Общие сведения о полупроводниках
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ
УЧРЕЖДЕНИЕ ОБРАЗОВАНИЯ
«БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ТРАНСПОРТА»
Кафедра микропроцессорной техники
И информационно-управляющих систем
ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ
Лабораторный практикум
По дисциплине «Электронные устройства на транспорте»
Гомель 2007
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ
УЧРЕЖДЕНИЕ ОБРАЗОВАНИЯ
«БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ТРАНСПОРТА»
Кафедра микропроцессорной техники
и информационно-управляющих систем
ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ
Лабораторный практикум
по дисциплине «Электронные устройства на транспорте»
Одобрен методической комиссией электротехнического факультета
Гомель 2007
УДК 621.382.2
ББК 32.852
П 53
А в т о р ы : В. Е. Минин, Г. С. Гаврилов, С. Ф. Ермаков, Е. А. Жидкова.
Р е ц е н з е н т – канд. техн. наук, доцент М. Л. Шишаков (УО «БелГУТ»).
Полупроводниковые диоды : лабораторный практикум по дисциплине
П53 “Электронные устройства на транспорте” / В. Е. Минин [и др.] ; М-во об-
разования Респ. Беларусь, Белорус. гос. ун-т трансп. – Гомель : БелГУТ,
2007. – 59 с.
ISBN 978-985-468-271-6
Приведены краткие теоретические сведения и порядок проведения лабораторных
исследований полупроводниковых диодов и устройств на их основе.
Предназначендля студентов специальности “Автоматика,телемеханикаи связь натранспорте”.
УДК 621.382.2
ББК 32.852
ISBN 978-985-468-271-6
© Оформление. УО «БелГУТ», 2007
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ПОЛУПРОВОДНИКАХ
К полупроводникам относят вещества, которые по своим электрическим
свойствам занимают промежуточное положение между диэлектриками и
проводниками. Отличительной особенностью полупроводников является
зависимость их электропроводимости от температуры, концентрации при-
месей, воздействия светового и ионизирующего излучений.
При воздействии электрического поля в полупроводнике протекает элек-
трический ток, который можно рассматривать как движение электронов в
одном направлении или движение дырок в противоположном направлении.
В случае абсолютно чистого (собственного или i-типа) полупроводника
количество дырок и количество свободных электронов равны между собой.
Наиболее широко используются два полупроводниковых материала –
германий и кремний, которые являются элементами IV группы периодиче-
ской системы Менделеева, также все большее применение находят материа-
лам на основе соединений галлия. Если полупроводник легирован каким-
либо элементом V группы, например фосфором, то равенство числа свобод-
ных электронов и дырок будет нарушено: свободных электронов в таком
полупроводнике больше, чем дырок. Электрический ток через такой матери-
ал в основном состоит из потока электронов одного направления и сравни-
тельно небольшого количества дырок, движущихся в противоположном на-
правлении. В этом случае электроны называют основными, а дырки – неос-
новными носителями. Полупроводниковые материалы, легированные эле-
ментами V группы, называют полупроводниками электронной электропрово-
димости или полупроводниками n-типа.
Аналогичное положение имеет место, если полупроводник легирован
элементом III группы, например индием. В этом случае количество дырок
превышает количество свободных электронов, и дырки являются основны-
ми носителями. Поскольку основные носители имеют положительный за-
ряд, такие полупроводники называют полупроводниками p-типа.
Если монокристалл полупроводникового материала с одного конца легиро-
вать примесями типа p, а с другого – примесями типа n, то между областями с
различным типом проводимости образуется p-n переход. Некоторые дырки из
области p диффундируют в область n. В результате часть области p получает
небольшой отрицательный заряд. Аналогичным образом электроны из области
n диффундируют в область p, и часть области n оказывается заряженной поло-
жительно. В тонком слое между областями n и p электроны и дырки рекомби-
нируют, и так как этот слой в результате имеет очень мало свободных носителей
заряда, его называют обедненным слоем. Этот слой действует как потенциаль-
ный барьер, препятствующий дальнейшей диффузии носителей зарядов, и пе-
реход находится в состоянии динамического равновесия (рисунок 1, а).
Анод
а)
Катод
б)
Рисунок 1 – p-n-переход и его вольт-амперная характеристика
Если внешнее напряжение приложено к зажимам таким образом, что точ-
ка А (анод) имеет положительный потенциал по отношению к точке К (ка-
тод), то будет наблюдаться уменьшение толщины обедненного слоя. Потен-
циальный барьер при этом снижается, что способствует протеканию тока
через переход. С увеличением внешнего напряжения ток через переход воз-
растает по экспоненциальному закону до тех пор, пока внешнее напряжение
не станет равным величине потенциального барьера, то есть результирую-
щее напряжение на переходе станет равным нулю. Дальнейшее возрастание
тока через переход ограничивается только сопротивлением полупроводни-
кового материала. Если полярность внешнего напряжения изменить на об-
ратную, то величина потенциального барьера возрастет и основные носите-
ли окажутся блокированными. В этих условиях, однако, через переход будет
протекать незначительный ток, называемый обратным током или током
утечки. При возрастании внешнего обратного напряжения этот ток остается
постоянным, пока напряжение не достигнет точки пробоя. В этой точке при
постоянном напряжении ток быстро возрастает (рисунок 1, б). Ток утечки
сильно зависит от температуры.
Таким образом, при смещении перехода в прямом направлении через
него будет протекать достаточно большой ток, а при обратном смещении,
меньшем пробивного, протекающий через переход ток имеет относительно
малое значение.
Основные причины возникновения тока утечки следующие:
а) образование неосновных носителей при нагревании, воздействии ра-
диации и нарушениях структуры кристаллической решетки. В этих случаях
образуются электронно-дырочные пары и носители заряда, которые являют-
ся неосновными, свободно проходят через p-n переход, смещенный в обрат-
ном направлении для основных носителей. Образование электронно-
дырочных пар при нагревании является наиболее существенной причиной
возрастания тока утечки;
б) поверхностные токи утечки являются существенным фактором только
для кремниевых приборов, в которых тепловой ток утечки весьма незначи-
телен. Поверхностный ток утечки часто обусловлен загрязнением поверхно-
сти и в конечном итоге снижает обратное сопротивление перехода.