Полупроводниковых диодов

Цель работы: построить вольтамперную характеристику точечного и плоскостного диодов и определить их коэффициенты выпрямления тока.

Приборы и принадлежности: источник питания (выпрямитель), диоды, вольтметр, миллиамперметр, микроамперметр, переключатели.

Изучите теоретический материал по одному из учебных пособий: [1, гл. VIII § 57–59, 64; 2, гл. ХIII § 13.4 – 13.7; 3, гл. VI § 28; 4, гл.II  § 19–20].

При изучении этого материала обратите внимание на то, что к полупроводникам относятся вещества, удельное сопротивление которых составляет 10^–5 – 10⁸ Ом∙м. Из химически чистых элементов полупроводниками являются B, C, Si, P, S, Ge, As, Se, Sn, Sb, Te, I.

Характерной особенностью полупроводников является не их малая проводимость (она может быть весьма значительной), а существенная зависимость ее от внешних условий – температуры, облучения, примесей и т.д.

Изучая собственную проводимость, присущую чистым полупроводникам, следует уяснить, что при низких температурах полупроводник является диэлектриком, в нем нет свободных носителей тока, так как практически все электроны связаны с атомами. Энергии теплового движения атомов недостаточно для разрыва связей электронов с атомами. С повышением температуры все большее число электронов приобретает энергию, достаточную для разрыва связей. Они становятся свободными, перемещаясь хаотично по кристаллу полупроводника. Уход электрона от атома равносилен появлению в нем положительного заряда (электрон несет отрицательный заряд). Этот положительный заряд принято называть дыркой. На место дырки из соседнего атома может перескочить электрон. В результате дырка как бы заполнится и исчезнет, но зато появится в другом месте, произойдет ее перемещение. Не следует думать, что перемещение дырок есть движение реальных частиц. В действительности перемещаются связанные электроны в направлении, противоположном направлению движения дырок.

Обратите внимание, что в чистом полупроводнике количество возникающих свободных электронов и дырок одинаково. Как те, так и другие носители тока обусловливают собственную проводимость полупроводника.

Дырочную проводимость называют р -проводимостью (от слова positive – положительный), а электронную проводимость – n -проводи-мостью (от слова negative – отрицательный).

Изучая примесную проводимость, обратите внимание, что, во-первых, небольшое количество примесей может резко увеличить проводимость полупроводника; во-вторых, введением примесей можно получить полупроводник с каким-либо одним типом проводимости – р - или n -типа.

В настоящей работе исследуются полупроводниковые диоды. Полупроводниковый диод по существу представляет собой контакт двух полупроводников с различным типом проводимости: р - и n -типа. Такой контакт называют р–n -переходом.

Рассматривая явления на границе р–n -перехода (рис. 10.1), твердо усвойте, что диффузия дырок из р в n -полупроводник и электронов в обратном направлении из n в р -полупроводник не приведет к увеличению носителей тока в области контакта, так как дырки и электроны будут рекомбинировать друг с другом. Пограничный слой толщиной d»10^–6–10^–7 cм будет обедняться носителями тока, сопротивление его возрастает по сравнению с сопротивлением остальных областей полупроводника. Его называют запирающим слоем. Кроме того, обратите внимание на появление в пограничном слое толщиной d контактного поля Е _к, направленного от n к р. Оно обусловлено тем, что n -полу-проводник теряет электроны и заряжается положительно, а р -полупроводник теряет дырки и заряжается отрицательно. Уясните, что поле Е _к будет действовать на дырки и электроны в пограничном слое с силами, затрудняющими их диффузию через границу р–n -перехода. При определенном значении Е _к прекратится преимущественная диффузия электронов в направлении n ® р и дырок в направлении р ® n.

Рис. 10.1.

Ослабляя или усиливая с помощью внешнего источника электрическое поле в области р–n -перехода, можно или способствовать перемещению через границу р–n -перехода основных носителей тока, или, наоборот, препятствовать их перемещению, т.е. можно управлять током, текущим через диод. Фактически диод состоит из трех областей: n -области, в которой имеются в наличии свободные электроны; р -области, где имеются дырки, и запирающего слоя, в котором свободных носителей практически нет и поэтому обладающего большим сопротивлением. Сопротивление запирающего слоя можно уменьшить или увеличить в зависимости от схемы включения диода в цепь. Так, если положительный плюс источника тока присоединен к р -полупроводнику, а отрицательный к n -полупроводнику (рис. 10.2), то внешнее поле Е будет направлено против поля Е _к контактного слоя.

Рис. 10.2.

Суммарное поле будет меньше Е _к, в результате дырки начнут перемещаться в направлении р ® n, а электроны – в направлении n ® р. Толщина запирающего слоя и его сопротивление будут уменьшаться, а ток увеличиваться с повышением приложенного напряжения.

Запомните, что направление внешнего поля, при котором через границу контакта будет проходить ток, называется прямым, или пропускным.

Изменим полярность приложенного внешнего напряжения (рис. 10.3).

Рис. 10.3.

Внешнее электрическое поле, направленное так же, как и поле контактного слоя, будет еще дальше отодвигать свободные электроны и дырки от места контакта. Толщина запирающего слоя и его сопротивление будут возрастать. Такое направление внешнего электрического поля называется обратным, или запирающим. В этом направлении ток через р–n -переход практически не проходит. В действительности незначительный ток в обратном направлении все же есть. Для объяснения этого вспомните о наличии в полупроводниках неосновных, побочных носителей тока: электронов в р -полупроводнике и дырок в n -полупроводнике. Для побочных носителей тока рассматриваемое включение источника является пропускным. Но концентрации их очень малы, поэтому обратный ток будет пренебрежимо мал по сравнению с прямым.