ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА
ИССЛЕДОВАНИЕ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ВЫПРЯМИТЕЛЬНЫХ ДИОДОВ
Цель работы: измерение вольтамперных характеристик (ВАХ) и барьерной емкости кремниевого диода КД213А и диода Шоттки КД219А; сравнительная оценка полученных характеристик и определение параметров диодов; исследование различных схем выпрямителей.
Краткие теоретические сведения
Собственный полупроводник.
Проводимость собственного полупроводника
К полупроводникам относятся германий Ge (заряд ядра 32), кремний Si (заряд ядра 14) и другие материалы, находящиеся в IV группе системы элементов Менделеева, т. е. на внешних орбитах у них находится по 4 электрона. В собственных полупроводниках, не содержащих примеси, при температуре абсолютного нуля все валентные электроны находятся в связанном состоянии, образуя ковалентные связи с валентными электронами соседних атомов, свободных электронов нет, и проводимость полупроводника равна нулю.
С ростом температуры электроны получают дополнительную тепловую энергию, которая разрывает некоторые ковалентные связи, и электроны становятся свободными. На месте ушедшего из связи электрона образуется "дырка" (вакантное состояние), которую может занять электрон соседнего атома и таким образом дырка может перемещаться к соседнему атому и т.д. Образование в результате разрыва ковалентной связи пары подвижных носителей зарядов "электрон-дырка" называется генерацией электронно-дырочной пары. Возможен и обратный процесс, когда свободный электрон, перемещаясь хаотически между узлами кристаллической решетки, может занять вакантное состояние - дырку и снова стать связанным с атомом. Такое исчезновение пары свободных носителей зарядов называется рекомбинацией электронно-дырочной пары. Для генерации электронно-дырочной пары требуются затраты некоторого количества энергии, при рекомбинации энергия выделяется. Процессы генерации и рекомбинации электронно-дырочных пар происходят непрерывно, и при температуре, отличной от абсолютного нуля, проводимость собственного полупроводника не равна нулю, хотя она очень низка, т. к. в собственных полупроводниках очень мало свободных электронов и дырок, причем их концентрации равны ni = pi.
Примесные полупроводники
1.2.1. Полупроводники n -типа
Атомы примеси, введённые в кристаллическую решетку собственного полупроводника, существенно влияют на его проводимость. В зависимости от характера примеси различают полупроводники п- и р-типа. При введении в собственный полупроводник (Ge, Si) примеси из соседней V группы системы элементов Менделеева (например сурьмы Sb, мышьяка As) четырьмя своими валентными электронами атом примеси образует ковалентные связи с атомами основного вещества, а пятый оказывается несвязанным и уже при очень малой энергии возбуждения становится свободным, а атом примеси - положительным ионом, неподвижно расположенным в узле кристаллической решетки основного вещества. В примесных полупроводниках, как и в собственных, тоже идет процесс генерации электронно-дырочных пар за счет разрыва ковалентных связей, но пятивалентная примесь создает дополнительное количество свободных электронов. Такая примесь называется донорной, а полупроводник с электронной проводимостью - полупроводником n -типа. Примеси вводят столько, чтобы концентрация свободных примесных электронов nд была во много тысяч раз больше концентрации собственных электронов ni. Свободные носители, образуемые в результате введения примеси в полупроводник, которых оказывается существенно больше собственных, называют основными, а носители противоположного знака - неосновными. В полупроводниках и-типа основными носителями являются электроны, а неосновными — дырки.
Количество основных носителей в полупроводнике зависит от количества примеси, а количество неосновных - от интенсивности разрыва кова
лентных связей, т.е. от температуры, освещения и др. внешних факторов, дающих энергию для генерации электронно-дырочных пар.
1.2.2. Полупроводники р-типа
При введении в собственный полупроводник трехвалентной примеси (например, индия In) из соседней III группы, у которой только 3 электрона на внешней орбите, атом примеси захватывает недостающей для образования ковалентной связи электрон у атома основного вещества (германия или кремния) и становится неподвижным отрицательным ионом. На месте ушедшего электрона образуется дырка. Этот процесс способствует появлению дополнительных дырок в полупроводнике. Примесь, создающая дополнительные дырки, называется акцепторной, а полупроводник — р-типа. Основными носителями в полупроводнике р-типа являются — дырки, неосновными — электроны.
1.3. Контакт р- и п- полупроводников.