6. Пользуясь графиком зависимости вычисляют коэффициенты выпрямления при разных значениях напряжения ,

7. Строят график зависимости

8. Пользуясь графиком зависимости вычисляют сопротивление полупроводникового диода при разных напряжениях

9. Строят график зависимости:

10. Рассчитывают абсолютную и относительную ошибки

Контрольные вопросы:

1. Какие вещества называются полупроводниками?

2. Какова природа носителей тока в примесных полупроводниках?

3. Чем объясняется односторонняя проводимость перехода?

4. Что называется вольтамперной характеристикой диода?

5. Зависит ли сопротивление диода от способа включения его в схему?

Литература:

1. Г.И. Епифанов, Физика твердого тела, “Высшая школа”, 1977, стр. 128-143, 240-258

2. Б.Н. Бушманов, Ю.А. Хромов, Физика твердого тела, КВКИУ, 1965, стр. 104-108, 137-143

3. И.В. Савельев, Курс общей физики, “Наука”, 1979, стр. 254-261, 284-291