P-n переход в полупроводниках

ВОЛЬТ-АМПЕРНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ p-n ПЕРЕХОДОВ

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЕ №32
ПО ФИЗИКЕ

(Раздел "Оптика")

Ростов-на-Дону
2011

Составители: к.ф.-м.н., доц. С.М. Максимов,

к.ф.-м.н., доц. Н.В. Пруцакова,

к.х.н., доц. А.Я.Шполянский

УДК 535.21/075.6

Физические основы работы полупроводникового диода. Метод. указания. - Ростов н/Д: Издательский центр ДГТУ, 2011. - 10 с.

В краткой форме рассмотрены процессы, протекающие в p-n переходе полупроводникового диода.

Методические указания предназначены для студентов инженерных специальностей всех форм обучения в лабораторном практикуме по физике (раздел «Оптика») и ФОИ.

Печатается по решению методической комиссии факультета
«Н и КМ»

Научный редактор к.ф.-м.н., проф. Наследников Ю.М.

Цель работы:

1. Ознакомление с принципом работы полупроводникового диода и стабилитрона.

2. Исследование вольтамперных характеристик полупроводникового диода и стабилитрона.

Приборы и принадлежности: установка для снятия вольтамперных характеристик полупроводниковых диодов.

Краткая теория

P-n переход в полупроводниках

Полупроводниками (п.п.) называют широкий класс веществ, которые по электропроводности занимают промежуточное место между металлами и изоляторами. Характерной особенностью полупроводников, отличающей их от металлов, является экспоненциальный рост электропроводности при повышении температуры.

Большинство полупроводниковых приборов изготавливается на основе четырехвалентных германия (Ge) и кремния (Si). В зависимости от типа примеси полупроводник может обладать электронной (n - типа) или дырочной (p - типа) проводимостью. Проводимость n - типа достигается введением в п.п. донорной примеси (для Ge и Si это пятивативалентные элементные - сурьма, мышьяк, фосфор),
а p - типа - введением акцепторной примеси (для Ge и Si это трехвалентные элементы - индий, бор, галлий, алюминий).
Наряду с основными носителями заряда (электронами в п.п. n - типа и дырками в п.п. p - типа) в п.п. всегда присутствуют и, так называемые, неосновные носители. Это дырки в п.п. n - типа и электроны
в п.п. p - типа.Концентрация неосновных носителей в области рабочих температур п.п. приборов, как правило, значительно меньше концентрации основных носителей.

Полупроводниковый диод представляет собой контакт двух полупроводников с различным типом проводимости.
Такой контакт получил название p-n перехода.

При формировании p-n перехода под влиянием разности концентраций дырки из p -области диффундируют в n -область, а электроны, соответственно, из n -области в p -область. Дырки, перешедшие в n -область, рекомбинируют (т.е., объединяются с электронами) вблизи границы p-n перехода, а соответственно, электроны, перешедшие в p -область, рекомбинируют с дырками. Вследствие этого пограничный слой p-n перехода обедняется носителями заряда - электронами и дырками и возникает пограничная область повышенного сопротивления. При этом атомы донорной примеси, от которых ушли электроны, становятся положительно заряженными ионами, а атомы акцепторной примеси - отрицательно заряженными ионами. В результате, на границе полупроводников p - и
n - типа возникает область двойного пространственного заряда (рис.1а).

Рис. 1. Модель p-n перехода и потенциальный барьер в случаях:
а) p-n переход без внешнего смещения;

б) p-n переход, смещенный в обратном (запорном) направлении;

в) p-n переход, смещенный в прямом (пропускном) направлении.

Образующаяся при этом разность потенциалов U₀ вызывает появление внутреннего электрического поля с напряженностью E₀=U₀/d₀, где d₀ -ширина области перехода. Как следует из рис.1,а, внутреннее поле в переходе препятствует дальнейшему взаимному
″перемешиванию″ дырок и электронов. Когда разность потенциалов в p-n переходе достигает значения U₀, а напряженность электрического поля - значения E₀, ток, вызванный движением основных носителей заряда (электроны n -области и дырки p -области), прекращается. Такое состояние p-n перехода называется равновесным, а внутренняя разность потенциалов U₀ - равновесной разностью потенциалов.
В верхней части рисунка 1,а равновесная разность потенциалов для наглядности представлена в виде потенциального барьера прямоугольной формы, который препятствует движению основных носителей заряда (как дырок, так и электронов) и имеет высоту U₀. Сопротивление обедненного слоя шириной d₀ оказывается даже большим, чем у химически чистого полупроводника, у которого при комнатной температуре имеется вполне определенная концентрация носителей заряда.

В зависимости от полярности внешнего напряжения, приложенного к переходу, толщина слоя, обладающего большим сопротивлением, будет меняться. Если к p-n переходу приложить напряжение в обратном направлении (U<0) (рис.1,б), то величина потенциального барьера увеличится до значения U + U₀, в результате чего ширина обедненного слоя возрастет до d₁>d₀. В этом случае через переход будет протекать в обратном направлении малый ток (порядка нескольких микроампер). Этот ток называют обратным. Наличие обратного тока связано с тем, что в полупроводнике p или n- типа всегда имеется небольшое количество носителей зарядов другого знака, которые слабо влияют на его электрические свойства. Эти заряды, как это отмечалось ранее, называются неосновными (их наличие связано с собственной проводимостью полупроводников) и их концентрацию, в отличие от концентрации основных носителей n_n и p_p, принято обозначать через n_p и p_n. Электрическое поле барьера, при указанной полярности приложенного напряжения, способствует передвижению неосновных носителей через p-n переход.
При приложении к переходу напряжения в прямом направлении (U>0), высота барьера и ширина области с большим сопротивлением уменьшаются до значений, соответственно U₀-U и d₂<d₀. Теперь основные носители уже сравнительно легко могут преодолевать потенциальный барьер. Такое состояние перехода характеризуется малым сопротивлением и большим током, равным сумме дырочной и электронной составляющих, связанных с основными носителями заряда (рис.1,в).

Таким образом, сопротивление p-n перехода мало в прямом направлении и велико в обратном (прямое сопротивление
p-n перехода порядка 0,1-100 Ом, а обратное равно 10⁵-10⁷ Ом).

На этом свойстве основано его применение в качестве выпрямителя переменного тока. Устройства, выполняющие эти функции, получили название полупроводниковых диодов. Вольтамперная характеристика (ВАХ) п.п. диода представлена на рис.2.

Рис. 2. Типичная вольтамперная характеристика p-n перехода

Пробой p-n перехода

С ростом обратного напряжения может наступить пробой p-n перехода. При этом ток и проводимость в обратном направлении резко возрастают. Различают три основных вида пробоя, два из которых являются следствием чрезмерно большого электрического поля в переходе, третий связан с тепловыми явлениями. Вольт - амперные характеристики (ВАХ) туннельного - 1, лавинного - 2 и теплового - 3 пробоев представлены на рис.3.

Рис. 3 Обратные ветви ВАХ p-n перехода в области пробоя

Через I_s обозначен обратный ток насыщения. Обратная ветвь здесь изображена в сильно увеличенном масштабе, поэтому в начале координат имеет место ″излом″ характеристики.

Все рассмотренные виды пробоев являются обратимыми, т.е. диод может оставаться работоспособным после пробоя, если средняя мощность, выделяемая в переходе, не превысит максимально допустимую, при которой начинают происходить необратимые изменения в кристаллической структуре полупроводника, характерные для теплового пробоя. Максимальная мощность рассеивания указывается в паспорте полупроводникового прибора.

Стабилитроны. ВАХ стабилитрона

Стабилитрон - полупроводниковый диод, предназначенный для стабилизации, то есть поддержания неизменным, уровня постоянного напряжения. На его вольтамперной характеристике имеется участок, где напряжение почти не зависит от величины протекающего тока. Таким является участок электрического пробоя, где ток изменяется в широком диапазоне, не допускающем перехода в необратимый тепловой пробой. Так как участок электрического пробоя – это обратное напряжение, то стабилитрон работает на обратной ветви ВАХ.

Схема подключения стабилитрона представлена на рис. 4.Резистор R_o подбирается таким, чтобы протекающий через стабилитрон ток I_ст соответствовал среднему (называемому номинальным I_ст.ном) значению тока рабочего режима стабилитрона между I_ст_.min и I_ст_.max_.

Принцип действия стабилитрона: при уменьшении входного напряжения ток через стабилитрон и падение напряжения на R_o тоже уменьшается, но напряжения на стабилитроне и на нагрузке, исходя из вольтамперной характеристики (рис. 5.), остаются постоянными.
При увеличении входного напряжения ток через стабилитрон и U_Ro увеличиваются, а напряжение на нагрузке так же остаётся неизменным. Стабилитрон поддерживает постоянство напряжения при изменении тока через него от значений I_ст_.min до значений I_ст_.max_.

Рис. 4. Схема подключения стабилитрона

Рис. 5. Типичная ВАХ стабилитрона

Описание установки

Лабораторная работа выполняется на установке, принципиальная схема которой представлена на рис. 6, где П₁, П₂ – переключатели, П – потенциометр, A - многопредельный амперметр, V - многопредельный вольтметр.

Рис. 6. Принципиальная схема лабораторной установки

Порядок выполнения работы

1. Получить у лаборанта образец графика для построения ВАХ.

2. С разрешения преподавателя включить в сеть источник питания. Ручка потенциометра должна быть при этом установлена на ″0″.

3. Поставить переключатели П1 и П2 в положения ″Диод″ и ″Прямой ток″.

4. Установить предел измерения токового прибора ″0,5″ А.

5. Снять ВАХ диода в прямом направлении. Для этого, установив
с помощью потенциометра П одно из допустимых значений тока, считывают показания вольтметра и отмечают на подготовленном для построения графика листе точку пересечения значений одновременно измеренных тока I и напряжения U. Устанавливают другое значение тока, считывают соответствующее ему напряжение и ставят следующую точку. Изменяя ток несколько раз (7-9 раз) и через получившиеся точки проводят плавную линию, которая и будет прямой ветвью ВАХ
п.п. диода. Если подобная методика снятия ВАХ вызывает затруднение, можно значения одновременно измеренных тока и напряжения предварительно занести в таблицу,

U,В
I,А

а затем уже по этим данным, с соблюдением масштаба, построить ВАХ, т.е. зависимость I=f(U).

6. Установить предел токового прибора в положение ″50 мкА″.

7. Установить переключатель П2 в положение ″Обратный ток″.

8. Изменяя напряжение (7-9 раз), снять ВАХ диода в обратном направлении (по аналогии с пунктом 5).

9. Установить переключатель П1 в положение ″Стабилитрон″.

10. Установить предел токового прибора в положение ″50мА″.

11. Изменяя напряжение, снять ВАХ стабилитрона в обратном направлении (по аналогии с пунктом 5).
12. Установить переключатель П2 в положение ″Прямой ток″ и, не изменяя предела измерения миллиамперметра, снять прямую ветвь ВАХ стабилитрона (по аналогии с пунктом 5).

13. Построить на одном графике ВАХ диода и стабилитрона.
По графикам определить величину обратного тока диода и величину напряжения стабилизации стабилитрона.

ВНИМАНИЕ! Перед каждым измерением ручка потенциометра должна быть установлена в начальное положение, т.е. на ″0″.

Техника безопасности

1. К работе с установкой допускаются лица, ознакомленные с её устройством и принципом действия.

2. Перед включением установки в сеть убедитесь в целостности изоляции проводников.

3. Включать установку можно только с разрешения преподавателя и в его присутствии.

Контрольные вопросы(для защиты)

1. Какой полупроводник называется донорным?
2. Какой полупроводник называется акцепторным?

3. Какие носители заряда в полупроводнике называются основными, а какие - неосновными?

4. Особенности образования p-n перехода (двойной слой объемного заряда).

5. Почему p-n переход обладает выпрямляющим эффектом?

6. Какие носители заряда в полупроводнике создают прямой ток,
а какие - обратный?

7. Рассказать о различных видах ″пробоя″ p-n перехода.

8. Объяснить принцип работы стабилитрона.

Рекомендуемая литература

1. Федосеев В. Б. Физика. - Ростов н/Д: Феникс, 2009.

2. Савельев И.В. Курс общей физики. (т. 3). СПб.: Лань, 2006.

3. Трофимова Т.И. Курс физики. М.: Высш. шк. 2004.

Редактор А.А.Литвинова

________________________________________________________

В печать

Объём 0,5 усл. п.л. Офсет. Формат 60x84/16.

Бумага тип №3. Заказ №.Тираж 50 экз. Цена свободная

________________________________________________________

Издательский центр ДГТУ

Адрес университета и полиграфического предприятия:

344000, г. Ростов-на-Дону, пл. Гагарина, 1