Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
Sbornik_po_fizike.doc
Скачиваний:
8
Добавлен:
10.11.2019
Размер:
13.66 Mб
Скачать

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 Ер-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 Iн (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 Iо, направленный навстречу току неосновных носителей. Таким образом, при контакте полупроводников устанавливается динамическое равновесие, при котором Iо= Iн.

Если к p-n-переходу присоединить источник тока так, чтобы напряженность создаваемого им внешнего электрического поля Евн. имела направление, противоположное направлению Еp-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 Uобр.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.

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]