Лабораторная работа № 1.44

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ НА ХАРАКТЕРИСТИКИ ПОЛУПРОВОДНИКОВОГО ДИОДА.

Цель работы:Исследовать вольт-амперную характеристику диода или стабилитрона и определить параметры полупроводникового диода.

Теоретический минимум.

1.

Рис.1

Эти два слоя разделены плоской и резкой границей, по обе стороны которой спонтанно формируется область шириной , практически не содержащая носителей тока – дырок в р-слое и свободных электронов в n-слое. Проводимость ее очень мала. Она называется р-n-переходом (или электронно-дырочным переходом) и является основным элементом полупроводникового диода.

Получение p-n перехода.

В кристалл четырехвалентного Ge (либо Si) вводят примесные атомы: акцепторы (трехвалентный индий, бор) для получения р-слоя, доноры (пятивалентный мышьяк, фосфор или сурьма) для получения n-слоя. Концентрация примеси мала (порядка 10^-5 – 10^-7%). Ее атомы размещаются в узлах кристалла достаточно далеко друг от друга, чтобы, не испытывая взаимного влияния.

Примесь и зонная теория.

Если введение примеси увеличивает количество свободных электронов в полупроводнике, то примесь называется донорной. Для кремния (Si) и германия (Ge), которые являются основными материалами изделий электронной техники и являются элементами IV группы таблицы Менделеева, донорами являются элементы V группы. Чаще всего в качестве доноров используются фосфор (P) или мышьяк (As). Атомы доноров имеют на внешней (валентной) оболочке на один электрон больше, чем атомы полупроводника. У донора, вошедшего в состав кристаллической решетки полупроводника, четыре внешних электрона вступают в устойчивую ковалентную связь с внешними электронами четырех соседних атомов полупроводника, а пятый электрон может сравнительно легко покинуть атом и стать свободным (рис. 1a). Атом примеси при этом превращается в положительно заряженный ион.

С точки зрения зонной теории введение донорной примеси означает, что внутри запрещенной зоны у дна зоны проводимости появляется некоторое количество дополнительных энергетических уровней, первоначально заполненных электронами (рис. 1b)..

Рис. 1 Рис. 2

Эти уровни называются донорными, их число соответствует числу атомов примеси.Уже при комнатной температуре донорные уровни остаются практически свободными: в результате теплового переброса электроны уходят с них в зону проводимости. Таким образом, число электронов в зоне проводимости (т.е. электронов, способных участвовать в токе) увеличивается на величину, равную числу ионизированных атомов примеси, что приводит к увеличению проводимости полупроводника. Полупроводники с донорной примесью называются полупроводниками п-типа. Они обладают электронной проводимостью, т.к. основными носителями тока являются электроны, перешедшие в зону проводимости (свободные электроны). Число таких электронов значительно больше числа дырок – неосновных носителей, которые возникают в валентной зоне в результате теплового перехода электронов из валентной зоны в зону проводимости (рис. 1b). Если введение примеси в полупроводник увеличивает количество дырок, то такая примесь называется акцепторной. Для кремния и германия акцепторами являются элементы III группы таблицы Менделеева. Чаще всего используется бор (B). Атомы акцепторов содержат на валентной оболочке на один электрон меньше, чем атомы полупроводника. Поэтому, входя в кристаллическую решетку, акцепторный атом будет стремиться захватить валентный электрон у соседнего атома полупроводника, превращаясь в отрицательно заряженный ион (рис. 2a). С точки зрения зонной теории введение акцепторной примеси означает, что в запрещенной зоне вблизи верхнего края валентной зоны возникают дополнительные свободные от электронов акцепторные уровни (рис. 2b). Эти уровни заполняются электронами из валентной зоны полупроводника. В валентной зоне образуются дырки, имеющие положительный заряд. Таким образом, число дырок в таком полупроводнике увеличивается на число ионизированных атомов примеси, что приводит к увеличению дырочной проводимости полупроводника.

Полупроводники с акцепторной примесью называются полупроводниками p-типа. Основными носителями в них являются дырки, а неосновными – электроны, перешедшие из валентной зоны в зону проводимости (рис. 2b).

Приведем полупроводники п- и р-типа в соприкосновение друг с другом. В первое мгновение из-за различия концентраций основных носителей через границу раздела будет идти диффузия электронов из полупроводника п-типа в полупроводник р-типа и дырок – во встречном направлении (рис. 3a). Электроны, попадая в p-полупроводник, рекомбинируют (объединяются) с находящимися там дырками, образуя нейтральные атомы полупроводника. Аналогично, дырки, попадая в n-полупроводник, рекомбинируют с находящимися там электронами, образуя нейтральные атомы. В результате, в p-области из-за рекомбинации и ухода дырок остается нескомпенсированный отрицательный заряд неподвижных ионов акцепторной примеси, а в n-области из-за рекомбинации и ухода электронов обнажается положительный заряд ионов донорной примеси (рис. 3b). Образовавшийся по обе стороны от стыка полупроводников двойной электрический слой называется р-п-переходом. Он имеет очень малую толщину (0,1¸1 мкм) и создает электрическое поле с контактной разностью потенциалов , препятствующее дальнейшей диффузии основных носителей.

электрона).

Рис. 3

Зонная теория описывает процесс формирования p-n-перехода выравниванием уровней Ферми и для обоих полупроводников (рис. 3c,d). При этом все энергетические уровни донорного полупроводника понижаются, а акцепторного повышаются[1]. В результате, в области p-n-перехода энергетические зоны искривляются, и возникают потенциальные барьеры как для электронов, так и для дырок. Высота потенциального барьера определяется первоначальной разностью положений уровня Ферми в обоих полупроводниках и составляет (e – заряд На рис. 4 потенциальные барьеры показаны в виде потенциальных кривых – изменения потенциальной энергии электронов (сплошная кривая) и дырок (пунктирная кривая) в области p-n-перехода. При отсутствии внешнего электрического напряжения (рис. 4a) устанавливается такая высота потенциального барьера, при которой полный ток через переход равен нулю. Небольшой ток неосновных носителей, которые свободно скатываются с потенциальной «горки», компенсируется равным и противоположным по направлению током основных носителей, которым приходится подниматься «в гору».

Рис. 4

Внешнее электрическое поле изменяет высоту потенциального барьера и нарушает равновесие потоков носителей тока через него. Если положительный потенциал приложен к p-области (рис. 4b), то внешнее поле (напряженность ) направлено против контактного (напряженность ), т.е. потенциальный барьер понижается. В этом случае возрастает число основных носителей, способных преодолеть потенциальный барьер, и через переход течет ток в направлении p→n (прямой ток). Величина его резко возрастает с ростом приложенного напряжения. Наоборот, приложение положительного потенциала к n-области (рис. 4c) приводит к повышению потенциального барьера ( и сонаправлены). При этом диффузия основных носителей через переход уменьшается. В то же время потоки неосновных носителей не изменяются, поскольку для них барьера не существует. В результате, через переход течет малый ток в направлении n→p (обратный ток). С увеличением приложенного напряжения величина тока стремится к насыщению, т.е. ток почти не зависит от напряжения.

На рис. 5 показана вольтамперная характеристика р-п-перехода (зависимость силы тока I от приложенного напряжения U). Нелинейность характеристики при положительных значениях напряжения объясняется тем, что при прямом включении (рис. 4b) внешнее электрическое поле «прижимает» основные носители к границе раздела и ширина р-п-перехода уменьшается. Соответственно уменьшается сопротивление перехода, причем тем сильнее, чем больше напряжение. Отрицательная ветвь на рис. 5 соответствует обратному включению р-п-перехода (рис. 4с) и характеризуется увеличением его сопротивления при увеличении напряжения (растет ширина р-п-перехода). Однако при очень большом обратном напряжении сила тока резко возрастает (сопротивление перехода резко падает), что обусловлено электрическим пробоем перехода.

Рис. 5 Рис. 6

Неодинаковость сопротивления в прямом и обратном направлении позволяет использовать р-п-переходы для выпрямления переменного тока.На этом свойстве р-п-перехода основана работа полупроводниковых диодов. На рис. 6 схематически показано устройство современного полупроводникового диода. В монокристалл кремния п-типа вводится небольшой шарик индия, создающий акцепторную примесь. Вблизи спая кремния с индием кристалл приобретает проводимость р-типа, а на некотором расстоянии от спая образуется р-п-переход. Все устройство помещается в прочный герметичный корпус. Важнейшими характеристиками диода являются его прямое и обратное сопротивления.

Статические сопротивления:

(9)

Динамические сопротивления:

(10)

Динамические сопротивления проявляются при подключении к диоду источников переменного напряжения и используются для расчета цепей переменного тока.

МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА.

Схема экспериментальной установки

Для исследования и построения ВАХ полупроводникового диода схема экспериментальной установки имеет два варианта. В случае прямого подключения (рис.7). (ГТ – генератор тока и напряжения) В схеме кроме исследуемого диода имеется входное сопротивление а также вольтметры и амперметры.

При подключении обратной схемы просто поменяйте «+»и «–» у генератора.

Работа будет проводиться на блочной установке.В нее входят.

Блок амперметра-вольтметра АВ1- блок цифрового амперметра-вольтметра предназначен для измерения в данной работе постоянной силы тока и напряжения (см. фотографию слева).

Блок генераторов напряжений ГН3, предназначенный для генерации постоянных напряжений с регулируемыми уровнями (см фотографию справа). Стенд с объектами исследования типа С3-ТТ2 , представленный на фотографии ниже. Стенд позволяет регулировать температуру, измерять характеристики диода и стабилитрона.

Задание к работе

1. Перед выполнением работы изучить теоретический минимум описания.

2. Получить данные для построения прямой ветви ВАХ, задаваясь разными значениями напряжения на ГТ и измеряя соответствующие значения прямого тока на диоде (диапазон значений выяснить у преподавателя).

3. Исследовать при заданном значении прямого напряжения зависимость обратного тока диода от температуры.

4. Получить данные для построения обратной ветви ВАХ, задаваясь разными значениями обратного напряжения на ГН и измеряя соответствующие значения обратного тока диода.

5. Исследовать при заданном значении обратного напряжения зависимость обратного тока диода от температуры .

6. Построить в компьютере график, выбирая соответствующие масштабы тока и напряжения на осях координат, ВАХ для прямой и обратной ветвей для различных значений температуры.

7. С помощью ВАХ (для участков, близких к прямолинейным) определить статические и динамические сопротивления диода.

Контрольные вопросы

1. Устройство полупроводникового диода.

2. Прямое и обратное включение диода, охарактеризовать прямое и обратное напряжения, прямой и обратный ток диода.

3. Выбор измерительных приборов для схем прямого и обратного включения диода. ВАХ полупроводникового диода.

4. Охарактеризовать температурные зависимости прямого и обратного токов диода, рабочий диапазон температур.

5. Прямое и обратное смещения р-n-перехода, энергетические зонные диаграммы.

6. Причины образования прямого и обратного токов через р-n-переход, инжекция и экстракция носителей тока.

7. Чем отличаются ВАХ и температурные характеристики германиевого и кремниевого диодов.

8. Выпрямляющее действие диода.

Поиск по сайту: