Лабораторная работа 1 полупроводниковые выпрямительные диоды

Цель работы: ознакомиться с устройством, принципом действия и конст-руктивным исполнением полупроводникового диода; изучить его свойства, статические характеристики и параметры; овладеть методикой их расчета.

1.1. Краткие теоретические сведения

Полупроводниковым диодом называют прибор, представляющий собой двухслойную монокристаллическую структуру с одним p-n-переходом и двумя выводами. Такой диод имеет одностороннюю проводимость, которая обеспечивается особыми свойствами электронно-дырочного перехода, кратко называемого p-n-переходом.

Для изготовления диодов применяются простые полупроводниковые вещества (германий и кремний) и сложные полупроводниковые материалы (арсенид, фосфид галлия и др.). Для снижения удельного сопротивления полупроводника и придания ему необходимого типа электропроводности – электронной при преобладании свободных электронов (n-типа) или дырочной при преобладании дырок (р-типа) – в чистые полупроводники вносят определенные примеси. Такой процесс называют легированием, а соответствующие полупроводниковые материалы – легированными.

При соприкосновении двух полупроводников с различными типами электропроводности происходит образование p-n-перехода (рис. 1). До соприкосновения в обоих полупроводниках электроны, дырки и неподвижные ионы расп-ределяются равномерно (рис. 1, а). При соприкосновении полупроводников в их пограничном слое происходит рекомбинация (воссоединение) электронов и дырок. Свободные электроны из зоны полупроводника n-типа занимают свободные уровни в валентной зоне полупроводника р-типа. В результате вблизи границы двух полупроводников образуется слой, лишенный подвижных носителей заряда и поэтому обладающий высоким электрическим сопротив-лением, – так называемый запирающий слой (рис. 1, б). Толщина запирающего слоя l обычно не превышает нескольких микрометров.

Рис. 1. Схема образования p-n перехода

Расширению запирающего слоя препятствуют неподвижные ионы донорных и акцепторных примесей, которые образуют на границе полупроводников двойной электрический слой. Этот слой определяет контактную разность потенциалов (потенциальный барьер) ∆φ_к на границе полупроводников (рис. 1, в), которая препятствует движению основных носителей заряда. Однако при движении через p-n-переход неосновных носителей (так называемого дрейфового тока I_др) происходит снижение ∆φ_к, что позволяет некоторой части основных носителей, обладающих достаточной энергией, преодолеть барьер. Появляется диффузионный ток I_диф, который направлен навстречу дрейфовому I_др, т. е. возникает динамическое равновесие, при котором I_др = I_диф.

Если к p-n-переходу приложить внешнее напряжение, которое создает в запирающем слое электрическое поле напряженностью Е_вн, совпадающее по направлению с полем неподвижных ионов напряженностью Е_зап (рис. 2, а), то это приведет к расширению запирающего слоя, так как отведет от контактной зоны и положительные, и отрицательные носители заряда (дырки и электроны). При этом сопротивление p-n-перехода велико, а ток, проходящий через него, мал, так как он обусловлен движением неосновных носителей заряда. В этом случае ток называется обратным, а p-n-переход – закрытым.

Рис. 2. Схема электронно-дырочного перехода во внешнем

электрическом поле

При противоположной полярности источника напряжения (рис. 2, б) внешнее электрическое поле направлено навстречу полю двойного электри-ческого слоя, толщина запирающего слоя уменьшается, и при напряжении 0,2  0,6 В запирающий слой исчезает. Сопротивление p-n-перехода резко снижается, и возникает большой ток, называемый прямым, переход при этом является открытым. Сопротивление открытого p-n-перехода определяется собственным сопротивлением полупроводника.

Основной характеристикой диода является вольт-амперная характеристика (ВАХ), которая выражает зависимость тока, протекающего через диод, от значения и полярности напряжения (рис. 3).

Ветвь, расположенная в первом квадранте, соответствует прямому (пропуск-ному) направлению тока (см. рис. 3), а ветвь, проходящая в третьем квадран-те, – обратному направлению тока. Чем круче и ближе к вертикальной оси прямая ветвь ВАХ и ближе к горизонтальной оси ее обратная ветвь, тем лучше выпрямительные свойства диода. При достаточно большом обратном напряжении U_обр у диода наступает пробой, характеризующийся резким возрастанием обратного тока.

Рис. 3. Условное графическое и позиционное обозначения (а) и ВАХ (б)