ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И РАСЧЕТНЫЕ ФОРМУЛЫ

ИССЛЕДОВАНИЕ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ДИОДОВ

Методические указания к лабораторной работе № 406

Казань - 2011

ЦЕЛЬ РАБОТЫ: изучить основные свойства, характеристики и параметры полупроводниковых диодов, экспериментально исследовать их вольтамперные характеристики (ВАХ) и возможности применения диодов в электронных схемах.

ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И РАСЧЕТНЫЕ ФОРМУЛЫ

1.1. ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В р-n-ПЕРЕХОДЕ

Основным элементом большинства полупроводниковых приборов, например диодов, является электронно-дырочный переход (р-n-переход).

р-n переход представляет собой переходный слой l_p-n (Рис.1.1), между двумя областями полупроводника с разным типом электропроводности, обеднённый свободными носителями заряда со своим диффузионным электрическим полем Е_диф, которое возникает за счет контактной разности потенциалов φ_к, и препятствует диффузии основных носителей заряда, и является ускоряющим для неосновных зарядов

Рис. 1.1.Электронно-дырочный переход при отсутствии внешнего напряжения

P-n-переход характеризуется двумя основными параметрами:

1. контактной разности потенциалов φ_к, ее называют высотой потенциального барьера. Это энергия, которой должен обладать свободный заряд, чтобы преодолеть потенциальный барьер:

,

(1)

где k - постоянная Больцмана; е - заряд электрона; Т - температура; N_A, N_D - концентрации акцепторов и доноров в дырочной и электронной областях соответственно; р_р и р_n - концентрации дырок в р- и n-областях соответственно; n_i - собственная концентрация носителей заряда в нелегированном полупроводнике, j_т=кТ/е - температурный потенциал. При температуре Т=27⁰С j_т=0,025В.

2. ширина p-n-перехода (рис.1.1) – это приграничная область, обеднённая носителями заряда, которая располагается в p и n областях: l_p-n = l_p + l_n:

, отсюда ,

(2)

где ε - относительная диэлектрическая проницаемость материала полупроводника; ε₀ - диэлектрическая постоянная свободного пространства.

Толщина электронно-дырочных переходов имеет порядок (0,1-10)мкм, она увеличивается с ростом напряжения на p-n-переходе и уменьшается при снижении концентрации примесей в p и n областях.

Если , то и p-n переход называется симметричным, если , то и p-n - переход называется несимметричным, причём он в основном располагается в области полупроводника с меньшей концентрацией примеси.

Ток через p-n-переход.В равновесном состоянии (без внешнего напряжения на р и n областях, рис.1.2,а) через p-n-переход течет ток, представляющий сумму диффузионной I_диф и дрейфовой I_др составляющих. Диффузионный ток, создается основными носителями заряда, а дрейфовый ток – неосновными.

В равновесном состоянии сумма диффузионного и дрейфового токов равна нулю:

Это соотношение называют условие динамического равновесия процессов диффузии и дрейфа в изолированном (равновесном) p-n- переходе.

1.1.2. Р-n - переход при внешнем напряжении, приложенном к нему

Внешнее напряжение нарушает динамическое равновесие токов в p-n-переходе. p-n- переход переходит в неравновесное состояние. В зависимости от полярности напряжения приложенного к p- и n- областям возможно два режима работы.

1) Р-n переход смещён в прямом направлении, если положительный полюс источника напряжения U подсоединен к р-области, а отрицательный к n-области (рис.1.2,б.). Внешнее напряжение прикладывается к p-n- переходу и направлено

встречно с j_к. Напряжение на p-n-переходе убывает до величины (j_к – U), потенциальный барьер снижается, диффузия и диффузионный ток I_диф через p-n-переход увеличивается и становится много больше дрейфового тока I_др. Этот ток называют прямым I_пр током p-n перехода:

Прямой ток может достигать больших величин т.к. связан с основными носителями заряда, концентрация которых велика.

При протекании прямого тока основные носители заряда р-области переходят в n-область, где становятся неосновными. Этот процесс называется инжекцией, а прямой ток – диффузионным током или током инжекции.

Прямое смещение p-n- перехода уменьшает его ширину, т.к. l_p-n≈(j_к – U)^1/2.

2) Р-n - переход смещён в обратном направлении когда к р- области приложен минус, а к n-области плюс, внешнего источника напряжения (рис. 1.2,в). Такое внешнее напряжение U направленосогласно с j_к и увеличивает высоту потенциального барьера до величины (j_к + U), процесс диффузии полностью прекращается и через p-n- переход протекает лишь дрейфовый ток - ток неосновных носителей заряда. Этот ток p-n-перехода называют обратным I_обр или тепловым током I₀, поскольку он связан с неосновными носителями заряда, которые возникают за счет термогенерации:

а) Iр-n = Iдиф + Iдр = 0

б) Iр-n =Iдиф+Iдр @Iдиф =Iпр

в) Iр-n= Iдиф+Iдр @Iдр= Iобр = I0

Рис.1.2. Токи p-n-перехода а) в равновесном состоянии; б) при прямом и в) обратном смещении

Обратный ток мал по величине т.к. связан с неосновными носителями заряда, концентрация которых мала. Таким образом, для p-n перехода выполняется условие I_пр >> I_обр , т.е. p-n переход обладает односторонней проводимостью.

Обратное смещение увеличивает ширину p-n перехода, т.к. l_p-n (j_к + U)^1/2

При обратном смещении p-n перехода происходит диффузия неосновных носителей заряда к границе p-n - перехода и дрейф через него в область, где они становятся основными носителями заряда. Этот процесс называется экстракцией, а ток с ним связанный - дрейфовым током или током экстракции.

Величина обратного тока сильно зависит от: 1. температуры окружающей среды; 2. материала полупроводника; 3. площади p-n - перехода.