P-n переход в полупроводниках

ВОЛЬТ-АМПЕРНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ p-n ПЕРЕХОДОВ

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЕ №32
ПО ФИЗИКЕ

(Раздел "Оптика")

Ростов-на-Дону
2011

Составители: к.ф.-м.н., доц. С.М. Максимов,

к.ф.-м.н., доц. Н.В. Пруцакова,

к.х.н., доц. А.Я.Шполянский

УДК 535.21/075.6

Физические основы работы полупроводникового диода. Метод. указания. - Ростов н/Д: Издательский центр ДГТУ, 2011. - 10 с.

В краткой форме рассмотрены процессы, протекающие в p-n переходе полупроводникового диода.

Методические указания предназначены для студентов инженерных специальностей всех форм обучения в лабораторном практикуме по физике (раздел «Оптика») и ФОИ.

Печатается по решению методической комиссии факультета
«Н и КМ»

Научный редактор к.ф.-м.н., проф. Наследников Ю.М.

© С.М. Максимов, А.Я. Шполянский, Н.В. Пруцакова, 2011

© Издательский центр ДГТУ, 2011
Лабораторная работа №32

Цель работы:

1. Ознакомление с принципом работы полупроводникового диода и стабилитрона.

2. Исследование вольтамперных характеристик полупроводникового диода и стабилитрона.

Приборы и принадлежности: установка для снятия вольтамперных характеристик полупроводниковых диодов.

Краткая теория

P-n переход в полупроводниках

Полупроводниками (п.п.) называют широкий класс веществ, которые по электропроводности занимают промежуточное место между металлами и изоляторами. Характерной особенностью полупроводников, отличающей их от металлов, является экспоненциальный рост электропроводности при повышении температуры.

Большинство полупроводниковых приборов изготавливается на основе четырехвалентных германия (Ge) и кремния (Si). В зависимости от типа примеси полупроводник может обладать электронной (n - типа) или дырочной (p - типа) проводимостью. Проводимость n - типа достигается введением в п.п. донорной примеси (для Ge и Si это пятивативалентные элементные - сурьма, мышьяк, фосфор),
а p - типа - введением акцепторной примеси (для Ge и Si это трехвалентные элементы - индий, бор, галлий, алюминий).
Наряду с основными носителями заряда (электронами в п.п. n - типа и дырками в п.п. p - типа) в п.п. всегда присутствуют и, так называемые, неосновные носители. Это дырки в п.п. n - типа и электроны
в п.п. p - типа.Концентрация неосновных носителей в области рабочих температур п.п. приборов, как правило, значительно меньше концентрации основных носителей.

Полупроводниковый диод представляет собой контакт двух полупроводников с различным типом проводимости.
Такой контакт получил название p-n перехода.

При формировании p-n перехода под влиянием разности концентраций дырки из p-области диффундируют в n-область, а электроны, соответственно, из n-области в p-область. Дырки, перешедшие в n-область, рекомбинируют (т.е., объединяются с электронами) вблизи границы p-n перехода, а соответственно, электроны, перешедшие в p-область, рекомбинируют с дырками. Вследствие этого пограничный слой p-n перехода обедняется носителями заряда - электронами и дырками и возникает пограничная область повышенного сопротивления. При этом атомы донорной примеси, от которых ушли электроны, становятся положительно заряженными ионами, а атомы акцепторной примеси - отрицательно заряженными ионами. В результате, на границе полупроводников p - и
n - типа возникает область двойного пространственного заряда (рис.1а).

Рис. 1. Модель p-n перехода и потенциальный барьер в случаях:
а) p-n переход без внешнего смещения;

б) p-n переход, смещенный в обратном (запорном) направлении;

в) p-n переход, смещенный в прямом (пропускном) направлении.

Образующаяся при этом разность потенциалов U₀ вызывает появление внутреннего электрического поля с напряженностью E₀=U₀/d₀ , где d₀ -ширина области перехода. Как следует из рис.1,а, внутреннее поле в переходе препятствует дальнейшему взаимному
″перемешиванию″ дырок и электронов. Когда разность потенциалов в p-n переходе достигает значения U₀, а напряженность электрического поля - значения E₀, ток, вызванный движением основных носителей заряда (электроны n-области и дырки p-области), прекращается. Такое состояние p-n перехода называется равновесным, а внутренняя разность потенциалов U₀ - равновесной разностью потенциалов.
В верхней части рисунка 1,а равновесная разность потенциалов для наглядности представлена в виде потенциального барьера прямоугольной формы, который препятствует движению основных носителей заряда (как дырок, так и электронов) и имеет высоту U₀. Сопротивление обедненного слоя шириной d₀ оказывается даже большим, чем у химически чистого полупроводника, у которого при комнатной температуре имеется вполне определенная концентрация носителей заряда.

В зависимости от полярности внешнего напряжения, приложенного к переходу, толщина слоя, обладающего большим сопротивлением, будет меняться. Если к p-n переходу приложить напряжение в обратном направлении (U<0 ) (рис.1,б), то величина потенциального барьера увеличится до значения U +U₀, в результате чего ширина обедненного слоя возрастет до d₁>d₀. В этом случае через переход будет протекать в обратном направлении малый ток (порядка нескольких микроампер). Этот ток называют обратным. Наличие обратного тока связано с тем, что в полупроводнике p или n- типа всегда имеется небольшое количество носителей зарядов другого знака, которые слабо влияют на его электрические свойства. Эти заряды, как это отмечалось ранее, называются неосновными (их наличие связано с собственной проводимостью полупроводников) и их концентрацию, в отличие от концентрации основных носителей n_n и p_p , принято обозначать через n_p и p_n. Электрическое поле барьера, при указанной полярности приложенного напряжения, способствует передвижению неосновных носителей через p-n переход.
При приложении к переходу напряжения в прямом направлении (U>0 ), высота барьера и ширина области с большим сопротивлением уменьшаются до значений, соответственно U₀-U и d₂<d₀. Теперь основные носители уже сравнительно легко могут преодолевать потенциальный барьер. Такое состояние перехода характеризуется малым сопротивлением и большим током, равным сумме дырочной и электронной составляющих, связанных с основными носителями заряда (рис.1,в).

Таким образом, сопротивление p-n перехода мало в прямом направлении и велико в обратном (прямое сопротивление
p-n перехода порядка 0,1-100 Ом, а обратное равно 10⁵-10⁷ Ом).

На этом свойстве основано его применение в качестве выпрямителя переменного тока. Устройства, выполняющие эти функции, получили название полупроводниковых диодов. Вольтамперная характеристика (ВАХ) п.п. диода представлена на рис.2.

Рис. 2. Типичная вольтамперная характеристика p-n перехода

Пробой p-n перехода

С ростом обратного напряжения может наступить пробой p-n перехода. При этом ток и проводимость в обратном направлении резко возрастают. Различают три основных вида пробоя, два из которых являются следствием чрезмерно большого электрического поля в переходе, третий связан с тепловыми явлениями. Вольт - амперные характеристики (ВАХ) туннельного - 1, лавинного - 2 и теплового - 3 пробоев представлены на рис.3.

Рис. 3 Обратные ветви ВАХ p-n перехода в области пробоя

Через I_s обозначен обратный ток насыщения. Обратная ветвь здесь изображена в сильно увеличенном масштабе, поэтому в начале координат имеет место ″излом″ характеристики.

Все рассмотренные виды пробоев являются обратимыми, т.е. диод может оставаться работоспособным после пробоя, если средняя мощность, выделяемая в переходе, не превысит максимально допустимую, при которой начинают происходить необратимые изменения в кристаллической структуре полупроводника, характерные для теплового пробоя. Максимальная мощность рассеивания указывается в паспорте полупроводникового прибора.