Рисунки к работе №490. Задание к лабораторной работе

Рисунки к работе №490

n p     p-n – переход Рис. 1

испытуемый диод V¢обр Vср V²обр 1 2 3 1 2 3   + - - + - + Б Б Источник высокого напряжения   Схема лабораторной установки.   Рис.2

I, мА                                                                                 -300 -200 -100 0               0,4 0,8 1,2 U, В         -0,2   -0,4                         Рис.3

Работа большого числа полупроводниковых приборов основана на.использовании свойств р—n -перехода (или электронно-дырочного перехода в полупроводниках).

Для описания некоторых физических свойств р—n -перехода введем основные понятия зонной теории твердых тел.

Полупроводники — кристаллические вещества, у которых при Т=0 К валентная зона полностью заполнена электронами, a зона проводимости свободна. Например, у широко используемого в технике такого полупроводникового материала как кремний Si, ширина запрещенной зоны при температуре 20⁰ С равна DE₀=1,08 эВ (1 эВ=1,6^.10^-19 Дж)

Полупроводник, в котором отсутствуют какие-либо примеси, называется полупроводником с собственной проводимостью, поскольку его электрические свойства определяются природой самих элементов; полупроводник с несобственной или примесной проводимостью — такой полупроводник, для которого проводимость определяется природой и количеством примесей.

В полупроводниках существуют два механизма проводимости, обусловленные существованием двух видов носителей электрического заряда — свободных электронов и дырок.

Дырка — вакантное место в валентной зоне полупроводника, ей приписан положительный заряд, равный по величине заряду электрона.

Для полупроводника с собственной проводимостью с увеличением температуры концентрации дырок п_р остается равной концентрации свободных электронов п_е:

n_р=n_е; (1)
полупроводник с донорной примесью (или полупроводник n-типа проводимости) — полупроводник, у которого при комнатной температуре концентрация свободных электронов п_е много 6ольше концентрации дырок п_р:

n_e>>n_p; (2)

полупроводник с акцепторной примесью (или полупроводник р -типа проводимости) — полупроводник, у которого при комнатной температуре концентрация дырок -п_р много больше концентрации свободных электронов п_е:

n_p>>n_e; (3)

Основные носители заряда примесного полупроводника — электроны в полупроводнике n -типа проводимости и дырки в полупроводнике р -типа проводимости;

неосновные носители заряда примесного полупроводника — дырки в полупроводнике n -типа проводимости и электроны в полупроводнике р -типа проводимости.

При соприкосновении друг с другом двух ранее изолированных полупроводников n - и p -типа проводимости (рис.1), в месте их контакта будут иметь место следующие процессы: процесс диффузии основных носителей заряда, вызванный различием в концентрации свободных электронов и дырок в п- и р -полупроводниках соответственно. Этот процесс приводит: 1) к потоку основных носителей заряда через границу р- и n -полупроводников (диффузионный ток); 2) к нарушению электронейтральности вблизи границы и образованию внутреннего электрического поля, вектор напряженности которого Е _внутр направлен от п- к р -полупроводнику. Это происходит потому, что вблизи границы контакта n -полупроводник заряжается положительно, a р -полупроводник — отрицательно из-за потери основных и прихода неосновных носителей заряда в процессе их диффузии через границу раздела (исходное состояние п- и р -полупроводников электронейтральное);

процесс вынужденного перемещения неосновных носителей заряда (дрейф неосновных носителей, дрейфовый ток) обусловлен действием на них внутреннего электрического поля (положительно заряженные носители перемещаются в направлении вектора напряженности, отрицательные в противоположном направлении). Этот процесс приводит к возникновению потока неосновных носителей заряда.

Диффузионный ток, нарушая электронейтральность полупроводников, приводит к значительному уменьшению концентрации основных носителей заряда в п- и p - полупроводниках вблизи границы контакта, a увеличение числа неосновных носителей за счет дрейфового тока не приводит к увеличению числа носителей заряда в граничной области, так как малая их концентрация способствует тому, что они распределяются по всему объему полупроводника.

В состоянии термодинамического равновесия возникающее в процессе диффузии основных носителей заряда внутреннее электрическое поле тормозит процесс диффузии основных носителей заряда через границу контакта, и когда энергия электрического поля увеличится настолько, это энергия носителей заряда станет недостаточной для его преодоления, процесс стабилизируется и дальнейшего увеличения Е _внутр не происходит. При этом диффузионный и дрейфовый токи оказываются уравновешенными.

Таким образом, соприкосновение двух полупроводников п- и p -типа проводимости приводит к возникновению внутреннего электрического поля в приконтактном слое, т. е. к формированию р — n- перехода.

Рассмотрим влияние внешнего электрического поля Е _внеш на установившееся

равновесие потоков основных и неосновных носителей заряда.

Если напряженность внешнего электрического поля Е _внеш совпадает по направлению с напряженностью внутреннего электрического поля E _внеш ­­ Е _внутр, то возникнут условия увеличения потока неосновных носителей заряда через границу контакта. Ввиду их малой концентрации даже значительная по величине напряженность внешнего поля приводит к заметному возрастанию потока неосновных носителей заряда.

Ток, протекающий через р — n-переход, мал, и сопротивление р — n -перехода в этом случае велико. В области р — п- перехода устанавливается равновесие носителей заряда, соответствующее условию: Е = Е _внеш+ Е _внутр. Увеличение объемного заряда произойдет в результате нарушения электронейтральности за счет перемещения основных носителей заряда под действием внешнего поля от р —n- перехода.

Если напряженность внешнего электрического поля противоположна направлению напряженности внутреннего поля Е _внеш ­¯ Е _внутр, то возрастет поток основных носителей заряда через границу. Напряженность электрического поля р — п- перехода будет равна: | Е |= | Е _внутр | — | Е _ннеш |. Величина объемного заряда при этом уменьшится и даже незначительное увеличение напряженности Е _внеш приведет к заметному возрастанию тока через р — n- переход.

Этот ток обусловлен движением основных носителей заряда в р- и n- области соответственно, сопротивление р — п- перехода мало.

Отношение сопротивлений R _обр /R _прямдля р — n -перехода составляет величину » 10³.

По сложившейся терминологии E _внеш ­­ Е _внутр называют «обратным смещением» (или обратным внешним напряжением), a Е _внеш ­¯ E _внутр — «прямым смещением» (или прямым внешним напряжением), и ток через р — n -переход называется соответственно I_обр и I_прям.

Зависимость силы тока, протекающего через р — n -переход, от величины приложенного напряжения к полупроводниковому диоду, называется вольтамперной характеристикой р — n -перехода или BAX (рис. 3). Ha рисунке даны прямая и обратная характеристики при t = 20°С в разных масштабах.

Теория дает следующее выражение для тока, протекающего через р—n- переход:

, (4)

где I₀ — ток насыщения, обусловленный неосновными носителями

заряда;

e — заряд электрона;

k — постоянная Больцмана;

U_вн — величина приложенного к полупроводниковому

диоду напряжения смещения;

T — абсолютная температура.

При обратном смещении диффузионный ток электронов и дырок уменьшается в раз и поэтому:

I_обр=I₀. (5)

При прямом смещении током неосновных носителей заряда можно пренебречь и поэтому

. (6)

Приборы и принадлежности: лабораторная установка ФПК-06 с панелью с 3-мя полупроводниковыми диодами.

Задание к лабораторной работе

1. Снять вольтамперную характеристику (BAX) предложенного преподавателем полупроводникового диода. Измерения провести при комнатной температуре. Снятие характеристики провести в определенных пределах изменения напряжения:

при прямом смещении — до напряжения смещения 0,9 В;

при обратном смещении измерения провести до напряжения смещения »28 B.

2. Построить график зависимости тока от приложенного к полупроводниковому диоду напряжения и отдельно начертить прямую и обратную ветви вольтамперной характеристики р — n -перехода.

3. Построить для прямого тока график зависимости ln I = f(U) и убедиться, что BAX полупроводникового диода в прямом направлении носит экспоненциальный характер (U_прям £ 0,6 В). Результаты расчетов ln I _прям занести в табл.2.

4. Bсe записи первичных измерений и расчеты записываются студентом непосредственно без какой-либо обработки. Полученные результаты представляются преподавателю в виде таблиц и графиков.

Таблица 1

Таблица 2