Работа №8 исследование вольтамперных характеристик полупроводниковых диодов

Приборы и принадлежности: набор диодов, вольтметр, миллиамперметр, шунт, выпрямитель с фильтром, реостат, переключатель полярности напряжения (коммутатор).

Краткая теория

Проводники имеют удельное сопротивление порядка 10^-7 Ом·м (и меньше), диэлектрики – порядка 10⁸ Ом·м (и больше). Удельное сопротивление большинства веществ лежит между указанными пределами. Эта вещества называются полупроводниками. Типичными их представителями являются кремний, германий, селен, теллур и некоторые другие.

Как и у металлов, проводимость твердых полупроводников обусловлена перемещением электронов. Однако условия перемещения электронов в металлах и полупроводниках существенно различаются. Рассмотрим причины электрофизических особенностей полупроводников, прибегая к некоторым упрощенным представлениям зонной теории твердого тела.

К ак известно, электроны свободного атома, находящегося в свободном состоянии, имеют определенные дискретные значения энергии (уровни I и 2, рис.1а). Чем дальше удалена от ядра оболочка, в которой находится движущийся вокруг ядра электрон, тем выше уровень энергии последнего.

В изолированном атоме одинаковые значения энергии могут иметь только два электрона или, как принято говорить, на каждом из энергетических уровней может находиться не более двух электронов (уровень1, рис1.а).

Электрон переходит с нижнего энергетического уровня на более высокий, если ему сообщается энергия, равная разности энергий между этими уровнями (уровень 2, рис.1а).

При образовании кристалла из N одинаковых атомов, расположенных друг от друга на близких расстояниях, благодаря взаимному влиянию полей соседних атомов каждый энергетический уровень атома “расщепляется” на N различных уровней, близких по величине энергии. На каждом из уровней кристалла также может находиться по два электрона. Таким образом, в твердом теле из одинаковых уровней энергии отдельных атомов образуется энергетическая зона, имеющая N различных близко расположенных друг от друга уровней (зона 3, рис.1б). Так как система (твердое тело) в устойчивом состоянии должна обладать минимумом потенциальной энергии, то вся эта зона (и

все уровни энергий внутри ее) оказываются заполненными электронами. Эта зона носит название заполненной зоны.

Для твердого тела, кроме заполненной зоны, выделяют зону уровней возбуждения или свободную зону (зона 5, рис.1 б), разделенную энергетическим барьером для запрещенной зоны (зона 4, рис.1б). В пределах этого барьера находятся уровни энергии, на которых не могут находиться электроны.

Зона уровней возбуждения содержит уровни со значительно более высокими энергиями, чем уровни заполненной зоны. В этой зоне уровни энергии расположены близко друг к другу и практически можно считать, что электрон, попавший в эту зону, может изменять свою энергию непрерывным образом, а следовательно, перемещаться в кристалле под действием внешнего электрического поля.

Таким образом, при сообщении электронам заполненной зоны дополнительной энергии, достаточной для перевода их через энергетический барьер на уровни зоны возбуждения, твердые тела становятся проводящими. Величина этой дополнительной энергии должна быть, по крайней мере, равна ширине энергетического барьера.

Следует отметить, что у электронов, наиболее близко расположенных к ядру атома, связь с ядром столь велика, что они не могут участвовать в создании электропроводности. Лишь валентные электроны, наиболее удаленные от ядра, обладающие также наибольшими энергиями, могут участвовать в токе проводимости.

У металлов заполненная и свободная зоны непосредственно примыкают друг к другу, а в некоторых случаях эти зоны взаимно перекрываются. Поэтому электрон может перейти из первой зоны во вторую, получив извне очень небольшую добавочную энергию.

У диэлектриков ширина энергетического барьера соответствует энергиям 2-10 эВ и для перехода электрона из заполненной зоны в свободную зону необходимы очень сильные электрические поля или высокие температуры.

И деальные полупроводники, в материале которых нет примесей, характеризуются наличием энергетического барьера, наибольшая ширина которого значительно меньше, чем у диэлектриков, и составляет 1-1,5 эВ.

Проводимость, создаваемая в химически чистом полупроводнике, называется “собственной” проводимостью, так как является свойством химически чистого вещества. Все примесные полупроводники по характеру проводимости делятся на два вида: n-типа и p-типа в зависимости от валентности примеси.

Рассмотрим два примера.

Пусть в кристалле германия имеется в виде примеси атом сурьмы. Атом германия четырехвалентен и имеет на внешней электронной оболочке четыре электрона. Валентность сурьмы равна пяти. Поэтому замена атома германия атомом сурьмы приводит к появлению избыточного электрона. Таким образом, атомы сурьмы добавляют в решетку германия избыточные электроны. Полупроводники, проводимость которых обусловлена избыточными электронами, называются полупроводниками n-типа.

Примесные атомы с валентностью, превышающей валентность атомов решетки, называются донорными (донорами). С точки зрения зонной теории, энергетические уровни валентных электронов таких примесей лежат в запрещенной зоне вблизи нижнего края зоны проводимости (пунктирный уровень рис.2а).

П римером полупроводников с проводимостью иного типа может служить тот же кристалл германия, но с примесью бора. Атом бора трехвалентен. Вследствие структуры кристаллической решетки германия, обусловленной четырьмя валентными связями, атом бора захватывает один электрон у соседнего атома германия. Последний, в свою очередь,может захватить электрон у другого атома германия и т.д. Такое последовательное “перескакивание ” электронов, очевидно, эквивалентно движению в противоположную сторону положительного заряда, равного по величине заряду электрона. Дело обстоит так, будто перемещается “место электрона” – положительно заряженная “дырка”. Полупроводники, проводимость которых вызывается наличием “дырок” (“дырочная ” проводимость), называются полупроводниками p-типа. Примесные атомы, валентность которых меньше валентности атомов кристалла, называются акцепторными (акцепторами), т.к. они захватывают электроны. С точки зрения зонной теории, первые свободные энергетические уровни примесных атомов лежат в запрещенной зоне полупроводника вблизи верхнего края заполненной (валентной) зоны (пунктирный уровень рис.2б). Электроны из валентной зоны, попадая на эти уровни, дают возможность оставшимся электронам поочередно изменять свою энергию на малое значение, что и обуславливает дырочную проводимость.

В практическом отношении важно рассмотреть, какие явления происходят в зоне контакта двух полупроводников различного типа проводимости – электронного ( n ) и дырочного ( p ).

Так как в первом из них велика концентрация свободных электронов, а во втором – дырок, то через поверхность соприкосновения полупроводников происходит диффузия свободных электронов из электронного полупроводника в дырочный ( n – p ) и диффузия дырок в противоположном направлении ( p – n ) .

Следует отметить , что перемещение дырок в направлении p – n означает в действительности перемещение связанных электронов в направлении n – p . В результате пограничный слой со стороны p – полупроводника заряжается отрицательно, а со стороны n – полупроводника – положительно, т.е. в зоне контакта образуется “ двойной электрический слой ” с разностью потенциалов U_к (рис.3а). Эта контактная разность потенциалов U_к препятствует дальнейшей диффузии , т.е. переходу электронов направо через контакт , а дырок – налево через контакт . И только очень редкие электроны и дырки , обладающие большой энергией , могут проникать через этот барьер. Около контакта создается слой, обедненный основными носителями и поэтому обладающий повышенным сопротивлением. Такой слой называется запирающим слоем.

Если теперь к имеющейся системе подключить внешнюю батарею с напряжением U , то в зависимости от полярности ее включения ток во внешней цепи будет резко изменяться. В одном случае поле от внешнего источника будет усиливать поле от собственной контактной разности потенциалов и еще более препятствовать прохождению основных носителей через контакт (рис.3б) . Однако ток во внешней цепи все-таки будет наблюдаться. Он обусловлен прохождением через контакт неосновных носителей, для которых собственное и приложенное электрические поля является ускоряющими. Этот ток носит название обратного тока I_обр и его величина практически очень мала.

Если же изменить полярность батареи на обратную, то электрическое поле от внешнего источника будет направлено на встречу внутреннему и вызовет движение основных носителей к месту контакта. Запирающий слой начнет заполняться основными носителями, его сопротивление будет падать и при некотором значении U может практически исчезнуть. Через внешнюю цепь пойдет ток I_пр ( рис.3в ). В прямом направлении даже незначительного напряжения оказывается достаточно, чтобы преодолеть внутреннюю контактную разность потенциалов.

Исходя из сказанного, следует, что электронно-дырочный переход обладает ярко выраженной односторонней проводимостью. Если внешнюю батарею заменить источником переменного тока, то в течение одного полупериода будет наблюдаться значительный ток, в течение другого – очень малый, т.е. система будет служить выпрямителем (полупроводниковым диодом). Кривая зависимости тока I от напряжения U, приложенного к полупроводниковому диоду, называется его вольтамперной характеристикой (рис.4). Ветвь кривой ОА соответствует прямому току, ветвь ОБ – слабому обратному току собственной проводимости полупроводников. В электрорадиотехнике наиболее распространенны меднозакисные, селеновые, германиевые и кремниевые диоды. Свойства полупроводниковых выпрямителей характеризуется коэффициентом выпрямления α , который равен отношению прямого тока I_пр к обратному I_обр измеренных при одинаковых по величине прямом и обратном напряжениях.