Теоретическое введение. 1 Изучить физические основы работы полупроводникового диода

ИЗУЧЕНИЕ ВЫПРЯМЛЯЮЩИХ СВОЙСТВ ПОЛУПРОВОДНИКОВОГО ДИОДА

Цель работы

1 Изучить физические основы работы полупроводникового диода.

2 Снять вольтамперную характеристику диода.

Теоретическое введение

По способу проводимости различают собственные и примесные полупроводники. Собственными называются чистые полупроводники типа Gе, Si у которых число электронов в зоне проводимости равно числу дырок в валентной зоне и уровень Ферми находится в середине запрещенной зоны.

Каждый атом германия или кремния четырехвалентен, связан с четырьмя ближайшими соседями ковалентными связями.

При повышении температуры (Т > 0) эти связи могут разрываться, и часть электронов может стать свободной и передвигаться по кристаллу, участвуя в собственной проводимости.

Если в решетку германия ввести донорную примесь, например, мышьяк, валентность которого на единицу больше чем у основного атома, то возникнет незанятый электрон примеси, способный свободно передвигаться по кристаллу. Это электронная проводимость полупроводника n -типа. Если же в решетку кремния ввести трехвалентную акцепторную примесь (бор), то носителями тока становятся дырки, и возникает дырочная проводимость. Такой полупроводник называется дырочным (р -типа)

Контакт двух полупроводников, один из которых имеет дырочную, а другой - электронную проводимость, называется электронно-дырочным (или p-n) переходом.

Р-n переходы лежат в основе работы многих полупроводниковых приборов. В настоящее время разработан большой класс полупроводниковых диодов, использующих то или иное свойство выпрямляющего перехода (выпрямительные диоды, стабилитроны, туннельные диоды, варикапы, фотодиоды, светодиоды, лазеры и т. д.).

Рассмотрим физические процессы на контакте полупроводников p и n -типа. Если донорный полупроводник приводится в контакт с акцепторным, то электроны из полупроводника n- типа, где их концентрация выше, устремляются в полупроводник p- типа, где их концентрация ниже. При этом в n- типе остается нескомпенсированный положительный заряд ионизованных доноров, а в p- типе - отрицательный заряд ионизированных акцепторов. Эти заряды образуют двойной электрический слой (ДЭС), препятствующий дальнейшему обмену зарядами, а при определенной толщине p-n перехода наступает равновесное состояние, характеризующееся выравниванием уровней Ферми в полупроводниках. Если к p-n переходу приложить внешнее электрическое поле, способствующее движению основных носителей заряда к границе («+» на p- типе, «-» на n- типе), то толщина контактного слоя уменьшается, уменьшается его сопротивление, и сила тока растет. Это прямая ветвь на ВАХ. При обратном смешении («-» на p, «+» на n) основные носители зарядов стремятся удалиться от границы контакта вглубь, возникает запирающий слой.

Полупроводниковый диод - это прибор с одним выпрямляющим переходом и двумя внешними выводами, в котором используется то или иное свойство выпрямляющего перехода. В качестве выпрямляющего перехода в полупроводниковых диодах может служить электронно-дырочный (p-n) переход, гетеропереход (контакт двух различных по химическому составу полупроводников, обладающих различной шириной запрещенной зоны) или контакт металл-полупроводник (диод Шоттки).

В данной работе изучается одно из основных свойств диода - выпрямляющее. Это - способность диода пропускать ток только в одном направлении (односторонняя проводимость диода). Исследуется диод с электронно-дырочным (p-n) переходом.

Электронно-дырочный переход образуется на металлургической границе раздела (то есть без нарушения периодичности кристаллической решетки) полупроводников с донорной примесью (для кремния и германия ею являются элементы V группы таблицы Менделеева) и акцепторной примесью (элементы III группы).

В равновесных условиях в p-n переходе на границе раздела существуют двойной электрический слой, внутреннее электрическое поле и контактная разность потенциалов φ_ĸ (рисунок 1 а, б, в, г соответственно).

Положительный заряд двойного электрического слоя, образованный ионами донорной примеси, всегда находится в полупроводнике n -типа, отрицательный, образованный ионами акцепторной примеси - в полупроводнике р -типа (рисунок 1 а, б). Следовательно, внутреннее электрическое поле E_вн направлено из n -области в р -область (рисунок 1 а). Напряжённость электрического поля максимальна на границе раздела p - и n -областей и уменьшается до нуля за пределами двойного электрического слоя (рисунок 1 в). Величина контактной разности потенциалов φ_к определяется физическими свойствами полупроводника по обе стороны p – n перехода и обычно составляет доли вольта (φ_к ≈ 0,3 B для Gе, φ_к ≈ 0,6 B для Ѕì; см. рисунок 1 г).

При приложении к р-n переходу внешнего напряжения U происходит уменьшение высоты потенциального барьера (φ = φ_к - U), если внешнее и внутреннее поля направлены в противоположные стороны; при этом через р-n переход протекает большой ток (от единиц миллиампер в маломощных диодах до сотен и тысяч ампер - в мощных). Вначале прямой ток растёт медленно; когда внешнее напряжение U скомпенсирует контактную разность потенциалов φ_к, ток через диод начинает быстро возрастать. Такое включение диода называется прямым или пропускным (плюс приложен к р -области, минус - к n -области).

Если изменить полярность приложенного напряжения, то внешнее и внутреннее поля складываются, и высота потенциального барьера возрастает (). При этом через диод протекает незначительный ток (доли наноампер у маломощных и единицы микроампер - у мощных диодов), слабо зависящий от приложенного напряжения. Резкий рост обратного тока при значительных обратных напряжениях связан с явлениями пробоя и ограничивает рабочие напряжения выпрямляющих диодов. Напряжение пробоя у различных типов диодов лежит от десятков вольт до тысяч вольт. Такое включение диода называется обратным, или запорным (минус приложен к р -области, плюс - к n -области). Вольтамперная характеристика (ВАХ) диода представлена на рисунке 2.

Выпрямительные диоды широко используются для выпрямления переменного напряжения (блоки питания радиоэлектронной аппаратуры, детекторы в радио и телеприемниках). Простейшая схема выпрямителя и форма переменного и выпрямленного (пульсирующего) напряжения приведены на рисунках 3 а и 3 б соответственно.

Дадим количественную оценку токам, протекающим через p-n переход. Ток через p-n переход примерно равен числу электронов при температуре Т, способных преодолеть потенциальный барьер на контакте Δ W, и j, вследствие статистики Больцмана, определяется формулой:

, (1)

где А = const, Δ W = qφ _к, k - постоянная Больцмана. В равновесии I _ПРЯМ = I _ОБР.

При прямом смещении U потенциальный барьер на контакте понижается, и соответствующий ток, следуя формуле (1), равен (2):

^, (2)

График этой функции приведен па рисунке 2, при комнатной температуре kT / q = 2,6∙10^-2 В, так что при U ~ 1 В, >>1

>>1 (3)

Однако столь малый обратный ток будет наблюдатьсяне всегда. При некотором значении обратного смещения U (см. рисунок 2) он начнет резко расти. Это явление называется электрическим пробоем p-n - перехода, при этом p-n -переход выходит из строя.