Лабораторная работа №2

 

ИЗУЧЕНИЕ ЭЛЕКТРОННОДЫРОЧНЫХ ПРОЦЕССОВ

В pn ПЕРЕХОДЕ

 

 

ЦЕЛЬ РАБОТЫ

 

Цель работы состоит в экспериментальном изучении вольт–ам-перной характеристики полупроводникового диода и в вычислении параметров, характеризующих выпрямительные свойства диода, а также в оценке ширины запрещённой зоны полупроводникового материала.

 

 

ЭЛЕКТРОННО-ДЫРОЧНЫЕ ПРОЦЕССЫ В pn ПЕРЕХОДЕ

 

Энергетический спектр электрона в кристаллических твёрдых телах состоит из интервалов энергий, которые электрон не может иметь (запрещённые зоны) и интервалов энергий, которые элек-трон может иметь (разрешённые зоны).


На рис.1 изображены три наивысшие по своим значениям энер-гетические зоны некоторого кристаллического твёрдого тела: зона проводимости, зона запрещённых энергий и валентная зона.

Полупроводниками называются такие вещества, у которых при абсолютном нуле температуры валентная зона полностью запол-нена электронами, зона проводимости свободна в ней нет элек-тронов, а ширина запрещённой зоны .

При абсолютном нуле температуры в полупроводниках нет но-сителей тока, и они не проводят электрический ток. При повыше-нии температуры вследствие теплового движения отдельные элек-троны в валентной зоне приобретают достаточно энергии, чтобы преодолеть запрещённую зону и перейти в зону проводимости, при этом в валентной зоне возникают свободные дырки. Этот процесс называют тепловой генерацией носителя тока. В полупроводниках без примесей тепловая генерация приводит к появлению одинако-вого количества электронов в зоне проводимости и дырок в валент-ной зоне, проводимость таких проводников называется собствен-ной проводимостью, а сами проводники собственными полупро-водниками. Наряду с процессами тепловой генерации при случай-ной встрече электронов и дырок происходит их рекомбинация переход электрона из зоны проводимости на свободное место в ва-лентной зоне (дырку).

При введении в полупроводник примесей в запрещённой зоне полупроводника возникают отдельные уровни энергии, на которых может находиться электрон. Эти уровни локализованы вблизи при-месного атома и называются локальными или примесными уров-нями. Например, при введении в германий или кремний, которые являются четырёхвалентными элементами, атомов пятивалентного элемента- сурьмы , четыре из пяти валентных электронов атома сурьмы вместе с четырьмя непарными электронами, принадле-жащими четырем ближайшим соседним атомам германия  или кремния , образуют систему двухэлектронных (ковалентных) связей. Пятый электрон, будучи «лишним» для примеси сурьмы в германии, оказывается слабо связанным с атомом сурьмы. Эта энергия связи оказывается настолько малой, что при комнатной температуре все атомы сурьмы в германии теряют свои лишние электроны. Эти электроны становятся свободными носителями то-ка, т.к. оказываются в зоне проводимости.

Примеси, которые поставляют электроны в зону проводимости, называются донорами. Проводимость, обусловленная электронами, оторвавшимися от атомов примесей, называется «электронной про-водимостью», а полупроводники с электронной проводимостью на-зываются электронными полупроводниками или полупроводниками «-типа». На рис.2 изображены процессы перехода электрона с до-норного уровня в зону проводимости и обратного захвата элек-трона на донорный уровень (процессы 3).

Аналогично сказанному, для каждого типа полупроводников су-ществуют примеси, которые образуют локальные уровни вблизи валентной зоны. Электрон из валентной зоны полупроводника при небольшом повышении температуры может быть захвачен таким атомом примеси, и в валентной зоне образуется свободная дырка. Примеси, которые поставляют дырки в валентную зону, называ-ются акцепторами. Проводимость, обусловленная дырками, постав-ляемыми атомами примесей, называется дырочной проводимостью, а полупроводник с дырочной проводимостью называется дырочным полупроводником «типа». На рис.2 изображены процессы пере-хода дырок с акцепторного уровня в валентную зону и обратного захвата дырки на акцепторный уровень (процессы 4). Поясним, что процесс освобождения дырки с акцепторного уровня означает зах-ват электрона из валентной зоны на этот уровень.

 


Дырки в дырочном полупроводнике и электроны в электронном полупроводнике называются основными носителями тока. Однако в полупроводниках с любым типом проводимости всегда имеет место тепловая генерация электронов и дырок, что приводит к появлению электронов в зоне проводимости и дырок в валентной зоне, по-этому в дырочных полупроводниках всегда имеется небольшая концентрация электронов, находящихся в тепловом равновесии с дырками, а в электронных полупроводниках всегда имеется не-большая концентрация дырок. Электроны в полупроводниках типа и дырки в полупроводниках типа называются неосновными носителями. При этом в результате термогенерации немного увели-чивается и концентрация основных носителей тока.

При контакте двух полупроводников с разным типом проводи-мости на границе контакта возникает узкая область с уникальными физическими свойствами. Эта область называется  переходом, а её свойства лежат в основе работы большинства приборов твёр-дотельной электроники.

Важнейшим свойством  перехода является следующее:  переход обладает односторонней проводимостью. Рассмотрим физические процессы, позволяющие объяснить это свойство  перехода. На рис.3а изображены графики зависимости концентра-ции электронов (пунктирная кривая) и дырок (сплошная кривая) от пространственной координаты «X» для случая, когда полу-проводники с разным типом проводимости ещё не приведены в контакт. Ось «X» направлена перпендикулярно к плоскости кон-такта. В полупроводнике типа дырки являются основными носи-телями тока и их концентрация  на несколько порядков больше концентрации электронов , в полупроводнике n-типа соотноше-ние между  и   обратное .

Если «» и «»области привести в контакт, то электроны и дырки из своих областей начнут диффундировать навстречу друг другу и рекомбинировать между собой. В результате их взаимной рекомбинации в узком слое контакта возникает слой с малой кон-центрацией носителей тока, т.е. с высоким сопротивлением. Эта область контакта толщиной  называется запирающим слоем.

На рис.3б сплошная кривая показывает изменение концентрации дырок в  переходе: концентрация дырок уменьшается от её зна-чения в -области полупроводника до её значения в области, где дырки являются неосновными носителями. Третья кривая на рисун-ке показывает суммарную концентрацию носителей тока.

В –области контакта в результате ухода электронов с доноров ос-таются нескомпенсированные положительно заряженные ионы при-месей, образующие слой с положительным объемным зарядом. Аналогично этому, в –области после ухода дырок образуется слой отрицательного заряда (рис.3в). В результате в области  перехода возникает электрическое поле с напряженностью  и контактная разность потенциалов . Это поле, являясь внутрен-ним полем  перехода, направлено от –области к –области и препятствует дальнейшей диффузии основных носителей тока. Это происходит в результате того, что для проникновения дырки из –области в –область необходимо преодолеть потенциальный барь-ер, равный , где – элементарный электрический заряд, и толь-

ко небольшая часть дырок обладает достаточной тепловой энер- гией для такого перехода. Ток основных носителей через  пере-ход называется диффузионным током или током рекомбинации.

Для неосновных носителей тока электрическое поле  перехода не является препятствием, и они свободно перемещаются (дрейфуют) в области  перехода под действием его электрического поля. Ток неосновных носителей через  переход называется дрейфовым то-ком или током генерации.

Направление в  переходе от -области к -области называ-ется прямым направлением, противоположное направление называет-ся обратным направлением.

В отсутствии внешнего электрического поля имеет место динами-ческое равновесие между токами через  переход: диффузионный ток основных носителей, текущий в прямом направлении, равен дрей-фовому току, текущему в обратном направлении. Дрейфовый ток представляет собой обратный ток  перехода.

При приложении к  переходу внешнего напряжения баланс между прямым и обратным токами нарушается, причем характер из-менений существенно зависит от полярности приложенного напря-жения. Если внешнее напряжение приложено в прямом направлении против контактной разности потенциалов , то потенциальный барь-ер для диффузионного тока основных носителей уменьшится до вели-чины  (рис.3г), что приводит к резкому (экспоненциальному) увеличению тока через  переход.

Если внешнее напряжение приложено в обратном направлении, то потенциальный барьер в  переходе для основных носителей уве-личивается, и они не могут его преодолеть. Через  переход идет только слабый обратный ток, определяемый существованием неболь-шого количества неосновных носителей тока. Концентрация неоснов-ных носителей тока не зависит от внешнего напряжения. Обратный ток слабо зависит от величины обратного напряжения. Это означает, что сопротивление  перехода в обратном направлении увеличива-ется в   раз по сравнению с его сопротивлением в прямом на-правлении. Так объясняется односторонняя проводимость  пе-рехода и связанное с ней выпрямляющее действие  перехода.

На рис.3г изображено изменение скачка потенциала в  пере-ходе и толщина  перехода в зависимости от полярности прило-женного напряжения.

Как показывает теория, аналитическое выражение, описывающее вольтамперную характеристику перехода, имеет вид:

 

,                             (1)

 

где   напряжение на  переходе (положительное в прямом направлении и отрицательное в обратном),

  обратный ток, называемый также «ток насыщения»,

  элементарный электрический заряд,

постоянная Больцмана,

  температура  перехода в Кельвинах.

Вольт-амперная характеристика, построенная по формуле (1) при-ведена на рис.4.

 

 


Из расчетов следует, что величина тока насыщения пропорцио-нальна концентрации неосновных носителей ( , где nконцен-трация собственных носителей заряда). Температурная зависимость  определяется множителем  ,поэтому ток насыщения (об-ратный ток) зависит от температуры следующим образом:

 

,                                    (2)

где  — константа,

 — ширина запрещенной зоны,

константа Больцмана.

Если измерить обратный ток при двух разных температурах:  при  и  при , то, исходя из формулы (2), можно вычислить ширину запрещенной зоны:

 

,

 

,

 

.                                  (3)

 

Выпрямительные свойства диода определяются коэффициентом выпрямления  и динамическим (дифференциальным) сопротив-лением диода в прямом  и обратном  направлении. Коэффици-ент  вычисляется по формуле:

 

,                                              (4)

 

где  полное (интегральное) сопротивление диода в прямом  и обратном направлении

Динамическое сопротивление  вблизи некоторой выбранной точ-ки  на вольт-амперной характеристике вычисляется по фор-муле:

 

,                                         (5)

 

где — тангенс угла наклона касательной к выбранной точке вольт-амперной характеристики.

В данной лабораторной работе рекомендуется выбрать рабочую точку для U0 при вычислении  в диапазонеВ и для  в диапазоне В.

 

 


ОПИСАНИЕ УСТАНОВКИ

Принципиальная схема установки приведена на рис.5. Вольт-ам-перная характеристика в прямом направлении измеряется при уста-новке ключа  в положение «Прямое включение». При этом на диод подаётся напряжение, которое можно плавно менять с по-мощью регулировок «Установка напряжения». Значение тока сни-мается с индикатора «Ток диода».

Для измерения вольт-амперной характеристики в обратном на-правлении переключатель  устанавливается в положение «Обрат-ное включение». При этом на диод подаётся напряжение обратной полярности, которое можно плавно менять с помощью регулировок «Установка напряжения». Значение тока снимается с индикатора «Ток диода».

Для измерения вольт-амперной характеристики при повышен-ной температуре переключателем «Температура» задаётся нужное значение Т°С.

 

 

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

 

Измерения

 

1. Включить установку на стенде с соответствующим номером ра-боты. Дать прогреться приборам 5 минут.

2. Измерить вольтамперную характеристику диода в прямом нап-равлении, для этого:

– регулятор «Установка температуры» поставить в положение «min»;

– переключатель  поставить в положение «Прямое вклю-чение»;

– плавно изменяя прямое напряжение регуляторами «Установка напряжения» от 0В до + 0,8В, измерить ток в прямом направлении по индикатору «Ток диода». Результаты измерений записать в таблицу 1.

 

Таблица 1

Прямое направление

 1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3. Измерить вольт-амперную характеристику диода в обратном направлении, для этого;

регулятор «Установка температуры» поставить в положение «min»;

переключатель  поставить в положение «Обратное включение»;

– изменяя обратное напряжение регуляторами «Установка напря-жения» от 0В до 6В, измерить ток в обратном направлении по индикатору «Ток диода». Результаты измерений записать в таблицу 2.

 

Таблица 2

Обратное направление

 1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

, В

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

, мкА

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4. Установить температуру нагрева диода по указанию препо-давателя, для этого:

— поставить переключатель индикатора «Температура» в поло-жение «заданная»;

— установить по индикатору температуру нагрева (32°C, 36°C или 40°C) с помощью регулятора «Установка температуры»;

— поставить регулятор «Температура» в положение «текущая» и дождаться заданного значения на индикаторе «Температура».

5. Вновь измерить вольт-амперную характеристику диода в обрат-ном направлении согласно пункту 3. Результаты записать в таблицу 3.

 

Внимание! При снятии вольт-амперной характеристики диода в обратном направлении зафиксировать не менее пяти точек на участке  В!

 

Таблица 3

 Т°C =                                           Обратное включение

 1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

, В

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

, мкА

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

6. После окончания измерений выключить установку на стенде.

 

 

Обработка результатов измерений

 

1. Постройте на миллиметровой масштабной бумаге вольтам-перные характеристики диода. Для большей наглядности необхо-димо использовать разный масштаб для тока в прямом и обратном направлении.

2. Вычислите полное сопротивление диода в прямом направлении  при каком-либо одном напряжении в диапазоне (0,3–1,1)В и в обратном направлении  при каком-либо напряжении в диапазо-не В.

3. Вычислить по формуле (6) коэффициент выпрямления, харак-теризующий выпрямительные свойства диода.

 

                                      (6)

 

Вычислить при тех же напряжениях динамическое (дифферен-циальное) сопротивление диода в прямом и обратном направлении . Динамическое сопротивление вычисляется по формуле:

 

,                                            (7)

 


где  и  – небольшое изменение напряжения и соответству-ющее ему изменение тока, причем приращения  и  связаны линейной зависимостью, определяемойкасательной к вольтампер-ной характеристике в заданной точке  этой характеристики (рис 6):

 

4. Определите на построенных вольтамперных характеристиках токи  и  при обратном направлении в области В, на «пла-то» характеристики по формуле (3) вычислите ширину за-прещенной зоны полупроводника. Значение ширины запрещенной зоны следует перевести в электрон-вольты, для чего восполь-зуйтесь соотношением  

 

 

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

 

1. Какие физические свойства вещества зависят от ширины за-прещенной зоны?

2. Нарисуйте зонную схему собственного полупроводника и типов. Укажите на ней энергию ионизации примесей, ширину запрещенной зоны.

3. Почему обратный ток  перехода зависит от температуры?

4. Объясните следующие термины: основные носители тока, не-основные носители тока.

5. Объясните следующие термины: термогенерация носителей заряда, рекомбинация носителей заряда.

6. Объясните следующие термины: донор, акцептор, полупро-водник p типа, полупроводник типа.

7. Объясните термин: «запирающий слой». Почему такой слой возникает на контакте двух полупроводников с разным типом про-водимости?

8. Объясните физические явления, приводящие к односторонней проводимости  перехода.

9. Возникает ли контактная разность потенциалов на контакте двух разных металлов? Возникает ли на таком контакте односто-ронняя проводимость?

10. Возникает ли контактная разность потенциалов на контакте металл – полупроводник? Возникает ли на таком контакте односто-ронняя проводимость?

11. Объясните следующие термины, относящиеся к токам, теку-щим через  переход: диффузионный ток, дрейфовый ток, ток термогенерации.

12. Можно ли уменьшить ток насыщения, увеличивая обратное напряжение на  переходе?

13. Какими физическими процессами объясняется существо-вание тока насыщения?

14. За счет каких процессов происходит резкое увеличение тока насыщения при увеличении температуры?

15. Полупроводниковый диод охладили до абсолютного нуля. Как изменились свойства  перехода?

16. Нарисуйте схему одно– и двух– полупериодного выпрям-ления переменного тока с использованием диодов.

17. Какими основными параметрами характеризуются полупро-водниковые диоды?

18. Как зависят выпрямительные свойства полупроводниковых диодов от частоты выпрямляемого тока?

19. На рис.7а, 7б приведены две различные схемы для изме-рения вольтамперной характеристики (ВАХ) диода в прямом на-правлении. Напряжение источника питания (ИП) можно плавно из-менять. Схемы различаются способом подключения вольтметра. Какую из схем следует применить для измерения ВАХ диода в прямом направлении?


 

20. Из-за чего появляется ошибка при измерении вольтампер-ной характеристики диода в прямом направлении при использо-вании схемы, изображенной на рис.7а?

21. Из-за чего появляется ошибка при измерении вольт–ампер-ной характеристики диода в прямом направлении при использова-нии схемы, изображенной на рис.7б?

22. В схемах на рис.7а, 7б приборы и диод имеют следующие па-раметры: внутреннее сопротивление миллиамперметра  =10 Ом, внутреннее сопротивление вольтметра =1 МОм. Показания вольт-метра V= 0,5 В при показании миллиамперметра I=55 мА. Найти относительную ошибку (ΔV/V) измерения напряжения на диоде по схеме 7а, если в качестве напряжения на диоде взять показания вольтметра.

23. Используя значения параметров схемы в предыдущем воп-росе, найти относительную ошибку (ΔI/I) измерения тока по схеме нарис.7б, если в качестве тока диода взять показания милли-амперметра. Действительно ли с такой точностью измеряется ток в этой лабораторной работе?

24. На рис.8а, 8б приведены две различные схемы для изме-рения вольт–амперной характеристики диода (ВАХ) в обратном на-правлении. Напряжение источника питания можно плавно изме-нять. Схемы различаются способом подключения вольтметра. Ка-кую из схем следует использовать для измерения ВАХ в обратном направлении?


 

25. Из-за чего появляется ошибка при измерении вольт–ампер-ной характеристики диода в обратном направлении при использо-вании схемы 8а?

26. Из-за чего появляется ошибка при измерении вольт–ампер-ной характеристики диода в обратном направлении при использо-вании схемы 8б?

27. В схемах на рис.8а, 8б приборы и диод имеют следующие па-раметры: внутреннее сопротивление микроамперметра = 300 Ом, внутреннее сопротивление вольтметра = 1 МОм. Показание вольтметра V= 10 В, показание микроамперметра I= 85 мкА. Найти относительную ошибку (ΔI/I) измерения тока по схеме измерения тока по схеме 8б, если в качестве тока диода взять показания мик-роамперметра.

28. Используя значения параметров схемы в предыдущем воп-росе, найти относительную ошибку (ΔV/V) измерения напряжения на диоде по схеме 8а ,если в качестве напряжения на диоде взять показания вольтметра. Действительно ли с такой точностью изме-ряется напряжение в этой лабораторной работе?

29. Что произойдёт в схеме на рис.8а,8б, если после измерения тока при максимальном напряжениии на диоде, не снижая напря-жения источника питания и не изменяя диапазона измерения тока микроамперметра, отключить диод от клемм, а затем «по ошибке» присоединить его вновь в прямом направлении? В работе для изме-рения тока в обратном направлении используется прибор Ф 195 с магнитно–электрической системой и стрелочным указателем.

30. Предположим, что в ситуации, описанной в вопросе 29, ис-точник питания может выделять неограниченную мощность на наг-рузке. Что произойдёт в схеме в этом случае?

 

 

 

ForStu / Практика / Физика / МЕТОДИЧКИ+ЛАБЫ(2 курс МАТИ, 5 факультет)

Copyright © 2004-2017, ForStu

Яндекс.Метрика