Введение. Цель работы: изучение свойств p-n-перехода

Исследования p-n-перехода.

Цель работы: изучение свойств p-n-перехода.

Введение

1. Электронно-дырочный переход.

Электрический переход между двумя областями полупроводника, одна из которых имеет проводимость n-типа, а другая - р-типа, называют электронно-дырочным или p-n-переходом.

Такие переходы получают различными способами, например, вплавлением, или диффузией примесей в полупроводник. В соответствии с этим бывают сплавные, диффузионные и другие p-n-переходы.

Пусть два полупроводника разного типа проводимости соединены каким-либо способом вместе. Поскольку концентрация электронов в “n”-области выше, чем в “р”-области, а концентрация дырок в “р”-области выше, чем в “n”-области, начнется диффузия электронов в “р”-область и дырок в “n”-область. Движение дырок и электронов создает электрический ток I_диф, направленный из р-области в n-область. Такой ток называют диффузионным. В результате перемещения зарядов n-область заряжается положительно, а р-область - отрицательно.

На границе полупроводников в р-области электроны захватываются атомами акцепторной примеси, которые превращаются в отрицательно заряженные ионы, а в n-области атомы донорной примеси захватывают дырки и превращаются в положительно заряженные ионы /1/. На границе областей n и р-типа создаются два слоя ионов противоположных по знаку зарядов (рис.1). Получившийся двойной электрический слой образует p-n-переход. Ширина p-n-перехода L не превышает десятых долей микрометра. Напряженность поля, возникающая в p-n-переходе, препятствует переходу основных носителей из одной области в другую. Так, на электрон, попадающий в область p-n-перехода, будут действовать электрические силы, стремящиеся вернуть его в n-область. Такие же силы будут возвращать дырки в р-область. Отсюда следует, что диффузионный ток со временем прекратится. Так будет в случае, если оба полупроводника обладают только электронной и только дырочной проводимостью.

На рис.2б показано распределение напряженности поля в переходе. Наибольшая величина напряженности Е наблюдается в сечении Х₀, поскольку через это сечение проходят все силовые линии, начинающиеся на положительных зарядах, расположенных левее Х₀.

Потенциальная диаграмма p-n-перехода показана на рис.2в. За нулевой потенциал условно принят потенциал слоя Х₀. За пределами перехода поле отсутствует и потенциал j(Х) = const. Перепад потенциала (потенциальный барьер) равен контактной разности потенциалов U_К.

При некоторых условиях за счет вредных примесей, при большой температуре, ионизирующем излучении и т.д. в полупроводниках типа “n” образуются дырки, а в полупроводниках типа “р” - электроны. Эти носители электричества называются неосновными для данного типа полупроводника. В этом случае, дрейфуя по n-области, дырка может попасть в область p-n-перехода. На нее будет действовать ускоряющая сила, и она скатится в р-область. То же произойдет и с электроном, попавшим в p-n-переход; из р-области он скатится в n-область. Ток, обусловленный неосновными носителями, называется дрейфовым током. Из сказанного следует, что через p-n-переход всегда будет течь некоторая величина дрейфового тока I_др. В то же время при комнатной температуре некоторое количество основных носителей способно преодолеть образовавшийся потенциальный барьер и навстречу дрейфовому току неосновных носителей будет течь диффузионный ток основных носителей I_диф. В состоянии равновесия сумма этих токов должна быть равна нулю.

.[В1]

2. Свойства p-n-перехода при наличии внешнего напряжения.

Полупроводниковый диод.

Допустим, что к p-n-переходу приложено внешнее напряжение, противоположное по знаку контактной разности потенциалов (рис.3). Такое включение называют прямым. Оно приводит к снижению высоты потенциального барьера. Основные носители приближаются к контакту полупроводников и компенсируют заряд примесей, ширина барьера уменьшается. Часть основных носителей имеет возможность преодолеть уменьшенный потенциальный барьер. Диффузионный ток увеличивается и становится больше дрейфового. В цепи будет течь прямой ток

.

В таком включении ток I_пр может достигать очень больших величин. Заряды, прошедшие потенциальный барьер, попадают в области полупроводника, где они являются неосновными.

Процесс введения электронов в полупроводник р-типа и дырок в полупроводник n-типа путем понижения потенциального барьера p-n-перехода называется инжекцией.

Инжектированные неосновные носители диффундируют в глубь полупроводника, рекомбинируя с основными, и количество основных носителей убывает. Убыль основных носителей компенсируется за счет поступления электронов в n-область и дырок в р-область от источника. Так поддерживается ток через р-n-переход.

В случае, когда р-n-переходу подведено обратное внешнее напряжение (рис.4), электрическое поле, создаваемое источником, совпадает с полем р-n-перехода и потенциальный барьер возрастает до величины U_К + U. Количество основных носителей, способных преодолеть такой барьер, уменьшается. Уменьшается диффузионный ток. Под действием внешнего поля основные носители будут оттягиваться от перехода в глубь полупроводника. Ширина р-n-перехода увеличится. Для неосновных носителей потенциальный барьер отсутствует и они будут втягиваться полем в область р-n-перехода. При обратном включении основную роль играет дрейфовый ток, который имеет небольшую величину, т.к. концентрация основных носителей мала. Этот ток называется обратным током

I_обр = I_др - I_диф .

Таким образом p-n-переход обладает односторонней проводимостью. Электронно-дырочные переходы полупроводников широко применяются в современных полупроводниковых приборах. Приборы с одним p-n-переходом называются диодами, с двумя – транзисторами, с тремя – тиристорами (рис. 7). В данной лабораторной работе изучается работа полупроводникового диода. Схематически полупроводниковый диод изображается так

Наибольшее применение получили германиевые и кремниевые полупроводниковые диоды, а также диоды, выполненные на основе арсенида галлия. Основной характеристикой полупроводникового диода является его вольтамперная характеристика, т.е. график зависимости тока, проходящего через диод, от приложенного к диоду напряжения. Из рисунка видно, что при положительных (прямых) напряжениях ток через диод (p-n-переход) с увеличением напряжения резко возрастает и измеряется в миллиамперах. При отрицательных напряжениях в некоторых пределах ток I_обр остается постоянным и очень малым (мкА). Эта область соответствует току насыщения неосновных носителей, когда все они увлекаются полем. Дальнейшее увеличение обратного тока ведет к электрическому пробою p-n-перехода и к резкому увеличению тока.

Полупроводниковые диоды нашли очень широкое применение в электротехнике и электронике. Они применяются для выпрямления переменного тока, детектирования радиосигналов, переключения электрических цепей и во многих других случаях. Схема простейшего выпрямителя приведена на рис. 6. В этой схеме ток может протекать только в направлении стрелки.

Приборы и принадлежности: источник питания; лабораторная установка; электронный осциллограф.

Описание установки.Лабораторная установка позволяет снять вольтамперную характеристику диода и исследовать работу полупроводникового триода в режиме усиления сигнала.

Для снятия вольтамперной характеристики диода применяется операционный усилитель. Он представляет собой устройство на полупроводниковых диодах и триодах, позволяющее применять его в разнообразных электронных схемах. У операционного усилителя два входа - неинвертирующий, обозначенный знаком “+”, и инвертирующий, обозначенный знаком “-” (рис.9). Если на неинвертирующий вход подать положительное напряжение по отношению к инвертирующему входу, то напряжение на выходе возрастет. Если положительное напряжение подать на инвертирующий вход, то на выходе напряжение уменьшается. Таким образом, операционный усилитель реагирует только на разность потенциалов между входами. Коэффициент усиления идеального операционного усилителя по напряжению и току бесконечен, в реальных усилителях он достигает сотен тысяч.

Если неинвертирующий вход операционного усилителя заземлить (соединить с общей шиной), а с его выхода через резистор R_ОС подать напряжение на инвертирующий вход (рис.10), то на инвертирующем входе напряжение будет практически равно нулю. Оно скомпенсируется напряжением обратной связи. Инвертирующий вход окажется как бы заземленным. Поскольку входное сопротивление операционного усилителя очень велико, ток в цепи инвертирующего входа будет очень мал. Поэтому ток через резистор R_ОС будет равен току через R и его просто определить из закона Ома

.

Напряжение на R_ОС практически будет равно U_вых.

Если вместо R_ОС включить диод, то, изменяя напряжение U_вх, можно снять его вольтамперную характеристику. На этом принципе построена лабораторная установка, схема которой представлена на рис.11. Из схемы (рис.11) следует, что в положении переключателя П₁ “Si” кремниевый диод D₁ включен в прямом направлении, а в положении “Ge обр.” в обратном направлении включается диод D₃, в положении “Ge пр.” в прямом направлении включается германиевый диод D₂.

Напряжение, приложенное к диоду, измеряется по прибору ИП₁, а ток измеряется прибором ИП₂. В прямом включении шкала прибора ИП₁ рассчитана на 0,5 В, в обратном на 10 В. Шкала прибора ИП₂ рассчитана на 10 мА при включении диодов в прямом направлении и на

5 мА - в обратном.

Дата добавления: 2015-07-26; просмотров: 300; Нарушение авторских прав

Мы поможем в написании ваших работ!