Контрольные вопросы

1. Укажите известные вам методы измерения температуры и их физические основы.

2. Что такое контактная разность потенциалов? Какие причины обусловливают ее возникновение?

3. Что называется термоэлектродвижущей силой?

4. Где находят применение термопары?

Литература

1. Ремизов А.Н. Медицинская и биологическая физика. – М.: Высшая школа, 1999. – § 15.6.

2. Лаврова И.В. Курс физики. – М.: Просвещение, 1981. – § 31.

Лабораторная работа № 12

Изучение работы полупроводникового диода

Цель работы: изучение принципа действия полупроводникового диода и снятие его вольтамперной характеристики.

Приборы и принадлежности: диоды, миллиамперметр, микроамперметр, два вольтметра, источник питания, потенциометр.

Полупроводники – это материалы, электропроводность которых имеет промежуточное значение между электропроводностью проводников и диэлектриков. Сравнительно малые размеры, механическая прочность, малая потребляемая мощность – все эти преимущества полупроводниковых устройств открывают широкие возможности их применения.

Полупроводники обладают рядом свойств, отличных от свойств проводников: их сопротивление уменьшается при повышении температуры, сопротивление зависит от освещенности и интенсивности ионизирующего облучения.

Чистый кристаллический полупроводник при Т = 0 К и отсутствии освещения и ионизирующего облучения не проводит электрический ток, так как его валентные электроны образуют правильные ковалентные связи и свободные носители заряда отсутствуют. При повышении температуры (Т > 0 К), освещении или облучении электронные связи могут разрываться, что приводит к отрыву электрона, который становится носителем тока, и образованию вакантного места – дырки, которая соответствует положительному заряду.

При воздействии электрическим полем электроны перемещаются против направления линий напряженности, а дырки – по этим линиям. Электропроводимость чистых полупроводников называется собственной. При собственной проводимости число свободных электронов и дырок одинаково.

Внесение примесей в чистые полупроводники оказывает сильное воздействие на их электропроводимость. С помощью примеси можно получить полупроводники с избыточным количеством носителей заряда того или иного знака. В зависимости от знака преобладающих носителей зарядов различают n- и р-полупроводники. Основными носителями заряда в полупроводнике n-типа являются электроны. Их концентрация значительно превышает при комнатной температуре концентрацию неосновных носителей – дырок. В полупроводнике р-типа, наоборот, основными носителями заряда являются дырки, а неосновными – электроны.

Особый интерес для практического использования представляют явления, происходящие при контакте двух полупроводников.

Рассмотрим контакт двух полупроводников с р- и n-проводимостью (рис.1). На границе соприкосновения этих полупроводников возникает слой, который называется электронно-дырочным переходом (р-n-переход). Такой переход нельзя создать простым соприкосновением двух полупроводниковых пластин, р- и n-типа, так как вследствие шероховатостей и неровностей соприкасающихся поверхностей плотность контакта будет неодинаковой в различных точках. Обычно р-n-переходы получаются в одном и том же кристалле полупроводника, создавая в них различными способами области с различной проводимостью. Это можно сделать, например, производя местную термическую обработку кристалла германием. Другим способом получение р-n-перехода является внесение необходимых примесей в расплавленный полупроводник при выращивании монокристалла.

При контакте р-n-полупроводников начинается диффузия основных носителей заряда. Электроны из n-области будут перемещаться в р-область, и их концентрация в приконтактном слое в n-полупроводнике начнет уменьшаться. Вследствие этого здесь возникнет нескомпенсированный положительный заряд ионов. Аналогично, при переходе дырок из р-области в n-область в приконтактном слое р-полупроводника возникнет избыточный отрицательный заряд. Таким образом, на границе р- и n-полупроводников получается контактный слой, в котором создается электрическое поле напряженностью Е_р-n, направленной от n-области к p-области. Толщина контактного слоя обычно имеет порядок 10^-6 – 10^-7 м.

Возникающее электрическое поле препятствует диффузии основных носителей заряда из одной области в другую. Поэтому по мере увеличения плотности заряда в контактном слое диффузионный ток основных носителей уменьшается, а затем почти совсем прекращается. На границе полупроводников создается разность потенциалов (потенциальный барьер), для преодоления которого электроны и дырки должны обладать энергией, соответствующей энергии их теплового движения при температуре в несколько тысяч градусов. Таким образом, для основных носителей контактный слой является запирающим, т.е. обладает повышенным сопротивлением.

Для неосновных же носителей зарядов (электронов p-области и дырок в n-области) контактное поле является ускоряющим. Те неосновные носители, которые оказываются в зоне перехода, под действием поля свободно переходят через границу полупроводников, образуя ток неосновных носителей I_н (рис.1).

Однако даже при комнатной температуре некоторые основные носители зарядов в обеих областях обладают энергией, достаточной для преодоления потенциального барьера. Эти носители диффундируют через границу полупроводников, образуя ток основных носителей I_о, направленный навстречу току неосновных носителей. Таким образом, при контакте полупроводников устанавливается динамическое равновесие, при котором I_о= I_н.

Если к p-n-переходу присоединить источник тока так, чтобы напряженность создаваемого им внешнего электрического поля Е_вн. имела направление, противоположное направлению Е_p-n (рис.2а), то высота потенциального барьера на границе полупроводников будет уменьшаться. При этом толщина контактного слоя делается меньше, его сопротивление уменьшается, и сила тока основных носителей через p-n-переход возрастает. Такое направление тока называется прямым или пропускным.

Если же источник тока присоединить к контакту так, чтобы его поле совпадало по направлению с собственным полем p-n-перехода (рис.2б), то потенциальный барьер возрастает. Толщина контактного слоя увеличивается, его сопротивление возрастает, и сила тока основных носителей уменьшается почти до нуля. При этом через p-n-переход будет идти только малый ток неосновных носителей. Такое направление тока называется обратным, или запирающим.

Зависимость силы тока, текущего через p-n-переход, от приложенного к нему напряжения (вольтамперная характеристика) изображена на рис.3. Положительное значение силы тока соответствует прямому направлению, отрицательное – обратному. Как видно из графика, сила прямого тока зависит от напряжения: при увеличении напряжения сила тока возрастает. Сила же обратного тока от напряжения практически не зависит. Она определяется количеством неосновных носителей, образующихся в полупроводнике в единицу времени; а это количество при постоянной температуре остается неизменным. Если приложенное запирающее напряжение превышает некоторое значение U_обр.max, то сила обратного тока резко возрастает, т.е. происходит пробой электронно-дырочного перехода. Причина этого заключается в следующем: под действием сильного электрического поля электроны приобретают значительную скорость и, сталкиваясь с нейтральными атомами в области p-n-перехода, ионизируют их. Таким образом, число неосновных носителей заряда в полупроводниках резко увеличивается и сила обратного тока возрастает.

Следовательно, электронно-дырочный переход обладает односторонней проводимостью. Это свойство позволяет использовать контакт полупроводников с p-n-проводимостью для выпрямления переменного тока. Приборы, действие которых основано на этом свойстве, получили название полупроводниковых диодов.

Одной из характеристик диодов является коэффициент выпрямления k, равный отношению сил токов прямого к обратному, измеренных при одинаковых напряжениях:

. (1)

При работе с полупроводниковыми диодами следует учитывать значение наибольшего обратного напряжения, т.е. такого напряжения, которое может быть приложено к диоду в запирающем направлении в течение длительного времени без опасности нарушения его нормальной работы.