Лабораторна робота № 6
Дослідження роботи напівпровідникових діодів.
Мета роботи: Визначити і порівняти залежності сили струму від напруги для напівпро-відникових діодів різних типів.
Прилади й приналежності: Установка для вивчення вольт-амперної характеристики напівпровідникових діодів.
Теоретичні відомості
Перш, ніж приступати до вивчення даної лабораторної роботи, ознайомтеся з положен-нями зонної теорії (див. Додаток № 6.0 до робіт з фізики твердого тіла).
1. Властивості p - n-переходу.
Основна структурна комірка величезного числа напівпровідникових прила-дів називається p-n-переходом. Розглянемо в загальних рисах фізичні процеси, які відбуваються в p- n-переході.
Нехай дві ділянки напівпровідника з провідностями різного типу розділяє плоска межа (рис. 1): ліворуч від неї розміщений напівпровідник р-типу, праворуч - напівпровідник n-типу.
Іони донорної домішки позначені кружком зі знаком «+», і іони акцепторної домішки позначені кружком зі знаком «– ». Іони (кружки) знаходяться в вузлах кристалічної решітки, а дірки і електрони (білі і чорні точки) можуть переміщати-ся по кристалу.
У р-області основними носіями струму є дірки. Однак, в цій області є також невелике число неосновних носіїв - електронів, що виникли внаслідок розриву ко-валентних зв'язків за рахунок теплового руху атомів кристала.
Відповідно, в n-області основні носії струму - електрони, а неосновні носії - невелике число дірок.
Внаслідок значної різниці в концентрації електронів і дірок по різні боки від переходу відбувається дифузія дірок з р-напівпровідника, де їх концентрація вище, в n-напівпровідник, де концентрація дірок нижче. Електрони дифундують в протилежному напрямку - в напрямку n→ р.
Дифундуючи у зустрічних напрямках через прикордонний шар, дірки і еле-ктрони рекомбінують (з'єднуються) між собою. Рекомбінація призводить до зник-нення пари електрон провідності - дірка.
Такий зустрічний процес дифузії заряджених частинок еквівалентний елек-тричному струму Ioсн через p - n-перехід, який проходить з р-області в n-область. Цей струм основних носіїв заряду називається дифузним.
В р- області після відходу дірок поблизу межі розділу залишаються нерухо-мі негативні іони акцепторної домішки, заряд яких тепер не компенсується дірка-ми. Вони утворюють негативний просторовий заряд (рис. 1).
В n- області внаслідок відходу електронів поблизу межі залишаються неру-хомі позитивні донорні іони, заряд яких тепер не компенсується електронами. Во-ни утворюють позитивний об'ємний заряд в прилеглому шарі (рис. 1).
Таким чином виникає подвійний електричний шар в p - n-переході і контак-тна різниця потенціалів. Напруженість електричного поля подвійного шару Е конта-кта спрямована від n- до р - напівпровідника (рис. 1).
Контактне поле перешкоджає подальшому переходу дірок - направо, а елек-тронів - наліво, тобто перешкоджає дифузному струму основних носіїв струму.
Зате подвійний електричний шар в p - n-переході сприяє руху неосновних носіїв заряду - дірок з n-області і електронів з р-області. Такий «дрейф» зарядже-них частинок через перехід являє собою електричний струм Iнеосн, який спрямова-ний протилежно дифузному струму і називається дрейфовим.
В умовах термодинамічної рівноваги, яка встановлюється в p - n-переході, якщо до нього не прикладена зовнішня різниця потенціалів, дифузний струм Ioсн за величиною точно дорівнює дрейфовому Iнеосн, обидва струми компенсують один одного і повний струм через перехід дорівнює нулю.
Область p - n-переходу збіднена рухливими носіями заряду, тому що тут за-вдяки зустрічному потоку електронів і дірок відбувається їх інтенсивна рекомбі-нація. З цієї причини область p - n-переходу має набагато більший питомий опір, ніж весь кристал напівпровідника, і називається «запірним шаром».
Товщина шару p - n-переходу становить приблизно частки мікрометра, а ко-нтактна різниця потенціалів - десяті частки вольта. Носії струму в змозі подолати таку різницю потенціалів тільки за температури в десятки тисяч градусів, тобто за звичайних температур контактний шар є запірним.
3
Опір запірного шару можна змінити за допомогою зовнішнього електрично-го поля. При цьому можливі два варіанти.
1. Прикладемо до кристалу зовнішню напругу так, щоб високий потен-ціал «+» був поданий на р-область, а низький потенціал «–» був поданий на n-область (режим прямої напруги) (рис. 2).
Тоді зовнішнє електричне поле в кристалі Езовн буде направлено протилежно полю контактного запірного шару Еконт. Зовнішнє поле викличе рух дірок з облас-ті р-напівпровідника і електронів з області n-напівпровідника до межі p - n-переходу. (рис. 2).
Рухаючись назустріч, електрони і дірки рекомбінують один з одним, струм основних носіїв зростає. Струм ж неосновних носіїв залишиться практично без змін. Отже, результуючий струм стане відмінним від нуля. Зниження потенціаль-ного бар'єру пропорційно прикладеній напрузі. При зменшенні висоти бар'єру струм основних носіїв, а, отже, і результуючий струм, швидко зростатиме. Таким чином в напрямку від р-області до n-області p - n-перехід пропускає струм, сила якого швидко зростає при збільшенні прикладеної напруги. Ця напруга називаєть-ся прямою (або пропускною). Розрахунок показує, що зі збільшенням напруги струм експоненціально зростає (рис. 4).
Електричне поле «піджимає» основні носії до межі між областями, внаслі-док чого ширина перехідного шару, збідненого носіями, зменшується. Відповідно зменшується і опір переходу, причому тим сильніше, чим більшою є напруга.
2. Тепер докладемо до кристалу напругу протилежного напряму, щоб «+» був підключений до n-області, а «-» був підключений до р-області. (Режим зворотної або запірної напруги).
Тепер напрямок зовнішнього електричного поля Е зовн буде збігатися з на-прямком контактного поля Еконт (рис. 3).
У цьому випадку зовнішнє поле буде підсилювати поле контактного шару і зумовить рух електронів і дірок від межі p - n-переходу в протилежних напрямах.
4
Поле, що виникає в кристалі при накладенні зворотної напруги, «відтягує» основні носії від границі між областями, що призводить до зростання ширини пе-рехідного шару, збідненого носіями. Відповідно збільшується і опір переходу. Отже, p - n-перехід має в зворотному напрямку набагато більший опір, ніж в пря-мому.
В даному випадку через p - n-перехід проходить лише невеликий струм (він називається зворотним), цілком обумовлений неосновними носіями. Струм неос-новних носіїв (зворотний струм) не залежить від величини контактного поля, а визначається концентрацією цих носіїв, яка дуже мала в порівнянні з основними носіями.
Вольт-амперна характеристика p-n-переходу зображена на рис. 4.
Зворотний струм швидко сягає наси-чення, тобто перестає залежати від U. Тіль-ки при дуже великій зворотній напрузі сила струму починає різко зростати, що обумов-лено електричним пробоєм переходу (див. пунктир на лівій гілці на рис. 4).
Напрям зовнішнього поля, в якому ро-зширюється запірний шар і p - n-перехід не пропускає електричного струму, називаєть-ся зворотним або запірним.
Прямий струм на кілька порядків пе-ревищує зворотний струм.
2. Способи отримання p-n-переходів
Напівпровідникові діоди за конструкцією р-n-переходу поділяють на діоди з площинними контактами і діоди з точковими контактами.
5
Створити р-n-перехід механічним з'єднанням (притисненням) електронного та діркового напівпровідників неможливо, навіть якщо контактні поверхні є ре-тельно відполірованими. Такі поверхні завжди містять величезну кількість різно-манітних домішок і дефектів, які сильно змінюють властивості напівпровідників.
Один з методів створення р-n-переходу - метод сплавлення. Наприклад, в тонку пластинку монокристала з дуже чистого германію з електронним типом провідності вплавляють з одного боку шматочок ін-дію (рис. 5).
При нагріванні в вакуумі атоми індію дифунду-ють в германій на деяку глибину. Після охолодження розплаву на ділянці, в яку проникають атоми індію, провідність германію стає дірковою, а решта кристалу зберігає електронну провідність. На внутрішній гра-ниці обох ділянок з провідністю різного типу виникає р-n-перехід.
Інший спосіб отримання р-n-переходу - ство-рення на поверхні кристала n-типу за допомогою хі-мічних реакцій монокристалічної плівки з провідніс-тю р-типу.
У точковому германієвої діоді (рис. 6) до крис-тала германію 1 з провідністю n-типу притискаєтьсятонкий вольфрамовий дріт 2 вістрям, покритим алю-мінієм. Якщо через діод в прямому напрямку пропус-тити короткочасний імпульс струму, то внаслідок нагрівання різко зростає дифузія алюмінію в германій. Поблизу точкового контакту формується збагачений алюмінієм шар германію з провідністю р-типу. На гра-ниці цього шару з основним кристалом ге-рманію утворюється р-n-перехід. Завдяки малій ємності контактного шару точкові ді-оди використовуються для випрямлення високочастотних електричних коливань.
У лабораторній роботі пропонується отримати порівняльну характеристику випрямляючих властивостей для трьох типів напівпровідникових діодів: КД 521 - силіцієвий низькочастотний діод, КД 226 - силіцієвий високочастотний діод і
Д 9К - германієвий точковий діод.
3. Вимірювання
1. Включити прилад, як вид дослідження вибрати «Дослідження вольт-амперної характеристики діода».
2. В якості об'єкта дослідження вибрати напівпровідниковий діод КД521;
3. Змінюючи пряму напругу від 0 до 0,6 В з кроком 0,05 В і зворотну напру-
га від 0 до 30 В з кроком 5В, визначити відповідні значення прямого і зворотного
струму. Дані вимірювань занести в таблицю.
4. Повторити такі ж вимірювання для напівпровідникових діодів КД 226
і Д 9К;
5. Результати вимірювань занести в таблицю. За даними дослідів побудува-
ти графіки залежності I = ( ) U f для трьох діодів.
6. Обчислити коефіцієнт випрямлення к=Іпрям/Ізв причому прямий і зворот-
ний струми беруться при однакових значеннях Uпр і U звор.
Таблиця 1 Диод КД521;
|
Напрям струму |
U |
I |
k |
< k > |
|
Прямий |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Зворотний
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ДиодКД 226
|
Напрям струму |
U |
I |
k |
< k > |
|
Прямий |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Зворотний
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Диод Д 9К;
|
Напрям струму |
U |
I |
k |
< k > |
|
Прямий |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Зворотний
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
За результатами роботи зробити висновок - який з досліджених діодів має кращі властивості випрямлювати.Зворотний
За результатами роботи зробити висновок - який з досліджених діодів має кращі властивості випрямлювати.
Контрольні питання
1. Поясніть фізичні процеси, що відбуваються в р-n-переході.
2. Як пояснити односторонню провідність р-n-переходу?
3. Який вигляд має вольт-амперна характеристика р-n-переходу? Поясніть виник-нення прямого і зворотного струму.
4. Який напрям в напівпровідниковому діоді є прямим для струму?
5. Які типи напівпровідникових діодів вам відомі?
6. Чому через напівпровідниковий діод проходить струм (хоча і слабкий) навіть при запірній напрузі?
Література
1. Кучерук І.М., Горбачук І.Т., Луцик П.П. Загальний курс фізики. К.: Техніка, 2001. - Т.2.
2. Загальна фізика. Лабораторний практикум. : Навч. посібник. За заг. ред. І.Т.Горбачука.- К. Вища школа. 1992– 509 с.
Склали: І.П.Гаркуша, Е.А.Якунін
