Вказівки до виконання роботи. Для виконання роботи необхідно вивчити такий теоретичний матеріал: власна та домішкова провідність напівпровідників; електронний та дірковий напівпровідники;
Для виконання роботи необхідно вивчити такий теоретичний матеріал: власна та домішкова провідність напівпровідників; електронний та дірковий напівпровідники; контактна різниця потенціалів; контакт електронного та діркового напівпровідників /p-n перехід/.
[1, т.2 §§ 3.6; 2, §§ 243, 249, 250; 4, т.3 §§ 59, 64]
Основним елементом напівпровідникових випрямлячів є напівпровідникові (кристалічні) діоди, які мають ряд переваг в порівнянні з вакуумними діодами. Необхідно відмітити малі габарити, велику механічну міцність, довговічність та інші позитивні якості напівпровідникових діодів.
В основі роботи напівпровідникових діодів лежить випрямляюча дія p-n переходу (електронно-діркового переходу). Р-n перехід – це тонкий шар на межі між двома областями напівпровідника, які відрізняються типом провідності. Відомо, що в напівпровідниках можливі два різних процеси електропровідності – електронний і дірковий.
Для утворення домішкового напівпровідника з електронним типом провідності (напівпровідника n-типу) в кристал германію або кремнію (4-х валентної речовини) додають атоми домішок з більшою валентністю, наприклад, 5-ти валентного миш’яку. Для утворення ковалентних зв’язків з атомами основної речовини миш’яку достатньо 4-х електронів. П’ятий електрон, не зв’язаний з атомами кристалічної решітки, при наданні йому незначної енергії ΔW1 (рис. 6.2.1,а) стає вільним – електроном провідності. Атом домішки (миш’як) перетворюється на додатній іон, який не може переміщуватись в кристалі. Домішки, які постачають електрони провідності, називають донорами.
Домішки викривлюють електричне поле решітки, що призводить до появи локальних енергетичних рівнів, розташованих в забороненій зоні енергетичних зон кристала (рис. 6.2.1,а). Рівень Фермі в напівпровіднику n-типу лежить між донорним рівнем та дном зони провідності (рис. 6.2.1,а).
Для утворення домішкового напівпровідника з дірковою провідністю (напівпровідника р-типу) в кристал германію або кремнію добавляють атоми домішок з меншою валентністю, наприклад, бор, який має три валентні електрони. Трьох валентних електронів атома бору не вистачає для утворення подвійного ковалентного зв’язку з чотирма сусідніми атомами основної речовини. Тому атом бору захоплює один з валентних електронів германію (або кремнію) і перетворюється у негативно заряджений іон. В місці захопленого електрона залишається дірка − квазічастинка, яка має додатній заряд, який за величиною дорівнює заряду електрона. При наданні дірці незначної кількості енергії ΔW2 (рис. 6.2.1,б) вона стає вільним носієм заряду.
Домішкові атоми, які можуть захоплювати електрони з валентної зони називаються акцепторами. Акцепторні рівні енергії розташовані трохи вище верхнього краю валентної зони основного кристала (рис. 6.2.1,б). Рівень Фермі в напівпровідниках р-типу лежить між верхнім рівнем валентної зони та акцепторним рівнем (рис. 6.2.1,б).
Отже, якщо концентрація вільних електронів у напіврповіднику більша за концентрацію дірок, то такий напівпровідник має електронну провідність та називається напівпровідником n-типу. Якщо перевищує концентрація дірок, то напівпровідник має діркову провідність і носить назву напівпровідник р-типу.
Розглянемо процеси на межі двох напівпровідників з різним типом провідності (рис. 6.2.2). Оскільки концентрація вільних електронів в
n-області більша, ніж в р-області, то електрони дифундують через контакт в бік р-області. У зворотному напрямку дифундують дірки. Потрапляючи в область з протилежною провідністю електрони рекомбінують з дірками і поблизу контакту спостерігається зменшення концентрації вільних електронів і дірок. Оскільки атомні залишки в n-області заряджені позитивно, а в р-області – негативно, то в n-області біля межі накопичується позитивний заряд, а в р-області – негативний. Утворюється так званий p-n перехід. Це 
призводить до виникнення між напівпровідниками p- і n-типу контактної різниці потенціалів (потенціального бар’єру), яка перешкоджає подальшому переміщенню через межу основних носіїв струму – електронів з n-області і дірок з р-області.
В той же час електричне поле, що утворюється на межі, стимулює рух через p-n перехід неосновних носіїв струму. У відсутності зовнішнього електричного поля повний струм через p-n перехід дорівнює нулю завдяки динамічній рівновазі, що встановлюється на межі, коли середня кількість зарядів, які рухаються проти поля врівноважується зарядами, що проходять межу в протилежному напрямку.
Дослідним шляхом було встановлено, що в деяких випадках контакт двох напіврповідників має властивість проводити електричний струм переважно в одному напрямку.
Підключимо розглянуту систему напівпровідників до електричного поля так, щоб зовнішня різниця потенціалів зменшувала контактну (прямий напрямок рис. 6.2.3,а). В цьому випадку зменшується висота потенціального бар’єру для основних носіїв струму. Зовнішнє електричне поле “притискує” основні носії струму до границі, через що ширина p-n переходу зменшується. Відповідно зменшується опір p-n переходу – тим більше, чим більша зовнішня напруга. Через p-n перехід іде струм, обумовлений рухом основних носіїв струму, сила якого зі збільшенням напруги зростає за експоненціальним законом.
Зміна полярності зовнішньої батареї (обернений напрямок рис. 6.2.3,б) призводить до збільшення висоти потенціального бар’єру для основних носіїв струму. Зовнішнє електричне поле “відтягує” основні носії струму від границі, внаслідок чого ширина p-n переходу і його опір збільшуються. Основні носії не можуть подолати потенціальний бар’єр. В той же час потік неосновних носіїв струму не змінюється (для них бар’єру не існує). Через p-n перехід проходить невеликий струм Ін (струм насичення), сила якого майже не залежить від напруги.
Залежність сили струму через p-n перехід від прикладеної напруги як в прямому, так і в оберненому напрямках носить назву вольт-амперної характеристики напівпровідникового випрямляча ВАХ – І = f(U) та зображена на рис. 6.2.4.
Таким чином, p-n перехід має властивість односторонньої провідності, тому може бути використаний для випрямлення змінного струму.
Щоб вивчити односторонню провідність p-nпереходу, в цій роботі використовують напівпровідниковий діод. У зв’язку з тим, що прямий струм набагато більше від оберненого, для їх вимірювання використовують прилади різної чутливості. Обернений струм вимірюють мікроамперметром, а прямий – міліамперметром. На панелі лабораторної роботи є перемикач, який дає змогу включати діод у прямому та оберненому напрямках.
Хід роботи
1. Ознайомитись із електричною схемою установки.
2. Виміряти прямий струм при різних значеннях (5...6 вимірів) прикладеної напруги (зняти ВАХ – І = f(U) у режимі прямого струму).
3. Перемикачем змінити напрям струму через діод. Зняти ВАХ у режимі оберненого струму.
4. Побудувати ВАХ даного діода для вказаних режимів.
5. Визначити внутрішній опір напівпровідникового діода у прямому та оберненому режимах його роботи:
,
де зміна напруги DU та сили струму DI визначаються на лінійній ділянці ВАХ.
6. Результати занести до таблиці 6.2.1.
Таблиця 6.2.1
| № пор. | Режим прямого струму | Режим оберненого струму | ||||
| U,В | I∙10-3,А | R,Ом | U,В | I∙10-6,А | R,Ом | |
Контрольні запитання
1. Що таке домішкова провідність?
2. Що таке напівпровідник n–типу? Які носії струму є основними в напівпровіднику n–типу?
3. Накресліть зонну діаграму напівпровідника n–типу. Де розташований рівень Фермі у домішковому напівпровіднику n–типу?
4. Що таке напівпровідник р–типу? Які носії струму є основними в напівпровіднику р–типу?
5. Накресліть зонну діаграму напівпровідника р–типу. Де розташований рівень Фермі у домішковому напівпровіднику р–типу?
6. Що таке n–р перехід і як технічно його отримують?
7. Накресліть та поясніть енергетичну діаграму контакту напівпровідників р– та n–типу.
8. Як виникає контактне електричне поле та потенціальний бар’єр для носіїв струму в n–р переході?
9. Чому запірний прошарок n–р переходу має великий опір?
10. Накресліть ВАХ для n–р переходу, поясніть вигляд її окремих ділянок.
11. Які переваги мають кристалічні діоди перед ламповими?