Теоретическое введение

Утверждаю

Ректор университета

________________ А.В. Лагерев

«____»____________ 2012 г.

ФИЗИКА

СНЯТИЕ ВОЛЬТАМПЕРНОЙ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПОЛУПРОВОДНИКОВОГО ДИОДА И ОЗНАКОМЛЕНИЕ

С РАБОТОЙ ВЫПРЯМИТЕЛЯ НА ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ДИОДАХ

Методические указания

К выполнению лабораторной работы № 26

Для студентов очной и очно-заочной форм обучения

Технических специальностей

Брянск 2012

Цель работы: снятие вольтамперной характеристики полупроводникового диода, а также изучение работы одно- и двухполупериодных выпрямителей.

Теоретическое введение

Все твердые тела по проводимости можно разделить на три группы: проводники, полупроводники и диэлектрики. Электропроводность твердого тела можно описать следующим образом на основе квантово-механических представлений.

Согласно принципам квантовой механики, электроны в атоме могут принимать лишь определенные (разрешенные) значения энергии, называемые энергетическими уровнями. Переход электрона из одного состояния в другое происходит скачкообразно с изменением энергии на конечную величину. Разрешенных энергетических уровней в атоме бесконечно много. Наиболее высокий из заполненных электронами уровней энергии называется валентным. В основном состоянии все уровни энергии выше валентного свободны.

Пока атомы изолированы друг от друга, они имеют полностью совпадающие схемы энергетических уровней. Уровни заполняются электронами в каждом атоме независимо от заполнения аналогичных уровней в других атомах. По мере сближения атомов между ними усиливается взаимодействие, которое приводит к коллективизации электронов и изменению положения уровней. Вместо одного одинакового для всех атомов уровня энергии возникает N очень близких несовпадающих уровней. Таким образом, в кристалле, решётка которого образована из N атомов, каждый атомный уровень расщепляется на N близко расположенных подуровней, образующих зону.

Валентная зона образуется при расщеплении валентного уровня и заполняется валентными электронами, участвующими в проводимости.

При расщеплении свободного (следующего за валентным) уровня при Т =0К образуется зона свободных уровней или свободная зона. Разрешенные энергетические зоны разделены зонами запрещенных значений энергии, называемымизапрещенными энергетическими зонами. Такие значения энергии электроны принимать не могут. Ширина запрещенной зоны в различных кристаллах может быть различной: от нуля (свободная и валентная зоны перекрываются) до нескольких электрон-вольт.

Ширина разрешенных зон имеет величину порядка нескольких электрон-вольт, следовательно, если кристалл содержит 10²³ атомов, расстояние между соседними подуровнями в зоне составляет ~10^-23 эВ.

Электрические свойства кристаллов определяются величиной запрещенной зоны и неодинаковым заполнением электронами разрешенных зон. Все кристаллы можно разбить на 3 группы. Первая группа (рис. 1а) включает кристаллы элементов с нечетной валентностью. При образовании такого кристалла из Nатомов число уровней в валентной зоне будет в 2 раза больше, чем число пар электронов. Следовательно, в этих кристаллах при Т =0К в валентной зоне половина уровней окажется незаполненной. У ряда элементов с четной валентностью свободная зона ивалентная (полностью заполненная электронами) перекрываются (рис. 1б), что приводит к образованию общей зоны с частично незаполненными уровнями. В обоих случаях достаточно сообщить электронам совсем небольшую энергию (10^-23 – 10^-22 эВ), чтобы перевести их на более высокие свободные подуровни. Таким образом, электроны могут ускоряться электрическим полем, что приводит к появлению направленного движения зарядов – электрическому току. В первом случае зоной проводимости является валентная зона, во втором – общая зона, образовавшаяся в результате перекрытия свободной и валентной зон.

Вторую группу образуют элементы с четной валентностью, в кристаллах которых валентная зона и свободная не перекрываются (рис. 1в) и далеко отстоят друг от друга: ширина запрещенной зоны составляет несколько электрон-вольт. Валентная зона заполнена полностью. Тепловое движение (энергия теплового движения при комнатных температурах составляет 0,025 эВ) не может перевести электроны из валентной зоны в свободную. Электроны, получая энергию малыми порциями со стороны электрического поля, попадали бы в запрещенную зону, что невозможно. Следовательно, они не разгоняются электрическим полем. Вэтом случае кристалл является изолятором.

Третью группу составляют элементы, в которых валентная зона полностью заполнена электронами, а свободная зона расположена близко к валентной зоне (ширина запрещенной зоны порядка несколько десятых электровольта) (рис. 1г). В таких кристаллах некоторые электроны, имеющие энергию теплового движения выше средней, т.е. сравнимой с шириной запрещенной зоны ∆E, могут перейти в свободную зону. В обеих зонах внешнее электрическое поле влияет на движение электронов так же, как и в проводниках. Такие кристаллы называются полупроводниками.

Рис. 1 (при Т =0К)

Чем выше температура T электронов, тем больше число электронов преодолевает запрещённую зону и проникает в зону проводимости, тем выше проводимость полупроводников. Зависимость от Т определяется формулой

,

где k – постоянная Больцмана; – является важнейшей характеристикой полупроводников.

Электрон, переходя из валентной зоны в свободную зону, оставляет вакантное место, получившее название "дырки" (рис. 2).

Под «дыркой» понимают квазичастицу, обладающую положительным зарядом.

Рис. 2 (при Т 0К)

Очевидно, что число «дырок» в валентной зоне равно числу электронов, перешедших в свободную зону в чистом полупроводнике. Таким образом, появились носители зарядов в обеих зонах: электроны в свободной зоне, "дырки" в валентной зоне. При наложении внешнего электрического поля электроны придут в направленное движение в сторону более высокого потенциала, а дырки - в противоположную сторону. Можно сказать, что полупроводник обладает электронно-дырочной проводимостью, которая называется собственной. Чистые полупроводники (Ge, Cr, Se, Te) при комнатной температуре имеют концентрацию электронов в свободной зоне порядка 10¹³ см^-3 (у металлов она порядка 10²² см^-3), поэтому чистые полупроводники обладают слабой проводимостью. Особенностью полупроводников является возможность широкого изменения величины электропроводимости введением в них примесей. Примесь может создать в полупроводнике либо избыток электронов, либоизбыток дырок. Примесь, приводящая к увеличению числа электронов в свободной зоне, называется донорной, а полупроводник с избытком электронов над дырками – полупроводником n -типа. Примесь, приводящая к образованию дырок в валентной зоне, называется акцепторной, а полупроводник с избытком дырок над электронами – полупроводником р -типа. Проводимость таких полупроводников называется примесной.

С точки зрения зонной теории донорные примеси приводят к появлению дискретных энергетических уровней в запрещённой зоне вблизи дна свободной зоны(рис. 3а)(донорные уровни). В этом случае энергия теплового движения даже при обычных температурах оказывается достаточной для того, чтобы перевести электрон с донорного уровня в зону проводимости.

б) г)

Рис. 3

Для образования донорного уровня примесь должна иметь валентность на 1 больше, чем у основных атомов полупроводника. Например, при замещении атома германия пятивалентным атомом мышьяка (рис. 3б) один электрон не может образовать ковалентной связи, он оказывается лишним и может быть легко при тепловых колебаниях решетки отщеплен от атома, т.е. стать свободным. Образование свободного электрона не сопровождается нарушением ковалентной связи; следовательно, дырка не возникает. Избыточный положительный заряд, возникающий вблизи атома примеси, связан с атомом примеси и поэтому перемещаться по решетке не может.

При добавлении акцепторной примеси в кристалл полупроводника в запрещенной зоне возникает уровень вблизи потолка валентной зоны (акцепторный уровень) (рис. 3в). При переходе электрона из валентной зоны на близлежащий акцепторной уровень (тепловой энергии достаточно для перехода) в валентной зоне образуется дырка. Валентность акцепторной примеси на 1 меньше, чем у основных атомов полупроводника. Предположим, что в решетку кремния введен примесный атом с тремя валентными электронами, например бор (рис. 3г). Для образования связей с четырьмя ближайшими соседями у атома бора не хватает одного электрона, одна из связей остается неукомплектованной и четвертый электрон может быть захвачен от соседнего атома основного вещества, где соответственно образуется дырка. Последовательное заполнение образующихся дырок электронами эквивалентно движению дырок в полупроводнике, т.е. дырки не остаются локализованными, а перемещаются в решетке кремния как свободные положительные заряды. Избыточный же отрицательный заряд, возникающий вблизи атома примеси, связан с атомом примеси и по решетке перемещаться не может.

В n-полупроводнике электронов в свободной зоне значительно больше, чем дырок в валентной зоне, электроны здесь является основными носителями тока, а дырки – неосновными. В р -полупроводнике основными носителями являются дырки, неосновными – электроны.

Кристаллы полупроводников n - и p - типа, взятые порознь, используют сравнительно редко. Широко используются в электронике кристаллы, внутри которых имеется контакт полупроводников n - и р -типа, приводящие к значительным явлениям. Контакт полупроводников обычно называется p - n -переходом. p - n -переход хорошо пропускает ток только в одном направлении и применяется для выпрямления переменного тока. Принцип действия p - n- перехода заключается в следующем.

В p -области основными носителями тока являются дырки, образовавшиеся в результате захвата электронов атомами примеси (акцепторы при этом становятся отрицательными ионами); кроме того, в этой области имеется небольшое число неосновных носителей – электронов (за счет собственной проводимости). В n -области основные носители тока электроны, отданные донорами в зону проводимости (доноры при этом превращаются в положительные ионы); имеется также небольшое число неосновных носителей – дырок, образовавшихся при переходе электронов из валентной зоны в зону проводимости за счет теплового движения.

Пусть p и n полупроводники соприкасаются по плоскости. Диффундируя во встречных направлениях через пограничный слой, дырки и электроны рекомбинируют друг с другом, поэтому p - n -переход оказывается сильно обедненным носителями тока и приобретает большое сопротивление. Одновременно на границе между областями возникает двойной электрический слой, образованный отрицательными ионами акцепторной примеси, заряд которых теперь не компенсируется дырками, и справа от плоскости S-S (см. рис. 4) – положительными ионами донорной примеси, заряд которых теперь не компенсируется электронами. Электрическое поле в этом слое направлено так, что противодействует дальнейшему переходу через слой основных носителей.

Рис. 4

Если теперь к p-n- переходу приложить внешнее напряжение такого направления, чтобы «+» был подключён к n-области, а «-» был подключен к p -области (такое напряжения называется обратным) (рис. 4а), то напряжённость поля в зоне p-n -перехода, препятствующая движению основных носителей тока через переход, ещё больше возрастает. Поле, возникшее при наложении обратного напряжения, «оттягивает» основные носители от границы между областями, что приводит к возрастанию ширины переходного слоя, обедненного носителями. Соответственно увеличивается и сопротивление перехода. Тока в цепи за счет основных носителей, не будет. p-n -переход пропускает слабый ток, целиком обусловленный неосновными носителями.

Изменим полярность приложенного напряжения (рис. 4б) (такое напряжение называется прямым). При таком подключении источника внешнее электрическое поле направлено противоположно полю контактного слоя, оно вызывает движение электронов в n -полупроводнике и дырок в p- полупроводнике к границе p-n -перехода навстречу друг другу. В этой области они рекомбинируют, толщина контактного слоя и его сопротивление уменьшаются, т.е. при прямом напряжении электрическое поле контактного слоя уменьшается, и соответственно ток основных носителей растет.

В данной работе необходимо снять и построить вольтамперную характеристику полупроводникового диода и с помощью осциллографа изучить работу одно- и двухполупериодных выпрямителей. Работа состоит из 2-х частей.