Властивості електронно-діркового переходу

Розглянемо процеси на межі двох напівпровідниківізз різним типом провідності (рис. 8.9). Оскільки концентрація вільних електронів в n -області більша, ніж у р -області, то електрони дифундують через контакт у бік р -області. У зворотному напрямку дифунду­ють дірки. Потрапляючи в область із протилежною провідністю, електрони рекомбінують із дірками, і поблизу контакту спостерігається зменшення концентрації вільних електронів і дірок. Оскільки атомні залишки в n -області заряджені позитивно, а в р -області – негативно, то в n -області біля межі накопичується позитивний заряд, а в р -області – негативний. Утворюється так званий p - n перехід. Це призводить до виникнення між напівпровідниками p - і n -типу контактної різниці потенціалів (потенціального бар’єру), яка перешкоджає подальшому переміщенню через межу основних носіїв струму – електронів з n -області й дірок із р -області.

У той же час електричне поле, що утворюється на межі, стимулює рух через p - n перехід неосновних носіїв струму. У відсутності зовнішнього електричного поля повний струм через p - n перехід дорівнює нулю завдяки динамічній рівновазі, що встановлюється на межі, коли середня кількість зарядів, які рухаються проти поля врівноважується зарядами, що проходять межу в протилежному напрямку.

Дослідним шляхом було встановлено, що в деяких випадках контакт двох напівпровідників має властивість проводити електричний струм переважно в одному напрямку.

Підключимо розглянуту систему напівпровідників до електричного поля так, щоб зовнішня різниця потенціалів зменшувала контактну (прямий напрямок рис. 8.10, а).

Рис. 8.10. Електронно-дірковий перехід при прямій і оберненій напрузі

 

У цьому випадку зменшується висота потенціального бар’єру для основних носіїв струму. Зовнішнє електричне поле “притискує” основні носії струму до границі, через що ширина p - n переходу зменшується. Відповідно зменшується опір p - n переходу – тим більше, чим більша зовнішня напруга. Через p - n перехід іде струм, обумовлений рухом основних носіїв струму, сила якого зі збільшенням напруги зростає за експоненціальним законом.

Зміна полярності зовнішньої батареї (обернений напрямок рис. 8.10, б) призводить до збільшення висоти потенціального бар’єру для основних носіїв струму. Зовнішнє електричне поле “відтягує” основні носії струму від границі, внаслідок чого ширина p - n переходу і його опір збільшуються. Основні носії не можуть подолати потенціального бар’єру. В той же час потік неосновних носіїв струму не змінюється (для них бар’єру не існує). Через p - n перехід проходить невеликий струм І _н (струм насичення), сила якого майже не залежить від напруги.

Таким чином, p - n перехід має властивість односторонньої провідності, тому може бути використаний для випрямлення змінного струму.

На електричних властивостях p–n переходу основана робота сучасних напівпровідникових діодів. Напівпровідниковий діод являє собою конструктивно оформлений p–n перехід з металевими контактами, які необхідні для підключення його в електричне коло. Анодом діода є напівпровідник р- типу, а катодом – напівпровідник n -типу. Полярність прикладеної до діода напруги в прямому напрямку показана на рис. 8.11 (до р -області прикладається (+), а до n- області (-)). При такій полярності ширина і опір запірного шару p–n переходу зменшуються і діод пропускає електричний струм. При зміні полярності, навпаки, ширина і опір запірного шару збільшуються. В оберненому напрямку струм через діод практично не проходить.

 

Рис. 8.11. Пряме підключення напівпровідникового діода

 

Залежність сили струму через p - n перехід від прикладеної напруги як в прямому, так і в оберненому напрямках називається вольт-амперною характеристикою напівпровідникового діода (ВАХ). Залежність І = f (U), тобто, ВАХ для одного з діодів зображена на рис. 8.12.

Необхідно звернути увагу на те, що графіки прямої і оберненої вітки ВАХ зазвичай мають різні масштаби для осей ординат і абсцис. Це обумовлено значною різницею в значеннях прямих і зворотних струмів, а також допустимих величин прямої і зворотної напруги. Так, при прямому включенні, струм через р-n -перехід із збільшенням напруги різко зростає. При збільшенні оберненої напруги величина оберненого струму в певних межах залишається величиною практично сталою.

З рис. 8.12 видно, що при порівняно невеликих напругах, прикладених в прямому напрямку (U_пр = 0,1… 0,3В), сила струму через діод в десятки тисяч разів більша, ніж при великих напругах, прикладених в оберненому напрямку (U_об =10…90 В). Саме ця властивість використовується для випрямлення змінного струму.

 

Uоб, В 90 80 70 60 50 40 30 20 10

 

Рис. 8.12. Вольт-амперна характеристика напівпровідникового діода

 

Схема установки

На рис. 8.13 показані схеми дослідження прямої і оберненої вітки ВАХ діода.

 

 

а) б)

Рис. 8.13. Схема прямого (а) та оберненого (б) підключення діода

На рис. 8.13,а показана схема дослідження прямої вітки ВАХ діода. Анод діода (р- область) підключається до (+) джерела струму, а катод (n- область) – до (-) джерела. Величину прикладеної напруги можна змінювати реостатом і вимірювати її за допомогою вольтметра . Величина прямого струму, що протікає через діод, вимірюється міліамперметром .

На рис. 8.13,б показана схема дослідження оберненої вітки ВАХ діода. Тепер полярність підключення діода змінюється – на анод (р- область) подається від’ємний, а на катод (n- область) додатний потенціал.

Для вимірювання оберненої напруги використовується вольтметр , а сила струму вимірюється за допомогою мікроамперметра .

За допомогою перемикача «Полярність», на панелі лабораторної установки (рис. 8.14), здійснюється або пряме, або обернене підключення діода для дослідження прямої або оберненої вітки ВАХ діода.

Зображення лабораторної установки показано на рис. 8.14.

 

Рис. 8.14.Лабораторна установка по дослідженню ВАХ напівпровідникового діода

1- реостат; 2 – вольтметр; 3 – джерело струму; 4 – міліамперметр; 5 – вимикач живлення; 6 – мікроамперметр; 7 – діод; 8 – перемикач полярності діода; 9 – додатковий резистор

Завдання роботи

1. Експериментально дослідити вольтамперну характеристику напівпровідникового діода. Побудувати графічні залежності та .

2. Визначити залежність опру діода постійному струму в залежності від прикладеної до нього напруги. Побудувати графічні залежності та .

 

Виконання роботи