Основные свойства p-n переходов

Полупроводниковый диод представляет собой прибор, основанный на свойствах p-n перехода.

В чистом полупроводнике свободные электроны и дырки образуются попарно и число электронов равно числу дырок. При введении в полупроводник донорных примесей электрон атома примеси, не участвующий в межатомных связях, легко переходит в зону проводимости полупроводникового материала. При этом в кристаллической решетке остается неподвижный положительно заряженный ион примеси, а электрон добавляется к свободным электронам собственной проводимости. В этом случае концентрация свободных электронов в полупроводнике превышает концентрацию дырок и полупроводник. Такой полупроводник называют полупроводником n-типа.

При введении в полупроводник акцепторных примесей атомы примеси в процессе формирования межатомных связей отбирают электрон у одного из атомов полупроводникового материала, становясь неподвижными отрицательными ионами. В этом случае концентрация дырок в полупроводнике превышает концентрацию свободных электронов и полупроводник называют полупроводником p-типа.

На границе полупроводников n-типа и p-типа за счет диффузии часть электронов из n-слоя переходит в p-слой и рекомбинирует с дырками, и наоборот. При этом в пограничном n-слое остается нескомпесированный положительный заряд примесных ионов, а в p-слое – нескомпесированный отрицательный заряд примесных ионов. Возникает контактная разность потенциалов, препятствующая переходу дырок в n-область и электронов в
p-область.

Если к p-n переходу приложено внешнее напряжение в прямом направлении («плюс» к слою p и «минус» к слою n), то это напряжение, скомпенсировав контактную разность потенциалов, создает прямой ток через переход.

Когда напряжение приложено в обратном направлении, оно увеличивает потенциальный барьер и проводимость перехода остается весьма малой.

На рис. 1.1 представлено схематическое изображение структуры p-n перехода (а), вольтамперная характеристика p-n перехода (б), где 1 – прямая и 2 – обратная ветви вольтамперной характеристики.

Обратный ток перехода I0для кремниевых p-n переходов составляет обычно доли или единицы мА, для германиевых мкА.

Выражение для прямого тока I через переход представляют в виде

I = I0ехр (V / φ0),

где V ‑ прямое напряжение на переходе, φ₀ ‑ температурный потенциал, равный примерно 25 мВ при 20 ^оС.

а б

Рис. 1.1

Если обратное напряжение, приложенное к p-n переходу, превосходит некоторое предельное значение, то возникает пробой перехода.

1.2 Используя данные схему и таблицу

получили графиков прямой ветви ВАХ диодов

С помощью данных графиков заполним таблицу

Из полученных ВАХ следует, что в области токов 1...10 мA прямое напряжение для кремниевого диода составляет около 0,6 В, для германиевого около 0,3 В, для диода Шоттки ≈ 0,2 В

1.3 Определили необходимую величину напряжения источника напряжения V1 (1) для обеспечения в цепи, состоящей из элементов R1 и D1, тока, заданного преподавателем, равного 4мА.

Рассчитываем падение напряжения на резисторе V₁(R) при заданном токе I₁ (V₁(R) = I_1·R1) и откладывается по оси напряжений от точки V₁(D)=4/0,05963=2,385.

Сумма V₁(1) = V₁(D) + V₁(R)= 2,385х2 = 4,77 показывает величину напряжения, создающего заданный ток в цепи

С ростом заданного тока, равному 4А, рабочая точка диода перемещается вверх по его характеристике. Прямая ВАХ резистора с углом наклона α переносится в новую рабочую точку. Ее пересечение с осью Х дает новое значение источника напряжения V₂(1).

1.4 Используя данные схему и таблицу

построим семейство ВАХ кремниевого диода, в зависимости от температуры

Используя графики заполним таблицу

Очевидно, что увеличение температуры при поддержании неизменного тока через диод приводит к уменьшению падения напряжения на диоде.

ВЫВОД

В ходе практической работы была построена цепь с тремя разными диодами (кремниевый, германиевый и диод Шоттки), построена их ВАХ, по которым было определено прямое напряжение для каждого из диодов. Из ВАХ сделан вывод, что из трех типов рассмотренных диодов кремниевые имеют максимальную величину контактной разности потенциалов, диоды Шоттки – минимальную величину, а германиевые занимают промежуточное значение. Для первого диода и первого резистора было выполнено задание на определение необходимой величины источника напряжения для обеспечения цепи тока, равным 4 А. Также было рассчитано падение напряжения (2,385) и определена величина напряжения, созданного заданным током (4,77В).