Лабораторная работа № 7 полупроводниковый диод

Цель работы: Знакомство с принципом работы, основными характеристиками и областями применения полупроводниковых диодов.

1. Теоретические сведения

Диодом называется нелинейный двухполюсник с односторонней проводимостью. По принципу действия различают вакуумные и полупроводниковые диоды.

Рис. 1. Обозначение (а) и модели вольт-амперной характеристики диода (б, в)

Идеальный диод характеризуется нулевым сопротивлением при протекании через него тока в одном направлении и бесконечным сопротивлением при обратном токе. Напряжение между анодом и катодом диода u_ак называется прямым, если оно положительно, и обратным, если оно отрицательно. Таким образом, вольт-амперная характеристика (ВАХ) идеального диода (рис. 1, б) может быть описана парой уравнений вида:

Обратный ток и прямое падение напряжения реального диода отличны от нуля, а зависимость i_а(u_ак) нелинейна. В линейном приближении реальный диод может быть описан более сложной моделью

(1)

причем r_пр << r_обр. Вид ВАХ (1) показана на рис. 1, в.

1.1. Электронно-дырочный переход

Полупроводниковый диод представляет собой сочетание областей с дырочной и электронной проводимостями. Для того, чтобы объяснить одностороннюю проводимость диода, следует рассмотреть процессы, происходящие на границе этих областей.

Физическим электронно-дырочным переходом (p-n-переходом) называют область на границе контакта слоев с электронной и дырочной проводимостями. Для формирования p-n-перехода в одну область собственного полупроводника вводят донорную примесь, а в другую – акцепторную. Пусть граница между слоями совпадает с плоскостью x = 0, в область x > 0 добавлена только акцепторная примесь с концентрацией N_a, а в область x < 0 – только донорная примесь с концентрацией N_d (рис. 2, а). Если концентрации примесей существенно больше концентрации носителей в собственном полупроводнике, p-область легирована сильнее, чем n-область (то есть N_а >> N_d), и при комнатной температуре атомы примеси полностью ионизированы, то выполняется следующее условие:

Рис. 2. Электронно-дырочный переход при отсутствии внешнего напряжения

Распределение концентрации носителей заряда по координате показано на рис. 2, б. Таким образом, в физическом p-n-переходе существует градиент концентрации одноименных носителей заряда: дырок в p-области, где они являются основными носителями заряда, много больше, чем в n-области, где они являются неосновными. Соответственно, электронов в n-области много больше, чем в p-области. Следовательно, начинается диф­фузия основных носителей – дырки диффундируют из p-области в n-область, а навстречу им из n-области в p-область диффундируют электроны. На рис. 2, а процесс диффузии носителей показан сплошными стрелками.

Электроны, проникшие в p-область, рекомбинируют там с основными носителями – дырками. Определим время жизни элек­тронов _n как среднее время, которое электроны проводят в p-области до рекомбинации, и диффузионную длину электрона l_n как среднее расстояние, на которое электроны успевают проникнуть в p-область до рекомбинации. Аналогично вводятся время жизни дырок _p и диффузионная длина дырки l_p. Диффузионные длины связаны с временами жизни носителей через коэффициенты диффузии D_n и D_p:

(2)

Таким образом, через переход течет суммарный диффузионный ток j_диф, который в результате ухода из приграничных областей свободных носителей заряда приводит к появлению ничем не скомпенсированного объемного заряда в переходе. В n-области положительный объемный заряд создается неподвижными ионами – донорами, а в p-области отрицательный объемный заряд создается ионами акцепторов (рис. 2, в). Поскольку объемные заряды по обе стороны перехода должны быть равны, так как полупроводник в целом остается нейтральным, а концентрация акцепторной примеси в p-области много больше, чем концентрация донорной примеси в n-области, размер области положительного объемного заряда L_n существенно больше, чем размер области отрицательного объемного заряда L_p. Говорят, что переход сосредоточен в основном в высокоомной n-области, которая называется базой.

Отметим, что поскольку из области объемного заряда ушли все свободные носители, она имеет очень высокое сопротивление. Эта область также называется обедненным слоем или барьером Шоттки. Объемный заряд создает в обедненном слое внутреннее электрическое поле E_к, направленное от n-области к p-области. Возникающую при этом разность потенциалов между областями _к называют контактной (рис. 2, г). Внутреннее электрическое поле, во-первых, уменьшает диффузионный ток j_диф основных носителей, и во-вторых, вызывает дрейфовый ток j_др неосновных носителей, обусловленный дрейфом электронов из p-области в n-область и встречным дрейфом дырок из n-области в p-область. Суммарный дрейфовый ток направлен от n-области в p-область навстречу диффузионному (штриховые стрелки на рис. 2, а).

В состоянии равновесия без внешних источников напряжения полная плотность тока в любой точке полупроводника должна быть равна нулю

(3)

Можно показать, что условие равновесия (3) выполняется только при определенном значении контактной разности потенциалов _к:

,

(4)

где _T = kT/e – тепловой потенциал, T – абсолютная температура, k – постоянная Больцмана и e – заряд электрона. Характерные значения контактной разности потенциалов составляют для кремния 0,6–0,8 В, для германия – 0,3–0,5 В. Различие обусловлено большей шириной запрещенной зоны у крем­ния и, следовательно, меньшими концентрациями неосновных носителей заряда при заданной температуре. Типичный вид распределения потенциала по координате в p-n-переходе показан на рис. 2, г.