Изучение работы полупроводникового диода

Цель работы:изучение вольт-амперной характеристики p-n перехода; определение параметров перехода.

Приборы и оборудование:источник питания, измерительное устройство с полупроводниковым диодом и вольтметром.

Теоретическое введение

Основным элементом полупроводниковых приборов является p-n переход, который представляет собой тонкий слой на границе раздела двух полупроводников различного типа электропроводности. Из-за неравномерности концентраций носителей происходит взаимная диффузия (электроны, в основном, диффундируют из полупроводника n-типа в полупроводник p-типа, а дырки в противоположном направлении). В результате этого процесса вблизи границы раздела n-область заряжается положительно (положительный заряд ионов не скомпенсирован зарядом электронов), а p-область отрицательно (рис. 1).

Рис. 1

Рис. 1

Эти объемные заряды образуют у границы двойной электрический слой, поле которого, направленное от n-области к p-области препятствует дальнейшему переходу электронов из n в p и дырок из p в n. Этот слой называется запирающим слоем. Типичная толщина слоя около 0,1 мкм. Наличие контактного поля приводит к тому, что в области p-n перехода возникает искривление энергетических зон и образуются потенциальные барьеры для электронов и дырок. Эти барьеры способствуют уходу из соответствующих областей неосновных носителей. Ток неосновных носителей (ток проводимости) уравновешивается диффузионным током, если на p-n переход подается внешняя разность потенциалов.

Если к p-n переходу присоединить источник тока таким образом, что внешнее поле совпадает по направлению с контактным, высота барьера увеличивается, что приводит к уменьшению диффузного тока. Такое подключение называется обратным. Ток проводимости практически не меняется с увеличением напряжения вследствие малой концентрации неосновных носителей (обратная ветвь вольт-амперной характеристики). Значение обратного тока через p-n переход при больших обратных напряжениях называют током насыщения ( ).

Если изменить полярность напряжения так, что под действием внешнего поля потенциальный барьер уменьшится (прямое подключение), то ток проводимости практически останется неизменным, а диффузионный ток начнет увеличиваться по экспоненциальному закону (прямая ветвь вольт-амперной характеристики) (рис. 2.).

, (1)

где e – заряд электрона; T – температура; k – постоянная Больцмана; U – внешнее напряжение.

Таким образом, p-n переход обладает односторонней (вентильной) проводимостью.

I

Рис. 2

Методика эксперимента

Для измерения вольт-амперной характеристики полупроводникового диода входное напряжение подается на включенный последовательно с диодом резистор или в зависимости от того, какая из ветвей характеристики (прямая или обратная) снимается. Ток можно определить, измерив напряжение , подаваемое на резистор или , и напряжение на диоде :

. (2)

Резистор = 390 Ом, = 33 кОм. При измерении показания вольтметра PV1 следует умножить на 0,02 В. При изменении прямой ветви и обратной показания вольтметра PV2 нужно умножить на 0,014 и 0,085 В соответственно. Разные коэффициенты используются из-за того, что токи существенно отличаются и поэтому применяются различные добавочные сопротивления.

Порядок выполнения работы

1. Включить измерительную схему.

2. Меняя потенциометром R ток диода, снять прямую ветвь вольт-амперной характеристики. На начальном участке характеристики следует получить возможно большее число точек.

3. Изменить полярность включения диода. Меняя потенциометром R напряжение , снять обратную ветвь вольт-амперной характеристики аналогично п. 2.

4. По формуле (2) рассчитать ток диода.

5. Результаты измерения и вычислений занести в таблицу.

6. Построить вольт-амперную характеристику, используя разные масштабы по оси тока (mA для прямого тока и mkA для обратного тока).

7. Оценить из вольт-амперной характеристики потенциальный барьер p-n перехода U₀ , проведя касательную к прямой ветви характеристики (см. рис. 2).

8. Определить ток насыщения I_S из вольт-амперной характеристики.

Таблица

Ветвь хар-ки	, дел	, В	, дел	, В
Прямая
Обратная

Контрольные вопросы

1. Что представляет собой полупроводник n-типа? Что является основными носителями тока в таком полупроводнике?

2. Что представляет собой полупроводник p-типа? Что является основными носителями тока в таком полупроводнике?

3. Объяснить механизм возникновения запирающего слоя в p-n переходе.

4. Что происходит в p-n переходе при действии внешнего напряжения? Объяснить характер проводимости при прямом и обратном подключении p-n перехода. Какой ток больше прямой или обратный?

5. Объяснить ход вольт-амперной характеристики.

6. Как оценить из вольт-амперной характеристики высоту потенциального барьера и ток насыщения?

Литература

1. Савельев И.В. Курс общей физики. параграф 20.1, Т. 2 – М.: Наука. 1988, 496 с.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 15