3728 ИЗУЧЕНИЕ ПОЛУПРОВОДНИКОВОГО ДИОДА

Цель работы: изучить вольт-амперную характеристику полупроводникового диода, провести наблюдение с помощью осциллографа выпрямления диодом переменного тока.

Приборы и принадлежности: макет экспериментальной установки, полупроводниковый диод, источник питания «Электроника», осциллограф С1-158.

 

Элементы теории и метод эксперимента

 

Выпрямление токов, а также усиление напряжений и мощностей можно осуществить с помощью полупроводниковых устройств, называемых полупроводниковыми (или кристаллическими) диодами и триодами.

Основным элементом полупроводниковых приборов является так называемый p-n-переход. Он представляет собой тонкий слой на границе между двумя областями одного и того же кристалла, отличающимися типом примесной проводимости. Отметим, что такой переход нельзя получить, прижимая друг к другу два полупроводника, так как вследствие шероховатости поверхности соприкосновение будет происходить лишь в немногих точках: между ними будут воздушные зазоры, в которых образуются пленки окислов, и переход будет иметь сложное строение.

Для изготовления p-n-перехода берут, например монокристалл из очень чистого германия с электронной проводимостью (обусловленной ничтожными остатками донорной примеси). В вырезанную из кристалла тонкую пластинку вплавляют с одной стороны кусочек элемента-акцептора индия. Во время этой операции, которая осуществляется в вакууме или атмосфере инертного газа, атомы индия диффундируют на некоторую глубину. В той области, в которую проникают атомы индия, проводимость германия становится дырочной, p-n-переход возникает на границе, отделяющей области с различным типом проводимости.

Существуют и другие способы получения p-n-переходов. Получаемые и используемые обычно p-n-переходы являются несимметричными (концентрация дырок в p-области существенно отличается от концентрации электронов в n-области).

Для простоты изложения в дальнейшем будем рассматривать симметричный p-n-переход, основные физические свойства которого не отличаются от свойств несимметричного.

Рассмотрим вначале p-n-переход в отсутствие тока (равновесное состояние p-n-перехода). В p-области основными носителями тока являются дырки, образовавшиеся в результате захвата электрона атомами примеси, акцепторы при этом становятся отрицательными ионами. Кроме того, в р-области имеется небольшое число неосновных носителей – электронов, возникающих вследствие перевода тепловым движением электронов из валентной зоны непосредственно в зону проводимости. В n-области основные носители тока – электроны, отданные донором в зону проводимости, неосновные носители – дырки, образовавшиеся за счет перехода электронов из валентной зоны в зону проводимости. Количество неосновных носителей обычно мало по сравнению с количеством основных.

Диффундируя во встречных направлениях через пограничный слой, дырки и электроны рекомбинируют друг с другом. Поэтому p-n-переход оказывается сильно обедненным носителями тока и приобретает большое сопротивление. Одновременно на границе между областями возникает двойной электрический слой, образованный отрицательными ионами акцепторной примеси и положительными ионами донорной примеси; n-область приобретет положительный потенциал и энергия электрона в ней станет меньше (так как заряд электрона отрицателен), а потенциал р-области сделается отрицательным и энергия электрона в ней увеличится. Возникает внутреннее контактное электрическое поле. Кривая распределения потенциальной энергии электронов Еэ в направлении, перпендикулярном к переходу, будет иметь вид, показанный на рис. 1, а сплошной линией. Напротив, энергия положительных дырок Ед будет больше в р-области (пунктирная линия).

 

 

а                                     б                                              в

 

Рис. 1. Кривые распределения потенциальной энергии

 

В состоянии равновесия полный ток через переход равен нулю. Этот ток в отличие от металлов, где носителями заряда являются только электроны, складывается как из движения электронов, так и из движения дырок.

Обратимся вновь к рис. 1. Мы видим, что контактное поле способствует движению неосновных носителей, которые «скатываются» с потенциального уступа. Поэтому все неосновные носители, образующиеся в припереходной области, и все носители, образующиеся в области перехода, движутся через p-n-переход и создают некоторый ток силой iн, направленный от n к p. Сила этого тока мало зависит от разности потенциалов между n- и p-полупроводниками, так как определяется в основном количеством неосновных носителей, образующихся в припереходной области в единицу времени. Основные носители (дырки, движущиеся справа налево, и электроны, движущиеся слева направо) образуют ток i0, направленный противоположно, т.е. от p к n.

Из рис. 1, а видно, что контактное поле препятствует движению основных носителей, которые должны преодолеть потенциальный барьер. В состоянии равновесия устанавливается такая высота потенциального барьера, при которой полный ток . Обратим внимание на то, что под i0 здесь и далее мы понимаем только ток, создаваемый основными носителями, преодолевшими потенциальный барьер.

Подадим на переход внешнее напряжение таким образом, чтобы на n-области имелся отрицательный потенциал (рис. 1, б), а на p-области – положительный (такое напряжение называется прямым). Тогда энергия электронов n-области увеличится, а в p-области уменьшится и, следовательно, высота потенциального барьера станет меньше. При этом ток неосновных носителей iн, как отмечалось ранее, изменится мало. Ток же основных носителей i0 увеличится, так как теперь большее количество электронов сможет преодолеть потенциальный барьер и перейти слева направо и большее количество дырок – перейти в противоположном направлении. В результате через переход будет идти ток , направленный от p к n, а сила тока будет быстро нарастать с увеличением приложенного напряжения.

 

 

Рис. 2. ВАХ

Теперь приложим к n-области положительный полюс источника тока (рис. 1, в), а к p-области – отрицательный (такое напряжение называется обратным). В этом случае высота потенциального барьера увеличится и ток основных носителей i0 уменьшится. Уже при напряжениях порядка 1 В им можно пренебречь и поэтому через переход будет протекать только ток неосновных носителей iн. Величина тока iн очень мала, так как концентрация неосновных носителей всегда существенно меньше концентрации основных.