Вольт-амперная характеристика полупроводникового диода




Лабораторная работа 14

Цель - изучение вольт-амперной характеристики полупроводникового диода.

Приборы и принадлежности: 1. полупроводниковый диод,

2. источник постоянного напряжения, 3. реостат (потенциометр),

4. вольтметр и миллиамперметр (или цифровые мультиметры),

5. соединительные провода.

ВВЕДЕНИЕ

Полупроводниками называют вещества, электропроводность кото­рых ниже, чем у металлов, и выше, чем у изоляторов (диэлектриков). Наиболее важной и характерной особенностью полупроводников является их способность значительно изменять свои свойства под влиянием различных внешних воздействий (температуры, освещения, электрического и магнитного полей и других). А также возможность управления их электропро­водностью путем введения специальных (чужеродных) примесей. В результате внешних воздействий характеристики полупроводников, например электропроводность, могут изменяться до 106 - 107 раз. Столь большая чувствительность обусловила широкое применение полупроводников в технике и имеет следующие причины.

В металлах концентрация свободных электронов, участвующих в электропроводности огромна и составляет 1022- 1023см-3. Она близка к числу атомов металла в 1 см3 и с изменением температуры почти не изменяется.

В чистых полупроводниках при отсутствии внешних воздействий количество свободных электронов n очень мало, намного меньше числа атомов, из которых они состоят. Поэтому при обычных условиях электропроводность полупроводников низкая. Это обусловлено тем, что значительная часть внешних, валентных электронов связаны со своими и соседними атомами, образуя прочные химические связи (силы), которыми атомы полупроводника сцеплены друг с другом. Лишь осуществляя достаточно энергичное внешнее воздействие на полупроводник (например, нагревая или освещая его светом), можно освободить часть валентных электронов, участвующих в образовании химических связей между атомами, и тем самым образовать дополнительное количество свободных электронов , которые увеличат электропроводность полупроводника и могут существенно изменить его другие свойства.

Полупроводниковыми свойствами обладает множество веществ. Полупроводниками являются некоторые химические элементы (крем­ний, германий, селен и др.), химические соединения (арсенид галлия, антимонид индия, сульфид кадмия и др.) и ряд веществ сложного состава.

Рассмотрим механизм электрического тока на примере типичного полупроводника германия Ge, учитывая в качестве внешнего воздействия тепловое воздействие (нагревание) и характер химических связей между атомами.

Атомы германия имеют на внешней электронной оболочке четыре слабо связанных с ядром электрона, которые называются валентными. В твердом кристаллическом состоянии каждый атом германия с помощью этих четырех валентных электронов образует сильные химические связи с четырьмя другими атомами. Связь между атомами в германии осуществляется парами валентных электронов и потому называется парноэлектронной или ковалентной. При этом каждый валентный электрон этой связи одновременно принадлежит двум атомам (рис.1), говорят, что электроны обобществляются.

Два валентных электрона взаимодействующих атомов (по одному от каждого атома) образуют между ними при своем движении область с повышенной плотностью отрицательного заряда, к которой притягиваются положительные ядра атомов. Это электрическое притяжение и является силой, удерживающей атомы друг около друга, то есть ковалентной химической связью. Три других валентных электрона каждого атома образуют такие же связи с тремя другими соседними атомами. Ковалентная связь между каждой парой соседних атомов германия, показана на рисунке двумя отрезками прямых, соединяющих атомы (рис.1).

 

Рис. 1. Ковалентные связи в кристалле Рис.2. Атом мышьяка As в

германия и образование электронно- решетке германия.

дырочной пары Полупроводник n - типа

 

Электроны ковалентных связей сильно связаны с атомами. Энергия, необходимая для удаления одного электрона ковалентной связи является энергетической характеристикой полупроводника, она разная у разных полупроводников и намного превышает энергию теплового движения атомов при комнатной и более низких температурах. У германия она составляет Eg = 0,67 эВ, у кремния - Eg = 1,12 эВ, тогда как средняя энергия теплового движения при температуре 300 K намного меньше, kT = 0,0 26 эВ. Этой (тепловой) энергии недостаточно, чтобы разрушить ковалентную связь и освободить электрон, и потому концентрация свободных электронов в полупроводниках намного меньше, чем в металлах, и при обычных условиях электропроводность полупроводников низкая. При повышении температуры часть валентных элект­ронов приобретает тепловую энергию, достаточную для разрыва ковалентной связи, то есть для отрыва от пары атомов германия. Оторвавшийся электрон способен свободно перемещаться по кристаллу, он становится свободным носителем заряда (рис.1). В результате образования свобод­ных электронов полупроводник (германий) приобретает свойство электро­проводности.

Разорванную ковалентную связь называют дыркой. Недостаток электрона в одной из связей означает, что атом (или пара атомов) имеет положительный заряд, численно равный заряду электрона e. Разорванная ковалентная связь может быть заполнена валентным электроном одного из соседних атомов германия. На месте этого элект­рона вновь образуется разорванная связь - дырка. Такой процесс может повторяться, а это означает, что дырка способна перемещаться по крис­таллу, то есть тоже является свободным носителем заряда, имеющим в отличие от электрона положительный заряд. Следует отметить, что дырка не является реальной материальной частицей, в отличие от электрона проводимости. Дырка – это вакантное электронное состояние в нарушенной ковалентной связи полупроводника.

Таким образом, разрыв одной ковалентной связи приводит к появ­лению пары свободных носителей заряда — электрона и дырки — элект­ронно-дырочной пары. Образование свободных носителей заряда под действием тепловой энергии называют термической генерацией (термогенерацией) носителей. С ростом температуры концентрация электрон­но-дырочных пар в полупроводнике увеличивается и, следовательно, увеличивается его электропроводность. При заданной температуре полупроводника в единицу времени образуется определенное количество электронно-дырочных пар. В то же время идет обратный процесс – при встрече свободного электрона с дыркой, восстанавливается электронная связь между атомами германия. Этот процесс называется рекомбинацией.

В отсутствие электрического поля свободные электроны и дырки участвуют в хаотическом тепловом движении. Если полупроводник помещается в электрическое поле, то в упорядоченное движение вовлекаются не только свободные электроны, но и дырки, которые ведут себя как положительно заряженные частицы. Поэтому ток I в полупроводнике складывается из электронного In и дырочного Ip токов I = In + In. Концентрация электронов проводимости n в полупроводнике равна концентрации дырок p. Электронно-дырочная проводимость проявляется только у чистых, безпримесных полупроводников. Она называется собственной проводимостью, а сами полупроводники собственными.

Примесная проводимость полупроводников. При наличии примесей проводимость полупроводников сильно изменяется. Например, добавка фосфора в кристалл кремния в количестве 0,001 атомного процента уменьшает удельное сопротивление более чем в 105 раз.. Проводимость полупроводников, обусловленную присутствием примесей, называется примесной. Различают два типа примесной проводимости – электронную и дырочную. Электронная проводимость возникает тогда, когда в полупроводник вводят чужеродные атомы (примесь) валентность которых больше, чем у атомов полупроводника.

На рис. 2 показан пятивалентный атом мышьяка As, находящийся в узле кристаллической решетки германия вместо атома германия Ge. Германий - полупроводник, атомы которого четырёхвалентны. Четыре валентных электрона атома мышьяка участвуют в образовании ковалентных связей с четырьмя соседними атомами германия. Пятый валентный электрон атома мышьяка оказался лишним, он легко отрывается от атома и становится свободным. Атом же мышьяка As, потерявший электрон, превращается в положительный ион, расположенный в узле кристаллической решетки. Он не может перемещаться. Примесные атомы с валентностью, превышающей валентность основных атомов полупроводника, легко отдают электроны и называются донорной примесью. В результате ее введения в кристалле появляется значительное число свободных электронов, что приводит к резкому уменьшению удельного сопротивления полупроводника – в тысячи и даже миллионы раз.

 

Рис.3. Атом индия In в решетке Рис. 4. Образование запирающего слоя при

германия. Полупроводник p-типа. контакте полупроводников p- и n- типов.

 

В германии с примесью мышьяка есть также электроны и дырки, ответственные за собственную проводимость полупроводника, которые образованы за счет тепловой энергии. Но основным типом носителей свободного заряда являются электроны, оторвавшиеся от атомов мышьяка. В таком кристалле концентрация свободных электронов намного больше концентрации дырок n >> p. Т акая проводимость называется электронной, а полупроводник, обладающий электронной проводимостью, называется полупроводником n-типа ( от латинского слова negative, отрицательный).

Дырочная примесная проводимость возникает тогда, когда в кристалл

полупроводника вводят чужеродные атомы (примесь), валентность которых меньше, чем у атомов полупроводника. На рис. 3 показан атом трёхвалентного индия, который образовал с помощью своих трех валентных электронов ковалентные связи лишь с тремя соседними атомами германия. На образование связи с четвертым атомом германия у атома индия нет электрона. Этот недостающий электрон может быть легко захвачен атомом индия из ковалентной связи соседних атомов германия. В этом случае атом индия превращается в отрицательный ион, а в ковалентной связи соседних атомов образуется вакансия, то есть дырка. Примесные атомы с валентностью, меньшей валентности основных атомов полупроводника, способны захватывать электроны и называются акцепторной примесью. В результате введения акцепторной примеси в кристалле разрывается множество ковалентных связей и образуются вакантные электронные места (дырки).

Наличие акцепторной примеси резко снижает удельное сопротивление полупроводника за счет появления большого числа свободных дырок. Концентрация дырок в полупроводнике с акцепторной примесью значительно превышает концентрацию собственных электронов и дырок, которые возникли вследствие теплового разрушения ковалентных связей основных атомов полупроводника p >> n. Проводимость, обусловленную высоким содержанием дырок называется дырочной, а сам примесный полупроводник с дырочной проводимостью называется полупроводником p-типа (пэ – типа, от лат. слова positive, положительный).Основными носителями заряда в полупроводниках p-типа являются дырки.

В электронной технике полупроводниковые приборы играют огромную роль. Во многих полупроводниковых приборах имеется один или несколько электронно-дырочных переходов.

Электронно-дырочным переходом или p – n переходом (пэ-эн переходом)называют границу раздела областей полупроводника с различным типом электрической проводимости. Одна область полупроводника (p – область) имеет дырочную проводимость, другая область (n – область) обладает электронной проводимостью. Рассмотрим образование p – n перехода как механический контакт двух полупроводников с разным типом электрической проводимости (рис.4). В полупроводнике n -типа основными носителями заряда являются электроны; их концентрация значительно превышает концентрацию дырок (n >> p). В полупроводнике p -типа основными носителями заряда являются дырки (p >> n). При контакте двух полупроводников p - и n -типов начинается процесс диффузии. Дырки из p -области, где их много, переходят в n -область, где их мало. Электроны, наоборот, из n -области перемещаются в p -область. В результате в n -области вблизи контакта уменьшается концентрация электронов и возникает положительно заряженный слой, состоящий из положительных ионов донорных атомов. В p -области уменьшается концентрация дырок и возникает отрицательно заряженный слой, образованный отрицательными ионами акцепторной примеси. Таким образом, в области контакта полупроводников образуется двойной электрический слой, электрическое поле которого препятствует процессу диффузии электронов и дырок навстречу друг другу (рис. 4). Этот слой часто называют запирающим или запорным, его толщина от нескольких десятых долей микрона до микрона. Объемные заряды этого слоя создают между p - и n -областями напряжение U, приблизительно равное 0,35 В для германиевых p – n -переходов и 0,5 - 0,6 В для кремниевых p – n -переходов.

Электронно – дырочный переходобладает свойством односторонней проводимости.

Если полупроводник с p – n переходом подключен к источнику тока так, что положительный полюс источника (плюс) соединен с n -областью, а отрицательный полюс (минус) соединен с p -областью, то напряженность электрического поля в запирающем слое возрастает. Переход основных носителей заряда через границу раздела этих областей будет ещё больше затруднён. Ток через p – n -переход практически не идет. Напряжение данной полярности, поданное на pn –переход, в этом случае называют обратным, как и ток, текущий через него. Незначительный обратный ток обусловлен наличием небольшой концентрации неосновных носителей заряда, свободных электронов в p -области и дырок в n -области. Этот ток (обратный) очень мало и слабо увеличивается при увеличении обратного напряжения. При таком включении внешнего напряжения переход представляет собой большое сопротивление, а ток и приложенное напряжение условно считают отрицательными.

Если pn – переход соединить с источником так, чтобы «плюс» источника был соединен с p -областью, а «минус» - с n -областью, то напряженность поля в запирающем слое будет уменьшаться, что облегчает переход основных носителей через контактный слой. Дырки из p -области и электроны из n -области, двигаясь навстречу друг другу, будут пересекать pn – переход, создавая ток в прямом направлении. Сила тока через pn – переход в этом случае будет возрастать при увеличении напряжения источника.

Зависимость силы тока, текущего через pn –переход, от величины приложенного к нему напряжения называется вольт – амперной характеристикой и приблизительно описывается выражением

где I - сила тока через, Iн – ток насыщения, U – внешнее напряжение на pn –переходе, T – температура, k – постоянная Больцмана, n – фактор идеальности pn – перехода. График вольт-амперной характеристики p – n –перехода показан на рис.5.

p – n – Переходы изготавливают введением небольшого количества примеси в тонкий поверхностный слой полупроводника. По способу изготовления различают сплавные и диффузионные p – n – переходы. Для образования сплавного p – n – перехода на поверхность полупроводникового кристалла помещают электронный материал – металл или сплав; система нагревается до температуры, при которой осуществляется сплавление, и после небольшой выдержки охлаждается. Диффузионный p – n – переход получают диффузией примеси в полупроводник.

p – n – Переход является основным элементом полупроводниковых диодов, которые широко используются в выпрямительных схемах для преобразования переменного тока в постоянный. Кроме того, диоды применяются в различных схемах электроники, радиотехники, автоматики, силовой энергетики.

Рис.5. Вольт-амперная характеристика Рис.6. Конструкция сплавного

кремниевого p-n перехода германиевого диода

 

В данной работе нужно исследовать зависимость прямого и обратного тока германиевого плоскостного диода Д 7 от величины приложенного к нему напряжения и построить график этой зависимости (вольт-амперной характеристики). Конструкция сплавного маломощного германиевого диода Д 7 показана на рисунке 6. Основной элемент диода – пластинка монокристаллического германия 5. В одну сторону пластинки вплавлен шарик индия 4. В результате в пластинке, имевшей вначале электронную проводимость, образовалась область германия с дырочной проводимостью и на границе раздела исходного германия n – типа и слоя германия p – типа возник p – n – переход. С другой стороны пластинка припаяна припоем с примесью сурьмы 8 к основанию металлического корпуса 6, защищающего кристалл от внешних воздействий и имеющего внешние выводы 1 и 7. Металлическая трубка 2 вплавлена в стеклянный изолятор 3.

 



Поделиться:




Поиск по сайту

©2015-2024 poisk-ru.ru
Все права принадлежать их авторам. Данный сайт не претендует на авторства, а предоставляет бесплатное использование.
Дата создания страницы: 2017-12-29 Нарушение авторских прав и Нарушение персональных данных


Поиск по сайту: