Исследование полупроводникового диода

Волжский 2013

1. Цель работы

Изучить устройство и принцип действия полупроводникового диода, снять вольт-амперную характеристику диода.

2. Теоретические основы работы

2.1 Общие сведения о полупроводниках

Полупроводниками называют вещества, удельная прово­димость которых имеет промежуточное значение между удельными проводимостями металлов и диэлектриков. По­лупроводники одновременно являются плохими проводни­ками и плохими диэлектриками. Граница между полупро­водниками и диэлектриками условна, так как диэлектрики при высоких температурах могут вести себя как полупро­водники, а чистые полупроводники при низких температу­рах ведут себя как диэлектрики. В металлах концентрация электронов практически не зависит от температуры, а в по­лупроводниках носители заряда возникают лишь при повы­шении температуры или при поглощении энергии от друго­го источника.

Типичными полупроводниками являются углерод (С), гер­маний (Ge) и кремний (Si). Кремний является наибо­лее широко используемым полупроводниковым материалом.

Рассмотрим подробнее образование электронов проводимо­сти в полупроводниках на примере кремния. Атом кремния имеет порядковый номер Z = 14 в периодической системе Менделеева. Поэтому в состав его атома входят 14 электро­нов. Однако только четыре из них находятся на незаполнен­ной внешней оболочке и являются слабо связанными. Эти элек­троны называются валентными и обусловливают четыре ва­лентности кремния. Атомы кремния способны объединять свои валентные электроны с другими атомами кремния с помощью так называемой ковалентной связи (рис. 1). При ковалентной связи валентные электроны совместно используются раз­личными атомами, что приводит к образованию кристалла.

Рис. 1

При повышении температуры кристалла тепловые коле­бания решетки приводят к разрыву некоторых валентных связей. В результате этого часть электронов, ранее участво­вавших в образовании валентных связей, отщепляется и ста­новится электронами проводимости. При наличии электри­ческого поля они перемещаются против поля и образуют элек­трический ток.

Однако при освобождении электрона в кристаллической решетке образуется незаполненная межатомная связь. Та­кие «пустые» места с отсутствующими электронами связи получили название «дырок». Возникновение дырок в крис­талле полупроводника создает дополнительную возможность для переноса заряда. Действительно, дырка может быть за­полнена электроном, перешедшим под действием тепловых колебаний от соседнего атома, В результате на этом месте будет восстановлена нормальная связь, но зато в другом ме­сте появится дырка. В эту новую дырку в свою очередь мо­жет перейти какой-либо из других электронов связи и т.д. Последовательное заполнение свободной связи электронами эквивалентно движению дырки в направлении, противопо­ложном движению электронов. Таким образом, если при наличии электрического поля электроны перемещаются про­тив поля, то дырки будут двигаться в направлении поля, т.е. так, как двигались бы положительные заряды. Следователь­но, в полупроводнике имеются два типа носителей тока - электроны и дырки, а общая проводимость полупроводника является суммой электронной проводимости (n-типа, от сло­ва negative)и дырочной проводимости (р-типа, от слова positive).

Наряду с переходами электронов из связанного состояния в свободное существуют обратные переходы, при которых электрон проводимости улавливается на одно из вакантных мест электронов связи. Этот процесс называют рекомбина­цией электрона и дырки, В состоянии равновесия устанавливается такая концентрация электронов (и равная ей кон­центрация дырок), при которой число прямых и обратных переходов в единицу времени одинаково.

Рассмотренный процесс проводимости в чистых полупро­водниках называется собственной проводимостью. Собствен­ная проводимость быстро возрастает с повышением темпе­ратуры, и в этом существенное отличие полупроводников от металлов, у которых с повышением температуры проводи­мость уменьшается. Все полупроводниковые материалы име­ют отрицательный температурный коэффициент сопротив­ления.

Чистые полупроводники являются объектом главным образом теоретического интереса. Основные исследования полупроводников связаны с влиянием добавления примесей в чистые материалы.

Чистые полупроводниковые материалы, такие как герма­ний и кремний, содержат при комнатной температуре неболь­шое количество электронно-дырочных пар и поэтому могут проводить очень маленький ток. Для увеличения проводи­мости чистых материалов используется легирование.

Легирование - это добавление примесей в полупроводни­ковые материалы. Используются два типа примесей. Приме­си первого типа - пятивалентные - состоят из атомов с пя­тью валентными электронами, например, мышьяк и сурьма. Примеси второго типа - трехвалентные - состоят из атомов с тремя валентными электронами, например, индий и галлий.

Когда чистый полупроводниковый материал легируется пятивалентным материалом, таким как мышьяк (As), то не­которые атомы полупроводника замещаются атомами мы­шьяка (рис. 2).

 

Рис. 2

Атом мышьяка вводит четыре своих валентных электро­на в ковалентные связи с соседними атомами. Его пятый электрон слабо связан с ядром и легко может стать свободным. Атом мышьяка называется донорским, поскольку он отдает свой лишний электрон. В легированном полупровод­никовом материале находится достаточное количество донорских атомов, а следовательно, и свободных электронов для поддержания тока.

При комнатной температуре количество дополнительных свободных электронов превышает количество электронно-дырочных пар. Это означает, что в материале больше элект­ронов, чем дырок. Поэтому электроны называют основными носителями. Дырки называют неосновными носителями. По­скольку основные носители имеют отрицательный заряд, та­кой материал называется полупроводником n-типа.

Когда полупроводниковый материал легирован трехвален­тными атомами, например атомами индия (In), то эти атомы разместят свои три валентных электрона среди трех сосед­них атомов (рис. 3).

Рис. 3

Это создаст в ковалентной связи дырку. Наличие допол­нительных дырок позволит электронам легко дрейфовать от одной ковалентной связи к другой. Так как дырки легко принимают электроны, атомы, которые вносят в полупровод­ник дополнительные дырки, называются акцепторными. При обычных условиях количество дырок в таком мате­риале значительно превышает количество электронов. Сле­довательно, дырки являются основными носителями, а элек­троны - неосновными. Поскольку основные носители имеют положительный заряд, материал называется полупроводни­ком р-типа.

Полупроводниковые материалы n- и р-типов имеют значительно более высокую проводимость, чем чистые полупроводники. Эта проводимость может быть увеличена или умень­шена путем изменения количества примесей. Чем сильнее полупроводниковый материал легирован, тем меньше его электрическое сопротивление.

Контакт двух полупроводников с различными тинами про­водимости называется р-n-переходом и обладает очень важ­ным свойством - его сопротивление зависит от направле­ния тока. Отметим, что такой контакт нельзя получить, при­жимая друг к другу два полупроводника, р-n-переход созда­ется в одной пластине полупроводника путем образования в ней областей с различными типами проводимости. Методы получения р-n-переходов описаны ниже.

Итак, в куске монокристаллического полупроводника на границе между двумя слоями с различного рода проводимостями образуется р-n-переход. На ней имеет место значи­тельный перепад концентраций носителей зарядов. Концен­трация электронов в n-области во много раз больше их кон­центрации в р-области. Вследствие этого электроны диффун­дируют в область их низкой концентрации (в р-область). Здесь они рекомбинируют с дырками и таким путем созда­ют пространственный отрицательный заряд ионизированных атомов акцептора, не скомпенсированный положительным зарядом дырок.

Одновременно происходит диффузия дырок в n-область. Здесь создается не скомпенсированный зарядом электронов пространственный положительный заряд ионов донора. Та­ким образом, на границе создается двойной слой пространственного заряда (рис. 4, а), обедненный основными носи­телями тока. В этом слое возникает контактное электричес­кое поле Е_к, препятствующее дальнейшему переходу элект­ронов и дырок из одной области в другую.

Контактное поле поддерживает состояние равновесия на определенном уровне. Но и в этом случае под действием тепла небольшая часть электронов и дырок будет продол­жать проходить через потенциальный барьер, обусловленный пространственными зарядами, создавая ток диффузии. Одна­ко одновременно с этим под действием контактного поля не­основные носители заряда р - и n-областей (электроны и дыр­ки) создают небольшой ток проводимости. В состоянии рав­новесия эти токи взаимно компенсируются.

Рис. 4

Если к р-n-переходу подключить внешний источник тока, то напряжение указанной на рис, 4, б обратной полярно­сти приведет к появлению внешнего поля E,совпадающего по направлению с контактным полем Е_к . В результате ши­рина двойного слоя увеличится и тока за счет основных но­сителей практически не будет. В цепи возможен лишь не­значительный ток за счет неосновных носителей (обратный). При включении напряжения прямой полярности направ­ление внешнего поля противоположно направлению контак­тного поля (рис. 4, в). Ширина двойного слоя уменьшится, и в цепи возникнет большой прямой ток I. Таким образом, p-n-переход обладает ярко выраженной односторонней про­водимостью.

2.2 Общие сведения о полупроводниковых диодах

Диод – двухэлектродный полупроводниковый прибор (ППП) с одним p–n- переходом, обладающий односторонней проводимостью тока. Работа диода объясняется свойствами электрического p–n- перехода.

Вблизи границы двух полупроводников образуется слой, лишенный подвижных носителей заряда (из-за рекомбинации) и обладающий высоким электрическим сопротивлением, – так называемый запирающий слой. Этот слой определяет контактную разность потенциалов (потенциальный барьер). Если к p–n -переходу приложить внешнее напряжение, создающее электрическое поле в направлении, противоположном полю электрического слоя, то толщина этого слоя уменьшится и при напряжении 0,4…0,6 В запирающий слой исчезнет, а ток существенно возрастет (этот ток называют прямым). При подключении внешнего напряжения другой полярности запирающий слой увеличится и сопротивление p–n- перехода возрастет, а ток, обусловленный движением неосновных носителей заряда, будет незначительным даже при сравнительно больших напряжениях.

Прямой ток диода создается основными, а обратный – неосновными носителями заряда. Положительный (прямой) ток диод пропускает в направлении от анода к катоду.

На рис. 5 показаны условное графическое обозначение диода, его идеальная и реальная вольт-амперная характеристики (ВАХ). Видимый излом ВАХ в начале координат связан с различными масштабами токов и напряжений в первом и третьем квадранте графика. Два вывода диода: анод А и катод К в условном графическом обозначении не указываются и на рисунке показаны для пояснения.

На ВАХ реального диода обозначена область электрического пробоя, когда при небольшом увеличении обратного напряжения ток резко возрастает. Если обратный ток превысит определенное значение, то электрический пробой перейдет в необратимый тепловой с выходом прибора из строя.

Промышленностью в основном выпускаются германиевые (Ge) и кремниевые (Si) диоды. Кремниевые диоды обладают малыми обратными токами, более высокой рабочей температурой (150…200 °С против 80…100 °С), выдерживают большие обратные напряжения и плотности тока (60…80 А/см² против 20…40 А/см²). Кроме того, кремний – широко распространенный элемент (в отличие от Ge, который относится к редкоземельным элементам).

К преимуществам Ge -диодов можно отнести малое падение напряжения при протекании прямого тока (0,3…0,6 В против 0,8…1,2 В).

Кроме названных полупроводниковых материалов, в сверхвысокочастотных цепях используют арсенид галлия GaAs.

3. Ход работы

Собрать электрическую схему

Подать напряжение и измерить токи через диод. Данные занести в таблицу 1

Таблица 1

Uпр, В	I, мА
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8

Группа…………… Студент ………………….. Преподаватель…………………...

Приложить к диоду обратное напряжение

Таблица 2
Uобр, В	I, мкА

Построить вольт-амперную характеристику диода

Группа…………… Студент ………………….. Преподаватель…………………...

2. Собрать схему и измерить токи через диоды:

U = 0,9 В

	R = 62 Ом
I1, мА		I1, мА
I2, мА		I2, мА

Группа…………… Студент ………………….. Преподаватель…………………...

Дата добавления: 2015-05-09