Изучение работы полупроводникового диода

РАБОТА  №46

ИЗУЧЕНИЕ РАБОТЫ ПОЛУПРОВОДНИКОВОГО ДИОДА

Цель работы: ознакомление с вольт-амперной характеристикой и выпрямляющим действием полупроводникового диода, сравнение измеренной вольт-амперной характеристики с теоретической.

Введение

С развитием полупроводниковой техники все большее применение в выпрямительных устройствах промышленной электроники находят полупроводниковые выпрямители-диоды.

По сравнению с электронными лампами кристаллические полупроводниковые выпрямители обладают рядом преимуществ — они имеют малые размеры и большой срок службы, потребляют малые мощности, всегда готовы к работе (в то время как предварительный разогрев электронных ламп требует нескольких минут), не имеют хрупких стеклянных частей.

Недостатком полупроводниковых диодов является сильная температурная зависимость их электрических характеристик.

Для устройства полупроводниковых диодов используется выпрямляющее действие контакта полупроводников с различными типами проводимости или металла с полупроводником. Односторонняя (монополярная) проводимость таких контактов связана с существованием контактной разности потенциалов между двумя соприкасающимися телами.

В качестве примера рассмотрим контакт двух полупроводников с различными типами проводимости, т. е. контакт полупроводников n- и р-типа. Пусть они выбраны так, что работа выхода полупроводника р-типа больше, чем работа выхода полупроводника n-типа.

В частности, полупроводником р-типа может служить германий с примесью индия, а полупроводником n-типа — германий с примесью мышьяка или сурьмы. До соприкосновения каждыйиз них нейтрален,так как суммарный заряд всех электронов равен суммарному заряду положительных ионов. Общее число свободных электронов  в полупроводнике n-типа больше, чем в полупроводнике р-типа, а число «дырок» — наоборот. При соприкосновении таких полупроводников, обладающих разными работами выхода, происходит переход электронов от полупроводника с меньшей работой выхода к полупроводнику с большей работой выхода. Следовательно, электроны из полупроводника n-типа будут переходить в полупроводник р-типа. В результате вблизи границы соприкосновения в полупроводнике n-типа образуется избыточный положительный заряд, а в полупроводнике р-типа — избыточный отрицательный заряд. Таким образом, на границе соприкосновения полупроводников n- и р-типа возникает двойной электрический слой, который создает контактное электрическое поле с напряженностью Е_k и с определенной разностью потенциалов на границах слоя (рис. 1,а). Контактная разность потенциалов создает потенциальный барьер для подвижных носителей тока и препятствует дальнейшему переходу их через контактный слой. При определенной высоте потенциального барьера наступает состояние подвижного равновесия, условием которого является выравнивание уровней Ферми в обоих полупроводниках. Область контакта, обедненная подвижными носителями тока, имеет сопротивление большее, чем сопротивление глубинных областей контактирующих полупроводников.

Таким образом, контактный слой является запирающим  слоем с повышенным сопротивлением. Ширина запирающего слоя, а следовательно, и его сопротивление существенно зависят от величины и направления приложенного к р-n-переходу внешнего электрического поля (типичная ширина р-n перехода » 1мкм). Когда внешнее электрическое поле E_B совпадает по направлению с контактным полем Е_K (см. рис. 1,б), оно усиливает поле контактного слоя, что приводит к возрастанию потенциального барьера, увеличению ширины запирающего слоя, его сопротивления. Такое направление внешнего электрического поля называется запорным или обратным направлением.

 

Если внешнее электрическое поле Е_B по направлению противоположно контактному полю Е_K (см. рис. 1,в), то поле в приконтактной области ослабевает, потенциальный барьер уменьшается и носители тока движутся в сторону контакта. Ширина запирающего слоя и его сопротивление при этом тоже уменьшаются. Такое направление внешнего электрического поля называется пропускным или прямым. Включая р-n-переход в цепь с переменным электрическим напряжением, можно получить значительные величины тока только в одном направлении, т. е. можно выпрямить переменный ток. Действительно, в течение одной половины периода (прямое направление внешнего электрического поля) через выпрямитель протекает значительный ток, а в течение второй — ток мал (обратное направление внешнего поля). Прямой ток может в несколько сотен раз превышать обратный при одном и том же абсолютном значении напряжения.

При изготовлении промышленного диода используется р-n-переход в одном кристалле. Получить подобный р-n-переход удается путем введения различных примесей в разные участки одного и того же кристалла. На р- и n-областях кристалла создаются невыпрямляющие контакты для включения диода в цепь. Наиболее широкое применение для изготовления диодов получили такие полупроводниковые материалы, как Ge, Si,SiCи другие. На схемах полупроводниковый диод изображается так, как показано на рис. 1,г. Стрелка указывает прямое направление внешнего поля.

Основной характеристикой полупроводникового диода является его вольт-амперная характеристика, т.е. зависимость тока, проходящего через диод, от величины и направления приложенного к диоду напряжения. Общий вид вольт-амперной характеристики полупроводникового диода показан на рис. 2. Из этого рисунка следует, что вольт-амперная характеристика диода является нелинейной.

Теоретическая зависимость токаI, проходящего через полупроводниковый диод, от приложенного к нему напряжения U записывается в следующем виде:

I=I_s[exp()-1]                                (1)

гдеI_s — величина, зависящая от свойств полупроводника и постоянная при данной температуре Т; е — основание натуральных логарифмов, q — заряд электрона, k — постоянная Больцмана,  — безразмерный коэффициент, зависящий от ширины запирающего слоя (обычно  » 1).

Из формулы (1) следует, что в прямом направлении (когда U > 0) ток растет экспоненциально с увеличением U. В обратном же направлении (U<0) с увеличением напряжения

		Рис. 2

 

сила тока стремится к насыщению, т. е. к постоянной величине I_s (см. рис. 2). При достаточно больших обратных напряжениях наблюдается резкое возрастание тока (пробой диода), что объясняется действием сильного поля, создающего в запорном слое новые носители тока. Соответствующее увеличение тока уже не описывается формулой(1).

Выпрямляющие свойства полупроводникового диода характеризуются коэффициентом выпрямления K_B который равен отношению величины прямого токаI_пр к величине обратного тока I_обр при одинаковых по величине прямом и обратном напряжениях, т. е.

K_B=I_пр/I_обр                                           (2)

Чем больше коэффициент выпрямления тем лучше выпрямитель выполняет свою роль.

Метод измерения и описание аппаратуры