Исследование свойств полупроводникового диода

                                    Лабораторная работа №33  

                Исследование свойств полупроводникового диода

Цель работы: получение вольтамперных характеристик и определение коэффициента выпрямления германиевого и селенового диодов.

Приборы и принадлежности: селеновый и германиевый полупроводниковые диоды, выпрямитель, миллиамперметр, вольтметр, переключатели.

Методические указания

Полупроводники по электропроводности занимают промежуточное положение между проводниками и диэлектриками и обладают рядом характерных свойств. В частности сопротивление полупроводников резко меняется с изменением температуры, а именно: с ростом температуры

 убывает. Электрические свойства полупроводников сильно зависят от наличия даже незначительного количества примеси, и т.д.

Эти и другие особенности свойств полупроводников хорошо объясняются зонной теорией проводимости, согласно которой  энергетические уровни отдельных атомов в результате взаимодействия атомов в твердых телах расщепляются и образуют зоны дозволенных значений энергии, разделенных интервалами запрещенных значений- запрещенными зонами.

Расположение валентной зоны и зоны проводимости для металлов, полупроводников и диэлектриков изображено на рис. 1.

Рисунок

Так как электропроводность связана с наличием свободных носителей заряда, т.е. с наличием электронов в зоне проводимости, то для металлов, у которых валентная зона и зона проводимости перекрываются, электропроводность при любых условиях отлична от нуля. У диэлектриков валентная зона заполнена полностью и электронов в зоне проводимости нет, а ширина запрещенной зоны велика DЕ>>kТ. Следовательно, тепловая энергия недостаточна для перехода электронов в зону проводимости, и электропроводность диэлектриков практически равна нулю.

У полупроводников, как и у диэлектриков, при Т=0 валентная зона заполнена полностью, и свободных электронов в зоне проводимости нет, но в отличие от диэлектриков, ширина запрещенной зоны мала DЕ<< kТ. Так как количество электронов в зоне проводимости и электропроводность пропорциональны вероятности перехода электрона из валентной зоны в зону проводимости

То с ростом температуры число электронов в зоне проводимости и, соответственно, электропроводность будут увеличиваться. При этом переход электронов в зону проводимости образует в валентной зоне вакантные уровни - дырки.

Пространственное перемещение валентных электронов по кристаллу будет эквивалентно движению дырок в обратном направлении. То есть дырки можно рассматривать как некоторые положительно заряженные квазичастицы с зарядом, равным заряду электрона. Общая проводимость полупроводников обусловлена суммарной электронно- дырочной проводимостью. Проводимость, обеспеченная в равной степени электронами и дырками, называется собственной проводимостью. Если концентрация свободных электронов в полупроводнике больше концентрации дырок или наоборот, то проводимость такого типа называется примесной. Примеси бывают двух сортов- донорные и акцепторные. Донорные примеси создают дополнительные разрешенные уровни энергии вблизи верхней границы запрещенной зоны. Атомы этих примесей отдают электроны в зону проводимости, и тем самым, обеспечивают  примесную электронную проводимость- n- типа. Акцепторные примеси создают дополнительные уровни вблизи нижней границы запрещенной зоны, атомы этих примесей принимают на свои уровни электроны из валентной зоны, и, тем самым, обеспечивают примесную дырочную проводимость- проводимость Р- типа.

Зонная структура полупроводников n  и  p типа изображена на рис.2.

рисунок

Основой любого полупроводникового диода является контакт полупроводников с различными типами проводимости. Так как концентрация свободных электронов  в n- области больше, чем в р- области, то электроны диффундируют дырки. Попадая в область с противоположной проводимостью, электроны рекомбинируют  (взаимно нейтрализуются) с дырками, и вблизи контакта наблюдается уменьшение концентрации свободных электронов и дырок, т.е. увеличение электрического сопротивления контакта. Из- за ухода части электронов из приконтактной области электронного полупроводника в дырочной вблизи границы, в n- области накапливается положительный заряд.

В Р- области за счет ухода дырок - отрицательный. Возникающая между двумя разность потенциалов U₀ (рис.3) препятствует дальнейшей диффузии через границу основных носителей тока, т.е. электронов из n- области  и дырок из Р- области. Теперь для перехода эти носители тока должны обладать дополнительной энергией  е U₀,  чтобы преодолеть так называемый потенциальный барьер, созданный на границе встречным электрическим полем. Теперь, если полупроводник включить в электрическую цепь, так чтобы внешнее поле было направлено против поля на Р - n переходе (рис.3,а), то высота потенциального барьера уменьшится на величину 2 е U, где U- напряжение от внешнего источника ( потенциальный барьер при отсутствии внешнего поля обозначен пунктиром).

При этом  и дырки, и электроны под действием внешнего поля начнут двигаться к контакту, следовательно, граничный слой обогатится носителями  заряда, его сопротивление уменьшится, в цепи потечет ток основных носителей I₀. Такое включение называется прямым или пропускным.

Рисунок

Если же направление внешнего поля совпадает с направлением поля на границе двух областей - такое включение называется обратным или запирающим, то высота потенциального барьера возрастает на величину 2еU (рис.3,б). Электроны и дырки оттягиваются полем из области Р-n перехода, его сопротивление увеличивается. Так как число носителей тока, имеющих энергию Е >n (U₀+2U) очень мало, то ток основных носителей практически равен нулю. Через Р-n переход идет только очень малый ток не основных носителей.

Основными характеристиками диода являются: вольтамперная характеристика прямого и обратного тока - зависимость силы тока, протекающего через полупроводник, от приложенного напряжения U;  коэффициент выпрямления k равный отношению прямого тока к обратному при фиксированном напряжении.

                                                                                          (1)

Для снятия вольтамперных характеристик используется схема, изображенная на рис. 4.

На рис Se и  Ge  соответственно селеновый и германиевый диоды, смонтированные на одной панели. Ключ К служит для включения в цепь одного из диодов Двухполюсный ключ ПК дает возможность менять направление тока в полупроводниках. Величина прямого тока измеряется миллиамперметром mA, обратного тока- микроамперметром mkA. Напряжение на схему подается от блока питания БП через потенциометр R и измеряется вольтметром V.

Рисунок

Порядок выполнения работы

1.  Собрать электрическую схему (рис.4). При соединении измерительных приборов с источником необходимо соблюдать полярность.

2.  Установить подвижный контакт потенциометра в положение, соответствующее наименьшему напряжению.

3.  Включить селеновый выпрямитель, для чего переключатель ПК поставить в положение 1-2, а К-  в положение 5.

4.  Постепенно увеличивая напряжение потенциометром R, проводить измерения напряжения прямого тока, протекающего через селеновый выпрямитель (снять не менее семи измерений).

5.  Поставить ключ К в положение 6, произвести измерение прямого тока, протекающего через германиевый выпрямитель при тех же значениях.

6.  Для снятия обратного тока поставить переключатель К в положение 3-4, а движок потенциометра в положение наименьшего напряжения и, произвести измерения обратного тока протекающего через селеновый и германиевый диоды, постепенно увеличивая напряжение.

7.  Результаты измерений занести в таблицу.

Se

Ge

¹

U (B)

Iпр (mA)

Iобр (mkA)

K

Kср

DКср

U (B)

Iпр (mA)

Iобр (mkA)

K

Kср

DКср

8.  По данным измерений построить вольтамперную характеристику I (U) для обоих диодов. Прямые напряжения и токи откладывать на положительных полуосях, обратные- на отрицательных.

9.  По формуле 1 вычислить коэффициент выпрямления при различных напряжениях для германиевого и селенового диодов, по данным вычислений определить среднее значение К и соответствующие погрешности.

Контрольные вопросы

1.  Какие материалы относятся к полупроводниковым? Каковы их свойства?

2.  Укажите типы проводимости и объясните, как получаются полупроводники с разными типами проводимости?

3.  Объясните проводимость полупроводников с точки зрения зонной теории.

4.  Объясните устройство и работу полупроводникового диода.

5.  Укажите техническое применение полупроводникового диода.

Литература

1.  Савельев И.В. Курс общей физики, т.2, гл.12.

2.  Зисман Г.А. Тодес О.М. Курс общей физики, т.2, гл.6.