Муромский институт (филиал)
федерального государственного бюджетного образовательного учреждения
высшего профессионального образования
«Владимирский государственный университет
имени Александра Григорьевича и
Николая Григорьевича Столетовых»
Кафедра: «ФПМ»
Дисциплина: Физика
Лабораторная работа № 1.03
«Изучение полупроводниковых диодов»
Утверждена на методическом семинаре кафедры ФПМ
Зав. кафедрой___________
ТЕХНИКА БЕЗОПАСНОСТИ
1. Сборку и разборку схемы производить только при отключенном источнике питания.
2. Не включать собранную схему, пока не изучите инструкцию по данной работе и не получите на это разрешение лаборанта или преподавателя.
3. Схема должна находиться под напряжением только во время регулировки и снятия показаний с приборов. КАТЕГОРИЧЕСКИ ЗАПРЕЩАЕТСЯ оставлять схему под напряжением без присмотра.
4. Строго соблюдать порядок выполнения работы, описаний и инструкций.
5. На рабочем месте не должно быть посторонних предметов. Твёрдо знать, где расположен общий выключатель и порядок пользования им.
6. После окончания работы отключить источник питания.
Лабораторная работа № 1.03 «изучение полупроводниковых диодов»
ПРИБОРЫ И ПРИНАДЛЕЖНОСТИ:
германиевый диод Д-7;
вольтметр постоянного тока на 1,5 В;
микроамперметр постоянного тока;
термостат;
блок питания;
реостат на 500-1000Ом;
термометр;
переключатель.
1. Электронно-дырочный переход (p-n переход)
Прогресс в развитии полупроводниковой электроники тесно связан с использованием контакта электронного (n-типа) и дырочного (p-типа) полупроводников. Такой контакт называется электронно-дырочным переходом или p-n переходом.
р-n переход обычно создается на границе двух областей чистого полупроводника, в одну из которых введена акцепторная примесь, а в другую – донорная.
Поскольку уровень Ферми в полупроводниках n-типа (с донорной примесью) расположен выше, чем в полупроводниках p-типа с акцепторной примесью, то работа выхода электронов для полупроводника n-типа будет меньше, чем для полупроводников p-типа и в момент создания контакта этих полупроводников электроны будут переходить из n-области в p-область. Навстречу им из p-области в n-область устремится поток дырок. Вследствие такого перехода электронов и дырок в месте контакта возникает слой объемного заряда – отрицательный в p-области и положительный в n-области. Уровень Ферми в обоих проводниках выравнивается и в месте контакта возникает потенциальный барьер (рис.1a), слой объемного заряда в месте контакта обеднен основными носителями тока (дырки в p-области и электроны в n-области) и по этой причине он обладает большим сопротивлением. Этот слой образует p-n переход. Следует иметь ввиду, что в p-области имеется некоторое число электронов, а в n-области некоторое число дырок. Они являются неосновными носителями тока. Для них не существует потенциального барьера.
В условиях равновесия, когда к p-n переходу не приложено внешнее напряжение, концентрация электронов в n-области и дырок в p-области, способных преодолеть потенциальный барьер, определяется формулами:
,
(1)
,
(2)
где n – концентрация электронов в n – области;
Ng и Na – концентрация донорной и акцепторной примесей соответст венно;
mn и mp – эффективная масса электрона и дырки соответственно;
k – постоянная Больцмана;
h – постоянная Планка;
Еg и Ea – энергия связи донора и акцептора соответственно;
Т – абсолютная температура;
р – концентрация дырок в р-области.
n
p
а
б
Рис.1
Поток основных носителей обозначим через ток Ig, а поток не основных носителей образует дрейфовый ток Iz, направленный противоположно диффузионному. При равновесии Iz=Ig суммарный ток через р-n переход равен нулю.
I = Ig – Iz = 0
Если к p-n переходу приложено напряжение от n- области к р- области, которое складывается с контактной разностью потенциалов φк, то высота потенциального барьера увеличивается на величину qU. При этом диффузионный ток уменьшается, а дрейфовый не изменяется. Результирующий ток через p-n переход будет уменьшаться, и стремиться к некоторому постоянному значению Is, которое называется током насыщения. Когда к p-n переходу приложено напряжение в прямом пропускном направлении от p к n- области, внешнее поле будет направлено против контактного и высота потенциального барьера уменьшится на величину qU. При этом увеличится поток основных носителей и резко возрастает результирующий ток через р-n переход, который можно записать в виде
(3)
Равенство (3) определяет вольтамперную характеристику р-n перехода. При комнатной температуре kТ=0.25 эВ. Для обратного напряжения
U=0.1В.
Можно пренебречь экспонентной по сравнению с единицей. При прямом напряжении U=0.1; e-4 < 0.02
В формуле (3) можно пренебречь единицей.
Прямой ток возрастает экспоненциально. Вольтамперная характеристика p-n перехода нелинейная (рис.2), p-n переход обладает односторонней проводимостью. Это свойство p-n перехода широко используется в различных полупроводниковых приборах и в первою очередь в полупроводниковых диодах и триодах.
U
Рис. 2
Полупроводниковый диод - это двухэлектродный прибор, действие которого основано на электрических свойствах p-n перехода. Существует несколько типов полупроводниковых диодов, отличающихся друг от друга использованием различных свойств p-n перехода, величинами преобразуемых мощностей, токов, напряжений, диапазонов рабочих частот.
Требования, предъявляемые к характеристикам полупроводников диодов удовлетворяются выбором полупроводниковых материалов, технологией изготовления p-n переходов, размерами и конструкцией диодов. В основном в полупроводниковых диодах используется нелинейность вольтамперной характеристики p-n перехода. Это относится к выпрямительным диодам и импульсным диодам сверхвысоких частот.