Цель работы: ознакомиться с принципом работы полупроводникового диода и научиться снимать его вольтамперную характеристику.
Приборы и принадлежности: регулируемый источник постоянного тока, полупроводниковый диод, вольтметр, амперметр.
Теоретическая часть
В металлах концентрация свободных электронов велика (1022 - 1023 см-3), поэтому их сопротивление электрическому току мало. В типичных диэлектриках концентрация свободных электронов мала (менее 1014 см-3), поэтому их сопротивление велико. По сопротивлению электрическому току полупроводники занимают промежуточное положение между металлами и диэлектриками. Удельное сопротивление металлов 10-8 - 10-6 Ом×м, а полупроводников - 10-2 - 10-6 Ом×м.
Электрические свойства полупроводников резко изменяются под действием температуры, освещения, введения примесей. При понижении температуры сопротивление полупроводников значительно увеличивается. При низких температурах полупроводники становятся диэлектриками. Последняя особенность полупроводников объясняется тем, что плотность свободных электронов в них с понижением температуры уменьшается. У металлов же эта величина практически не зависит от температуры. К полупроводникам относятся многие элементы III - VI групп таблицы Менделеева, многие окислы металлов, сульфиды и некоторые другие соединения.
В полупроводниках проводимость объясняется подвижностью свободных электронов (n - проводимость) и подвижностью дырок (р - проводимость). Дырки - это ковалентные связи атомов, не занятые электронами. Они образуются при освобождении электрона - разрыве связи, которая может быть восстановлена за счет перескока любого связанного электрона из соседней связи. Таким образом, в полупроводнике начинаются переходы связанных электронов из одной соседней связи в другую, и такое движение представляется как переходы дырок в противоположном направлении. В электрическом поле дырки ведут себя подобно положительным носителям тока и, в отличие от свободных электронов, движутся по полю.
Чистые полупроводники обладают небольшой смешанной проводимостью, которая сильно зависит от температуры, освещенности, ионизирующего излучения. Концентрация свободных электронов в них равна концентрации дырок. Большое значение имеют полупроводники с наличием в них примесей, которые снижают сопротивление в 103 - 105 раз и обуславливают большое содержание или свободных электронов или дырок. Хорошо изучены и получили широкое применение такие полупроводники как германий и кремний (элементы IV группы). Небольшие добавки к ним элементов V группы (фосфор, мышьяк) резко увеличивают плотность свободных электронов (донорная примесь). Полупроводники с такими примесями являются n - полупроводниками (основные носители тока - свободные электроны). Добавление к кремнию или германию элементов III группы порождает дополнительные дырки (акцепторная примесь). Полупроводники с такой примесью обладают р - проводимостью (основные носители тока - дырки).
При контакте полупроводников с р - и n - проводимостью образуется p-n переход (рис. 1). Обычно концентрация донорной примеси равна концентрации акцепторной. В таком полупроводниковом элементе дырки ( ) из р- области диффундируют в область электронной проводимости, а электроны ( )- в обратном направлении. Образующиеся объемные заряды, отрицательный в р- области и положительный в n- области (см. рис. 1) создают обратный поток носителей, и через некоторое время наступает динамическое равновесие между потоком электронов из n - области за счет диффузии и обратным потоком электронов за счет тормозящего поля объемных зарядов этого же знака. Аналогичные процессы происходят с дырками. При этом в области перехода образуется двойной электрический слой с разностью потенциалов U = U1 + U2 , называемой контактной разностью потенциалов (рис. 2).
Рис. 1 Рис. 2
Механизм образования контактной разности потенциалов при контакте полупроводников подобен тому, что и при контакте металлов. Но у металлов плотность свободных электронов настолько велика, что контактная разность потенциалов образуется за счет перехода электронов с поверхности одного металла на поверхность другого. Поэтому в металлах толщина двойного электрического слоя равна » 10-8 см и поэтому он имеет ничтожно малое сопротивление, а потенциал при переходе от одного металла к другому меняется скачкообразно.
У полупроводников же из-за малой концентрации носителей тока контактная разность потенциалов образуется за счет перехода электронов и дырок с участков полупроводников, прилегающих к границе их раздела. Поэтому p-n переход имеет протяженность, намного превышающую размеры атомов (рис. 2). Потенциал вдоль этого слоя меняется более плавно, а двойной электрический слой обладает определенным сопротивлением, так как его протяженность d намного превышает размеры атомов (d » 10-5 см и более). Область, занимаемая p-n переходом, обеднена основными носителями тока, поэтому ее сопротивление значительно повышено. По проводимости p-n переход аналогичен диэлектрику, и его называют запорным слоем. На рисунках 3 и 4 пунктирными линиями выделена ширина запорного слоя p-n перехода при разном направлении внешнего электрического поля, которое определяется полярностью подключения внешнего источника постоянного тока.
Рис. 3 Рис. 4
Если к такому p-n переходу приложить внешнее поле, как показано на рис. 3, то основные носители тока будут перемещаться от зоны контакта в противоположных направлениях, вследствие чего запорный слой будет расширяться по сравнению с равновесным состоянием (d1>d) и его сопротивление станет большим (104 - 106 Ом), а ток - очень малым, поскольку он в этом случае обусловлен движением неосновных носителей через переход, а их концентрация мала. Такое направление внешнего поля называется обратным или запирающим.
Если к p-n переходу приложить внешнее электрическое поле, как показано на рис. 4, то основные носители тока будут перемещаться к границе раздела полупроводников, запорный слой при этом будет сокращаться по сравнению с равновесным (d2 < d) и его сопротивление станет сравнительно малым (10 - 100 Ом), а ток - достаточно большим. Такое направление внешнего поля называется прямым или пропускным.
Таким образом, p-n переход обладает односторонней проводимостью, а прибор, действие которого основано на этом свойстве, получил название — полупроводниковый диод. В основном, диоды используются для выпрямления переменного тока.
Кривая зависимости тока от приложенного напряжения к p-n переходу называется его вольтамперной характеристикой. Примерный вид такой характеристики показан на рис. 5. Для ее снятия используется схема, изображенная в упрощенном виде на рис. 6. Напряжение с регулируемого низковольтного источника постоянного тока подается на полупроводниковый диод D. Стрелочка в его обозначении показывает направление прямого тока, т.е. p ® n направление. Напряжение на диоде измеряется вольтметром PV, а ток через диод — амперметром РА. Сдвоенный ключ К изменяет направление тока через диод (положение ключа на рисунке соответствует прямому направлению). Одновременно при таком переключении изменяются пределы измерения амперметра и вольтметра (их значения указаны на лицевой панели прибора).
)- в обратном направлении. Образующиеся объемные заряды, отрицательный в р- области и положительный в n- области (см. рис. 1) создают обратный поток носителей, и через некоторое время наступает динамическое равновесие между потоком электронов из n - области за счет диффузии и обратным потоком электронов за счет тормозящего поля объемных зарядов этого же знака. Аналогичные процессы происходят с дырками. При этом в области перехода образуется двойной электрический слой с разностью потенциалов U = U1 + U2 , называемой контактной разностью потенциалов (рис. 2).
Кривая зависимости тока от приложенного напряжения к p-n переходу называется его вольтамперной характеристикой. Примерный вид такой характеристики показан на рис. 5. Для ее снятия используется схема, изображенная в упрощенном виде на рис. 6. Напряжение с регулируемого низковольтного источника постоянного тока подается на полупроводниковый диод D. Стрелочка в его обозначении показывает направление прямого тока, т.е. p ® n направление. Напряжение на диоде измеряется вольтметром PV, а ток через диод — амперметром РА. Сдвоенный ключ К изменяет направление тока через диод (положение ключа на рисунке соответствует прямому направлению). Одновременно при таком переключении изменяются пределы измерения амперметра и вольтметра (их значения указаны на лицевой панели прибора).