СНЯТИЕ ВОЛЬТАМПЕРНОЙ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПОЛУПРОВОДНИКОВОГО ДИОДА

Все вещества по электропроводимости делятся на три класса проводники, диэлектрики и полупроводники.

В металлах (проводниках первого рода) концентрация свободных электронов велика, поэтому сопротивление металлов электрическому току очень мало. В диэлектриках концентрация свободных электронов ничтожно мала. Поэтому сопротивление диэлектриков велико. Полупроводники по величине электрического сопротивления занимают промежуточное место между металлами и диэлектриками. Удельное сопротивление металлов порядка 10^-7Ом м и меньше, диэлектриков 10⁺⁸Ом м и больше; удельное сопротивление полупроводников лежит между указанными пределами.

Характерной особенностью полупроводников являемся то, что их электрические свойства резко изменяются под действием ряда физических факторов: температуры, освещения, электрического поля, примесей.

К полупроводникам относятся некоторые химические элементы, например: германий Ge, селен Se, кремний Si; оксиды: закись меди CuO, окись цинка ZnO; интерметаллические соединения InSb, GaDS и др.

Из теории строения атома известно, что каждый электрон может иметь только вполне определенные значения энергии.

Ввиду этого энергетический спектр электронов изолированного атома является дискретным. Энергия электронов соответствует определенным энергетическим уровням, значение энергий между которыми являются запрещенными для электронов. Такие уровни показаны в правой части рис.1, а в виде отдельных линий 1-5. На этом рисунке по оси ординат отложены значения энергии Е. электронов, а по оси абсцисс – расстояние между атомами. При больших расстояниях атомы независимы друг от друга и их энергетические уровни одинаковы.

В твердом теле расстояние между атомами настолько мало, что каждый из них находится в сильном электромагнитном поле, созданном соседними атомами. Это приводит к расщеплению одних и тех же энергетических уровней отдельных атомов, т.е. превращению их в энергетическую зону. Энергетические зоны в кристалле, так же как и дискретные уровни в атоме, отделены друг от друга зонами запрещенных энергетических значений и могут вместить лишь определенное количество электронов.

Величина расщепления для разных уровней неодинакова, появляются системы уравнений. На рис.1 а, эти системы уровней – энергетические зоны – показаны заштрихованными областями, как бы возникающими из отдельных уровней независимых атомов.

По мере уменьшения (т.е. сближения атомов), зоны будут перекрываться, а расщепление захватит и уровни внутренних электронов.

На рис. 1 б схематически показаны энергетические зоны и отдельные уровни электронов в кристаллах, соответствующие расстоянию между атомами, равному r₁ . Из рисунка видно, что для внешних (валентных) электронов возникли зоны в результате расщепления уровней 4 и 5, для внутренних электронов сближение атомов до расстояния r₁ еще недостаточно, чтобы образовать зоны. Две заштрихованные зоны на рис. 1 б разделены «пустым» пространством, которое принято называть запрещенной зоной. Электрические свойства материалов определяются заполненностью электронами валентной зоны, т.к. поведение электронов в заполненной и незаполненной зонах существенно отличается. Внешнее электрическое поле в кристалле может вызвать изменение в движении электронов не полностью заполненной зоны и не изменяет движение электронов в зоне, заполненной полностью. Это объясняется тем, что изменение движения электронов связано с изменением его энергетического состояния, а последнее возможно тогда, когда электрон находится в зоне, где есть свободные энергетические уровни, т.е. в не полностью заполненной зоне. В зоне, заполненной полностью нет свободных уровней, и поэтому не может изменять своего движения под действием внешнего поля.

Расположение зон для полупроводника в невозбужденном состоянии представлено на схеме рис.2.

Рис.2

В диэлектриках и полупроводниках при Т = 0 К валентные зоны целиком заполнены, а зоны проводимости пусты (рис.2 а). Они разделены запрещенной зоной, ширина которой, определяемая энергией Е., может быть от сотых долей до 3 эВ у полупроводников и более 3 эВ у диэлектриков. При этой температуре и в отсутствии внешнего воздействия полупроводники и диэлектрики являются идеальными изоляторами.

При нагревании начинаются переходы электронов из валентной зоны в зону проводимости. С ростом температуры все большая часть электронов с верхних уровней валентной зоны переходит на нижние уровни зоны проводимости, что и приводит к возрастанию проводимости.

Нарушение валентных связей приводит к одновременному образованию свободных электронов и пустых мест – дырок вблизи тех атомов, от которых оторвались электроны. На свободное место может перескочить электрон одного из соседних атомов. Дырка, имеющая положительный заряд начинает перемещаться по кристаллу так же, как и освободившийся электрон. Таким образом, в полупроводниках имеются два типа подвижных носителей заряда – электроны и дырки.

При отсутствии внешнего поля электроны и дырки движутся хаотически. Под действием поля они приобретают упорядоченное движение: электроны против поля, дырки – по полю. Химически чистый полупроводник (беспримесный) называют собственным, образующиеся в нем носители зарядов – электроны и дырки – собственными носителями, обусловленную ими проводимость – собственной проводимостью. Для такого полупроводника концентрация электронов равна концентрации дырок, т.е. n=р.

Электропроводность полупроводников сильно зависит от наличия в них примесей. Так, например, тысячные доли процентов примесей могут в сотни тысяч раз уменьшить их сопротивление.

Рассмотрим механизм влияния примесей на электропроводность полупроводников. Допустим, что в германий внесены примеси мышьяка, атомы которого имеют, пять валентных электронов. Каждый атом германия связан (рис. 3) ковалентными связями с четырьмя ближайшими соседями, образуя устойчивую оболочку из восьми электронов. Если в кристалле атомы германия будут частично заменены атомами мышьяка, то четыре из его пяти валентных электронов заполнят валентные связи с четырьмя соседними атомами германия, а пятый окажется лишним. Он перейдет на примесный уровень (рис. 2,б ), расположенный у дна зоны проводимости. При этом ΔЕ_g<<ΔЕ, благодаря чему при небольших внешних воздействиях (ΔЕ_g – энергия, отделяющая донорные уровни от зоны проводимости) концентрация примесных электронов, поставляемых примесными атомами в зону проводимости, превзойдет концентрацию собственных носителей. Подобного типа примеси и образованные ими уровни получили название донорных уровней (отдающих электроны). Такая проводимость называется электронной, а проводник – n типа.

Если часть атомов германия заменить атомами одного из элементов третьей группы периодической системы элементов, например, индия, то трех его валентных электронов не хватит (рис.4) для заполнения валентных связей с соседними атомами германия. Образуется вакантная связь, которая может быть заполнена за счет перехода на вакансию электрона из любой заполненной связи.

С энергетической точки зрения этот переход эквивалентен переходу электрона из заполненной валентной зоны кристалла на энергетический уровень примеси (рис 2 в). Этот переход освобождает один из уровней в верхней части валентной зоны, создавая в ней дырку, при этом ΔЕ_а<< ΔЕ (ΔЕ_а- энергия, отделяющая акцепторные уровни от зоны проводимости). Примеси такого рода называются акцепторными (принимающими электроны), проводимость называется дырочной, а полупроводник р – типа.

Основным элементом полупроводниковых приборов является р – n – переход, представляющий собой граничный слой в полупроводнике с двумя областями, одна из которых обладает проводимостью р – типа, а другая – n- типа.

Рассмотрим процессы, происходящие на границе контакта двух полупроводников с разными типами проводимости (р – n).

При отсутствии внешнего поля в месте контакта двух полупроводников начинается процесс диффундирования (перехода) дырок в n – полупроводник и электронов в р. – полупроводник. Прилегающая к контакту область n – полупроводника получит положительный заряд, обусловленный положительными атомами доноров, а соответствующая область р – полупроводника – отрицательный, отрицательные атомы акцепторов. В результате левый полупроводник оказался заряженным положительно, а правый отрицательно, т. е. на границе раздела возникает двойной электрический слой. Возникающая в месте контакта полупроводников контактная разность потенциалов, и соответственно электрическое поле, препятствует, дальнейшему переходу электронов и дырок через границу р-n – перехода.

Если рассматриваемую систему включить в электрическую цепь так, чтобы внешнее поле было направлено против поля на границе (рис. 5, б), то электроны и дырки начнут двигаться навстречу друг другу, уменьшая ширину двойного электрического слоя и по цепи пойдет ток, сила которого быстро возрастает при увеличении приложенного напряжения. Такое включение р-n – перехода называется прямым, а проходящий ток – прямым или пропускным током.

Если направление внешнего поля совпадает с направлением поля в месте контакта двух полупроводников (рис. 5 в), электроны и дырки начнут двигаться в противоположных направлениях, увеличивая ширину двойного электрического слоя. Величина тока в этом случае будет очень мала и обусловлена тепловой диффузией электронов из n –области в р – область, и дырок из р – в n область. Такое включение р-n – перехода называется обратным или запорным, а проходящий ток – обратным или запирающим током.

Зависимость тока, проходящего через р-n – переход, от приложенного напряжения, называемого вольт-амперной характеристикой Р-n – перехода (рис.6). Верхняя кривая соответствует прямому включению, а нижняя -обратному (запорному).

Рис.6

Такой вид вольт-амперной характеристики указывает на одностороннюю проводимость р-n – перехода, что позволяет использовать его для выпрямления переменного тока.

Такие приборы получили название диодов (полупроводниковых).

Одной из важнейших характеристик полупроводникового диода является коэффициент выпрямления, равный отношению сил токов – прямого к обратному, измеренных при одинаковых прямом и обратном напряжениях.

при | U_пр | = | U_обр |.

I. ОПИСАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ УСТАНОВКИ

В работе предлагается снять вольт-амперную характеристику полупроводникового диода и измерить его коэффициент выпрямления.

Схема установки изображена на рис. 7.

Рис.7

Переключателем К на полупроводниковый диод Д можно подавать напряжение от источника ₁ в прямом направлении и от источника ₂ в обратном направлении.

Напряжение, подаваемое на диод, можно изменять потенциометрами П₁ и П₂. Прямой ток через диод измеряется миллиамперметром А₁, обратный ток – микроамперметром А₂ . Напряжение, подаваемое на диод, измеряется вольтметрами V₁ и V₂ .

II. ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ,

1. Определите диапазон измерения и цену деления приборов.

2. Поставьте потенциометр П₁ в крайнее левое положение, включите источник питания _1.

3. Поставьте переключатель К в положении 1, соответствующие прямому направлению тока через диод Д.

4. Снимите зависимость прямого тока от напряжения, постепенно повышая напряжение поворотом потенциометра П₁. (интервалы изменения напряжения указываются преподавателем).

5. Отключите источник питания _{1 .}

6. Поставьте переключатель К в положение 2 и включите источник питания ₂.

7. Снимите зависимость обратного тока от напряжения, изменяя напряжение U₂ на диоде с помощью потенциометра П_{2 .}

8. Данные опыта занесите в таблицу 1.

9. Постройте вольт-амперную характеристику диода по данным таблицы 1.

10. Рассчитайте параметры диода ( К, R _пр, R _обр ) из вольт-амперной характеристики.

11. Вычислите максимальный коэффициент выпрямления для диода.

при | U_пр | = | U_обр |.

( _пр = , R_обр = рассчитаны при максимальном К ).