37905

Исследования полупроводникового диода

Лабораторная работа

Физика

С точки зрения зонной теории полупроводниками являются кристаллические вещества у которых при 0 К валентная зона полностью заполнена электронами а ширина запрещенной зоны невелика например для германия она равна 072 эВ. Выясним природу этих носителей на примере полупроводника из германия. Все атомы германия нейтральны и связаны друг с другом ковалентными связями. Чтобы создать проводимость необходимо разорвать хотя бы одну из связей удалив из атома германия электрон и перенеся его в какуюлибо другую кристаллическую ячейку где все...

Русский

2013-09-25

566 KB

48 чел.

Cодержание

1. Цель……………………………………………………………………..4

2. Теоретическая часть…………………………………………………...4

2.1. Собственные полупроводники…………………………………..4

2.2. Примесные полупроводники n- типа…………………………...6

2.3. Примесные полупроводники р- типа…………………………...8

2.4. Контакт электрического и дырочного

полупроводников (р-n- переход) ……………………………….9

2.4.1. Равновесное состояние р-n- перехода………………………...9

2.4.2. Выпрямляющие свойства р-n- перехода…………………….11

3. Экспериментальная часть……………………………………………12

3.1. Приборы и принадлежности……………………………….......12

3.2. Описание установки……………………………………………13

3.3. Требования к технике безопасности………………………......13

3.4. Порядок выполнения работы………………………………......14

3.5. Обработка результатов эксперимента………………………...14

3.6. Требования к отчету……………………………………………14

4. Контрольные вопросы……………………………………………….15

Список литературы………………………………………………….15


Лабораторная работа № 78

Исследования полупроводникового диода

1. Цель работы

1.1. Изучение вольтамперной характеристики диода.

1.2. Изучение зависимости сопротивления диода от величины приложенного напряжения.

2. Теоретическая часть

Полупроводниками называется группа веществ, удельное сопротивление которых изменяется в широких пределах: от 10-5 до 10 - 8 Ом м - 1. Характерным для полупроводников является изменение их электропроводности под действием внешних факторов: температуры, освещения, давления, что позволяет создавать чувствительные термосопротивления, фотосопротивления, тензометры.

С точки зрения зонной теории полупроводниками являются кристаллические вещества, у которых при 0 К валентная зона полностью заполнена электронами, а ширина запрещенной зоны невелика (например, для германия она равна 0,72 эВ). Поэтому при абсолютном нуле полупроводник, как и диэлектрик, обладает нулевой проводимостью.

Различают собственные и примесные полупроводники. К числу собственных относятся химически чистые полупроводники (германий, кремний, селен и др.). Электрические свойства примесных полупроводников определяются имеющимися в них искусственно вводимыми примесями.

 

2.1. Собственные полупроводники

Экспериментальные исследования ряда явлений в химически чистых полупроводниках привели к заключению, что в них имеются носители тока обоих знаков. Выясним природу этих носителей на примере полупроводника из германия.

Все атомы германия нейтральны и связаны друг с другом ковалентными связями. Чтобы создать проводимость, необходимо разорвать хотя бы одну из связей, удалив из атома германия электрон и перенеся его в какую-либо другую кристаллическую ячейку, где все связи заполнены, и этот электрон будет лишним. Такой электрон в дальнейшем может свободно переходить из одной кристаллической ячейки в другую, перенося с собой избыточный отрицательный заряд, т.е. становится электроном проводимости. В атоме же германия, в его валентной оболочке, образуется вакантное место, которое называется дыркой. Дырка перемещается по кристаллу, поскольку электрон соседнего атома быстро занимает место ушедшего. Отсутствие электрона означает наличие у атома германия единичного положительного заряда, который переносится вместе с дыркой. Электроны и дырки являются носителями зарядов противоположного знака в собственных полупроводниках.

Рассмотрим процесс возникновения носителей тока в собственных полупроводниках на основе зонной теории твердых тел.

На рисунке 2.1, а показаны энергетические зоны собственного полупроводника при 0 К: валентная зона I заполнена электронами полностью, уровни зоны проводимости II свободны.

Рис. 2.1

С повышением температуры вследствие термического возбуждения электронов валентной зоны часть из них приобретает энергию, достаточную для преодоления запрещенной зоны () и перехода в зону проводимости. Это приводит к появлению в зоне проводимости свободных электронов, а в валентной зоне – дырок, которые ведут себя как частицы с положительным зарядом (рис. 2.1, б).

При наложении электрического поля электроны зоны II начинают переходить на более высокие энергетические уровни, т.к. они свободны. В зоне I электроны под действием поля также получают возможность переходить на более высокие энергетические уровни, занимая вакантное место дырки, в результате чего появляется новая дырка ниже первоначальной, наблюдается движение дырок в зоне I сверху вниз. Таким образом, в собственных полупроводниках электроны в зоне II являются отрицательными носителями тока, дырки в зоне I – положительными носителями.

2.2. Примесные полупроводники n- типа

Механизм действия примесей на проводимость полупроводников рассмотрим также на примере германия. Предположим, что в кристаллической решетке этого полупроводника часть атомов германия (Gе) замещена атомами большей валентности, например, атомами пятивалентного мышьяка (As) (рис. 2.2, а).

Рис. 2.2

Для образования ковалентной химической связи с соседними атомами германия атом мышьяка расходует четыре валентных электрона, пятый электрон в образовании связи не участвует. При сообщении этому «лишнему» электрону энергии ≈ 0,01 эВ он может оторваться от атома мышьяка и свободно перемещаться в решетке германия, превращаясь, таким образом, в электрон проводимости (рис. 2.2, б). Примеси, являющиеся источниками электронов, называются донорными, а полупроводники, содержащие такую примесь, электронными полупроводниками или полупроводниками  n- типа, часто их называют также донорными полупроводниками.

С точки зрения зонной теории этот процесс можно представить следующим образом. При абсолютном нуле между заполненной валентной зоной I и свободной зоной проводимости II располагаются энергетические уровни мышьяка, заполненные электронами (рис. 2.2, г). Эти уровни, называемые донорными, находятся непосредственно у «дна» зоны II, на расстоянии0,01 эВ от нее.

Энергия  называется энергией ионизации донорного примесного атома. С повышением температуры тепловое движение «выбрасывает» в зону II электроны с донорных уровней (рис. 2.2, г). При наложении электрического поля эти электроны перемещаются в зоне II, т.к. энергетические уровни этой зоны свободны. Образующиеся при переходах 1 (рис. 2.2, г) положительные заряды локализуются на донорных уровнях и в проводимости не участвуют. Наряду с переходами типа 1 возможны переходы электронов из валентной зоны I в зону проводимостей II. Поскольку энергия ионизации донорного атома много меньше ширины запрещенной зоны (), то при не очень высоких температурах первый из этих процессов (1 на рис. 2.2, г) оказывается доминирующим. Концентрация электронов в зоне II при этом во много раз больше концентрации дырок в зоне I. В таких условиях электроны называются основными носителями, а дырки – неосновными.

2.3. Примесные полупроводники р- типа

Полупроводники р- типа могут быть получены, если в решетке германия часть атомов замещена атомами меньшей валентности, чем атомы германия, например, при введении в качестве примеси индия (In) (рис. 2.3, а).

Три электрона атома In участвуют в образовании валентной связи с соседними атомами германия, но на образование связи с четвертым атомом германия у индия не хватает электрона. Индий обладает свойством притягивать к себе электроны, являясь акцептором. На образование четвертой связи он «заимствует» электрон у атома германия. Расчет показывает, что для этого требуется энергия 0,01 эВ, называемая энергией ионизации акцепторного атома. В валентной оболочке германия образуется вакантное место – дырка (рис. 2.3, б).

Представим этот процесс с точки зрения зонной теории. Введение индия в кристалл германия приводит к появлению в запрещенной зоне III примесного уровня, называемого акцепторным, который располагается у «потолка» зоны 1 на расстоянии  от нее. При абсолютном нуле он ничем не заполнен, т.к. при этих условиях невозможен отрыв электрона от атома германия (рис. 2.3, а).

Рис. 2.3

С повышением температуры электроны из валентной зоны переходят на примесные уровни (рис. 2.3, г), в результате чего в зоне I появляются дырки, являющиеся носителями положительного заряда. Электроны, перешедшие из зоны I на примесный уровень, связываются с атомами индия и в проводимости не участвуют. Наряду с переходом 1 (рис. 2.3, г), возможен переход 2, приводящий к появлению в зоне II отрицательных носителей тока – электронов. Но т.к. , первый процесс является доминирующим, поэтому дырки в зоне I являются основными носителями, а электроны зоны II – неосновными.

Полупроводники описанного типа называются дырочными или полупроводниками р- типа. Часто их называют акцепторными полупроводниками.

2.4. Контакт электронного и дырочного полупроводников

(р-n- переход)

Р-n- переходом называется электрический контакт двух примесных полупроводников с различным типом проводимости.

2.4.1. Равновесное состояние р-n- перехода

Равновесное состояние соответствует отсутствию внешнего напряжения на р-n- переходе (рис. 2.4).

Рис. 2.4

Поскольку концентрация электронов в полупроводнике n- типа больше, чем в полупроводнике р- типа, часть электронов диффундирует из n- области в р- область дырки же наоборот, диффундируют из р- области в n- область. Электроны, оказавшиеся в р- полупроводнике, рекомбинируют с дырками, т.е. занимают вакантные места в атоме германия (рис. 2.4). В результате рекомбинации электрон как носитель тока исчезает, ион германия превращается в нейтральный атом, а на атоме акцептора появится нескомпенсированный отрицательный заряд. Дырка, оказавшаяся в результате диффузии в n- полупроводнике, рекомбинирует с основным носителем – электроном, в результате чего на донорном атоме появится нескомпенсированный положительный заряд. Т.к. акцепторные и донорные атомы находятся в узлах кристаллической решетки и не могут поступательно перемещаться, по обе стороны границы между двумя полупроводниками образуется двойной слой пространственного заряда – отрицательные заряды ионов акцепторных атомов в р- области и положительные заряды ионов донорных атомов в n- области. Возникающее при этом контактное электрическое поле противодействует дальнейшей диффузии основных носителей тока, т.е. создает для них потенциальный барьер.

В условиях равновесия поток электронов из n- в р- область, создающий ток основных носителей In через р-n - переход, уравновешивается встречным потоком электронов из р- в n- область, создающим ток неосновных носителей . Следовательно, в условиях равновесия  и результирующий ток, создаваемый потоком электронов, равен нулю. То же самое можно сказать и о токе, создаваемом дырками.

2.4.2. Выпрямляющие свойства р-n- перехода

Внешнее электрическое поле изменяет высоту барьера и нарушает равновесие потоков носителей тока через р-n- переход.

Приложим к р-n- переходу, находившемуся в равновесии (рис. 2.5, а), внешнюю разность потенциалов U в прямом направлении, подключив к n- области отрицательный полюс источника, к р- области – положительный (рис. 2.5, б). На рисунках 2.5, б и 2.5, в E и Еk – напряженности электрических полей внешнего и контактного, соответственно. Эта разность потенциалов вызывает понижение потенциального барьера для основных носителей до значения ().

а

б

в

Рис. 2.5

Поэтому поток электронов из n- в р- полупроводник увеличит в  раз ток основных носителей. Ток неосновных носителей останется без изменения, т.к. поток неосновных носителей от высоты потенциального барьера не зависит. Результирующий ток через         р-n- переход (прямой ток) будет равен

,

( – ток основных и неосновных носителей в условиях равновесия).

Так как , а , то

.

Приложим теперь к р-n- переходу внешнюю разность потенциалов (U) в обратном направлении, подключив к р- области отрицательный полюс источника напряжения, к n- области – положительный (рис. 2.5, в). Под действием этой разности потенциалов потенциальный барьер перехода повысится до значения (eUk +eU), что вызовет уменьшение в  раз потока основных носителей и тока, созданного основными носителями. Ток основных носителей в этом случае будет равен

,

а результирующий ток (обратный ток)

.

На рисунке 2.6 представлена вольтамперная характеристика  р-n- перехода.

Рис. 2.6

Таким образом, зависимость тока через р-n- переход от приложенного напряжения характеризуется резко выраженной нелинейностью.

3. Экспериментальная часть

3.1. Приборы и принадлежности

1. Объект исследования (ОИ), представляющий собой вилку с переключателем, в корпусе которой установлены образцы – промышленные диоды.

2. Блок управления и индикации (БУИ).

3.2. Описание экспериментальной установки

Схема установки приведена на рисунке 3.1.

Рис. 3.1

На переднюю панель БУИ выведены:

1) кнопки набора режимов работы «ВАХ-ФВХ», «прямая -обратная» и лампочки для индикации выбранных режимов;

2) кнопки «+», «-», предназначенные для установки напряжения в режимах «ВАХ» «прямая» и «ВАХ» «обратная»;

3) розетка для установки объекта исследования.

3.3. Требования к технике безопасности 

Электропитание экспериментальной установки осуществляется от розетки, расположенной на стене, к которой подведено сетевое напряжение 220 В. Установка подключается проводом с двухполосной вилкой. Все токоведущие части установки закрыты, что исключает их касание.

При выполнении работы необходимо:

1) внимательно ознакомиться с заданием и экспериментальной установкой;

2) проверить заземление установки и изоляцию токоведущих проводов, о замеченных неисправностях немедленно сообщить преподавателю;

3) не загромождать лабораторный стол с установкой посторонними предметами;

4) не оставлять без присмотра работающую установку;

5) по окончании работы выключить установку, отсоединить провода от сети и привести в порядок рабочее место.

3.4. Выполнение работы

1. Переключатель ОИ поставить в положение КД 226.

2. Включить «Сеть» на задней панели БУИ. При этом на всех индикаторах должны установиться нули, загореться лампочки «ВАХ» и «прямая».

3. Дать прогреться установке 5 мин.

4. Меняя напряжение в пределах от 0 до 1 В с шагом 0,1 В снять вольт-амперную характеристику (ВАХ) p-n- перехода, включенного в прямом пропускном направлении. Нажать кнопку «сброс». Результаты занести в таблицу 3.1.

Таблица 3.1

Uпр, В

Iпр, mА

3.5. Обработка результатов эксперимента

1. Построить ВАХ p-n- перехода для прямого включения на миллиметровой бумаге (масштаб: в 1 см 1 mА, в 2 см - 0,1 В).

2. По ВАХ найти сопротивление диода при прямом  включении

,

как котангенс угла наклона касательной в данной точке при различных напряжениях. Результаты занести в таблицу 3.2.

4. Построить график зависимости R = f (U) для диода при прямом включении.

5. Рассчитывают абсолютную и относительную погрешности, Rпр (класс точности индикаторных измерительных приборов 0,5).

Таблица 3.2

Uпр, В

Rпр, кОм

 

3.6. Требования к отчету

Отчет по лабораторной работе должен содержать:

1) название и номер лабораторной работы, цель работы;

2) основные теоретические положения;

3) основные формулы для выполнения расчетов;

4) график ВАХ для прямого включения диода, выполненный на миллиметровой бумаге;

5) график зависимости R = f (U), выполненный на миллиметровой бумаге;

6) формулы для расчета и расчет относительной и абсолютной погрешности Rпр;

7) выводы.

 

4. Контрольные вопросы

1. Какие вещества относятся к полупроводникам  с точки зрения зонной теории?

2. Как возникает электронная проводимость в полупроводниках n- типа?

3. Как возникает дырочная проводимость в полупроводниках     р- типа?

4. Какова природа носителей тока в собственных полупроводниках?

5. Почему на границе полупроводников р- и n- типа возникает двойной электрический слой?

6. Какова природа электрических зарядов на границе р-n- перехода?

7. Чему равен ток через р-n- переход в условиях равновесия?

8. Каким выражением определяется прямой ток через р-n- переход?

9. Каким выражением определяется обратный ток через р-n- переход?

10. Чем объясняется односторонняя проводимость р-n- перехода?

11. Как включить р-n- переход в прямом направлении?

12. Что называется коэффициентом выпрямления диода?

13. Как зависит сопротивление p-n- перехода от напряжения при прямом и обратном включении?

Список литературы

1. Епифанов Г.И. Физика твердого тела. - М.: Высшая школа, 1977.

2. Савельев И.В. Курс физики. Кн. 5. - М.: Наука, 1989.

3. Детлаф А.А., Яворский В.М. Курс физики. – М.: Высшая школа, 2002.

13

PAGE  11


ОИ

сброс

ВАХ-ВФХ

прямая-обратная

мА

мкА

мФ

В

БУИ