1. Цель работы

Изучить физические процессы в р-n- переходе при равновесии и в смещенном состоянии, исследовать вольт-амперную характеристику и определить параметры полупроводникового диода.

1. Полупроводниковый "плоскостной" диод представляет собой тонкую (менее 0,1мм) монокристаллическую пластинку германия Ge или кремния Si, содержащую два слоя, один из которых имеет дырочную (р-типа), а второй - электронную (n - типа) проводимость, как показано на рис.1.

Эти два слоя разделены плоской и резкой границей, по обе стороны которой спонтанно формируется область шириной , практически не содержащая носителей тока - дырок в р-слое и свободных электронов в n-слое. Проводимость ее очень мала. Она называется р-n-переходом (или электронно-дырочным переходом) и является основным элементом полупроводникового диода. В кристалл четырехвалентного Ge (либо Si) вводят примесные атомы: акцепторы (трехвалентный индий, бор) для получения р-слоя, доноры (пятивалентный мышьяк, фосфор или сурьма) для получения n-слоя. Концентрация примеси мала (порядка 10-5 - 10-7%). Ее атомы размещаются в узлах кристалла достаточно далеко друг от друга, чтобы, не испытывая взаимного влияния, иметь один общий энергетический примесный уровень. Примесные уровни находятся в "запрещенной зоне" полупроводника на "расстоянии" либо от "потолка" валентной зоны В.З. в р-слое (акцепторный уровень), либо от "дна" зоны проводимости З.П. в n-слое (донорный уровень). В каждом слое вблизи примесного уровня расположен "уровень Ферми". Энергия активации примеси Ширина запрещенной зоны .

2. Малые значения обеспечивают термоактивацию атомов примеси при весьма низких температурах. В р-слое акцепторы захватывают недостающий им для связи в узлах решетки четвертый электрон у близких атомов Ge (либо Si): из В.З. полупроводника эти электроны переходят на акцепторный уровень. Акцепторы становятся отрицательными ионами с зарядом , а в В.З. образуются "дырки примесного происхождения". В n-слое доноры освобождают от связи свой "лишний" пятый электрон, который с донорного уровня переходит в З.П. полупроводника. Эта зона в n-слое частично заполняется "электронами примесного происхождения", а доноры становятся положительными ионами с зарядом .

При повышении температуры кристалла происходит термогенерация собственных носителей тока в обоих слоях: электроны из В.З. через переходят в З.П. Эти электроны и образовавшиеся дырки в В.З., являются носителями тока. "Собственные электроны в р-слое и "собственные" дырки в n-слое - неосновные носители тока. Любого происхождения дырки в р-слое и свободные (в З.П.) электроны в n-слое - неосновные носители тока. Любого происхождения дырки в р-слое и свободные (в З.П.) электроны в n-слое являются основными носителями тока.

В рабочем диапазоне температур (Т < 340К для Ge, Т < 400К для Si) концентрация основных носителей много больше концентрации неосновных носителей тока: р-слой и n-слой имеют характерные примесные свойства. При более высокой температуре эти концентрации примерно одинаковы и полупроводник примесные свойства теряет. Во всем объеме он обладает в основном собственной проводимостью.

Примем следующие обозначения

Концентрация основных носителей тока: - дырки в р-слое, - свободные электроны в n-слое.

Концентрация неосновных носителей тока: - свободные электроны в р-слое, - дырки в n-слое.

Диффузионные потоки: - поток дырок из р-слоя, - поток электронов из n-слоя.

Дрейфовые потоки: - поток электронов из р-слоя, - поток дырок из n-слоя, - контактная разность потенциалов на р-n-переходе.

В рабочем диапазоне температур .

3. Рассмотрим несимметричный р-n-переход, при котором концентрация акцепторов и концентрация доноров неодинаковы. Такой переход обычно формируют в полупроводниковых диодах. Например, пусть = 100 - 1000 . Тогда при активации примеси . Низкоомный р-слой, содержащий много основных носителей тока, называют эмиттером (Э), а более высокоомный n-слой называют базой (Б).

Из "закона действующих масс" следует, что . Так как , то . Общее соотношение концентраций носителей тока .

На границе между р-слоем и n-слоем имеется большая разность концентрации и дырок, и свободных электронов. Вследствие теплового движения этих частиц происходит спонтанный процесс диффузии и дырок, и электронов через границу между слоями.

Диффузионный поток дырок из р-слоя, проходя в n-слой, на участке встречается со свободными электронами. Процесс рекомбинации уничтожает эти носители тока. Остаются донорные ионы, создающие объемный заряд , где S - площадь поперечного сечения полупроводника. Аналогично после рекомбинации диффузионного потока электронов из n-слоя и дырок р-слоя на участке этого слоя остаются акцепторные ионы, создающие заряд . Так образуется р-n-переход шириной , лишенный носителей тока и содержащий объемные заряды ионов и . Он обладает очень большим сопротивлением.

Так как , то . При несимметричном р-n-переходе имеем . Таким образом и р-n-переход размещен в основном в высокоомной базе.

4. При некоторой постоянной температуре р-слой, n-слой и переход между ними приходят в состояние равновесия. Особенность этого состояния рассматриваемой системы определяется тем, что для всего объема полупроводника в равновесном состоянии уровень Ферми имеет одинаковое значение. Исходя из этого "принципа горизонтальности уровня Ферми" строится энергетическая зонная диаграмма системы, показанная на рис.2. При построении ее учитывается, что в р-слое уровень Ферми всегда находится вблизи валентной зоны, а в n-слое он расположен вблизи зоны проводимости.

Относительно "горизонтального", общего для всего объема уровня Ферми, строятся валентная зона и зона проводимости, которые в области р-n-перехода оказываются "наклонными".

"Наклонная" В.З. для дырок р-слоя создает при их переходе в n-слой потенциальный барьер . Такой же барьер в ЗП создается для электронов n-слоя. Энергия дырок на диаграмме увеличивается "вниз", а электронов - "вверх". Переход дырок из р-слоя в n-слой требует увеличения их энергии. Дырки же n-слоя, оказавшиеся у границы р-n-перехода, беспрепятственно, уменьшая свою энергию, направленно движутся (дрейфуют) в р-слой.

Потенциальный барьер определяется в равновесном состоянии контактной разностью потенциалов , создаваемой объемными зарядами и ионов в р-n-переходе. Высота барьера , ширина (р-n-перехода) - .

Так как дырочный газ в валентной зоне - невырожденный, его концентрация при Т = const распределяется по закону Больцмана

Из предыдущей формулы получим

В равновесном состоянии вследствие диффузионный поток дырок не исчезает, но компенсируется встречно направленным дрейфовым потоком дырок: . Величина дрейфового потока не зависит от потенциального барьера , но определяется концентрацией дырок - неосновных носителей тока в n-слое. Она существенно зависит от температуры полупроводника. При постоянной температуре .

Для зоны проводимости картина диффузионного и дрейфового потоков электронов аналогична рассмотренной. Ввиду малости этих потоков при несимметричном р-n-переходе в дальнейшем их можно не рассматривать.

Прямое смещение р-n-перехода

5. Разность потенциалов на границах р-n-перехода можно изменять относительно "контактной" разности потенциалов с помощью внешнего напряжения, подаваемого на клеммы Э и Б полупроводниковой системы.

Если напряжение U приложено так, что , оно называется напряжением "прямого смещения" р-n-перехода или прямым напряжением на полупроводниковом диоде. В рассматриваемом здесь случае полярность прямого напряжения должна иметь "плюс" на Э и "минус" на Б.

При прямом смещении р-n-перехода по сравнению с равновесными значениями уменьшаются разность потенциалов , высота и ширина потенциального барьера.

а также на уровень Ферми в n - слое смещается "вверх" на зонной диаграмме относительно уровня Ферми в р-слое. Неравенство означает, что система прямым напряжением U выведена из состояния равновесия при неизменной температуре. Такой процесс "энергетического смещения" при Т = const сохраняет в р-слое и в n-слое равновесное положение валентной зоны ВЗ и зоны проводимости ЗП относительно соответствующего уровня Ферми. На зонной диаграмме ВЗ и ЗП в n-слое вместе с смещается "вверх", как это показано на рис.3.

6. При "прямом смещении" и при Т = const концентрация неосновных носителей - дырок в n-слое и дрейфовый поток дырок из n-слоя практически остаются такими же, как и в состоянии равновесия.

Диффузионный же поток дырок из р-слоя, зависящий от высоты барьера, существенно возрастает по сравнению с равновесным значением: . В n-слое за счет этого потока появляются "избыточные неосновные носители тока" - дырки. Этот процесс нагнетания из эмиттера в базу неосновных носителей называют инжекцией. На границе р-n-перехода (х=0 на рис.3) концентрация "избыточных дырок" максимальна. Эти дырки диффундируют в n-слое и по причине рекомбинации с имеющимися в этом слое свободными электронами уменьшают свою концентрацию по закону

Рекомбинационное уменьшение свободных электронов в n-слое компенсируется их притоком из внешней цепи под действием источника "прямого" напряжения. Соответственно инжекция дырок из эмиттера в р-слое компенсируется оттоком электронов во внешнюю цепь, что эквивалентно притоку дырок из этой цепи.

Диффузионный дырочный ток на границе (x=0 на рис. 3) р-n-перехода с n-слоем определяется законом диффузии

Подставляя из (3) и находя производную, получим при x=0 формулу прямого тока через р-n-переход

где - "тепловой ток" дырок, зависящий от температуры вследствие термогенерации дырок в n-слое и от ширины запрещенной зоны полупроводника. При Т = 300 К для , для

Прямое напряжение смещения, исходя из требования ограничивается условием . Прямой ток нормируется по допустимой мощности, выделяющейся при нагревании полупроводника, и для диодов средней мощности . Так как ширина перехода при прямом смещении мала, его сопротивление незначительно.

Примечание: Если р-n-переход симметричный, аналогичным образом рассматриваются электронные потоки в зоне проводимости, инжекция электронов из n-слоя, диффузионный электронный ток, соответствующий формуле (4), но содержащий тепловой ток электронов . Прямой ток является суммой дырочного и электронного токов.

Обратное смещение р-n-перехода

7. Напряжение смещения называют обратным напряжением, если оно приложено к клеммам Э и Б так, что . На рис.4 полярность этого напряжения имеет "плюс" на Б и "минус" на Э.

При обратном смещении р-n-перехода возрастают по сравнению с равновесными значениями разность потенциалов, высота и ширина потенциального барьера

а также на смещается "вниз" на зонной диаграмме уровень Ферми относительно уровня Ферми .

Напряжением система выведена из состояния равновесия при неизменной температуре. Равновесные значения концентрации основных и неосновных носителей тока в р-слое и в n-слое сохраняются. Неизменным остается и положение ВЗ и ЗП относительно уровней Ферми в каждом слое. Вместе с уровнем Ферми смещаются "вниз" относительно р-слоя ВЗ и ЗП n-слоя, как показано на зонной диаграмме (рис. 4).

8. При обратном смещении и при Т = const дрейфовый поток дырок из n-слоя остается таким же, как и в состоянии равновесия.

Диффузионный же поток дырок из р-слоя ввиду увеличения высоты потенциального барьера существенно уменьшается по сравнению с равновесным значением: .

Преимущественный дрейфовый переход дырок из n-слоя в р-слой (экстракция, или отсос дырок из базы) создает в n-слое вблизи его границы с р-n-переходом "дефицит дырок", распространяющийся по мере удаления от границы (вдоль оси Х) в соответствии с формулой

где максимальное значение "дефицита" (при Х=0) .

Дырки, покидающие n-слой, компенсируются притоком их из глубины n-слоя, что эквивалентно оттоку свободных электронов во внешнюю цепь через клемму Б. В р-слое сверхравновесные дырки, проникшие через р-n_переход, компенсируются рекомбинацией их с электронами, поступающими из внешней цепи через клемму Э.

Дрейфовый дырочный ток на границе р-n-перехода с n-слоем определяется формулой (4), подставляя в которую (7), получим для обратного тока через р-n-переход

где тепловой дырочный ток соответствует рассмотренному в (5). Обратное напряжение ограничивается электрической прочностью кристалла и может быть достаточно большим (30-100В).

Даже при не очень больших напряжениях в (8) экспоненциальная часть много меньше единицы и ею можно пренебречь. Поэтому при данной температуре и разных значениях >> 0. Температурная зависимость тока весьма существенна.

Ввиду большого значения ширины р-n-перехода сопротивление обратно смещенного перехода очень большое.

Формулы (5) и (8) определяют вольт-амперные характеристик (ВАХ) полупроводникового диода при прямом и при обратном смещениях. В первом случае ВАХ имеет большую крутизну: при малом изменении прямого напряжения ток диода изменяется резко. Для экспериментального исследования ВАХ в этом случае проще и точнее устанавливать величину тока, а напряжение, полученное на диоде, измерять. Для этого в качестве источника необходимо применять "генератор тока". ВАХ при обратном включении диода: даже при больших изменениях напряжения ток изменяется незначительно. В этом случае предпочтительнее использовать "генератор напряжений" для установки напряжения на диоде, а ток диода измерять.

ВАХ полупроводникового диода показана на рис. 5 для прямого и обратного смещений. Здесь же приведен пример практического применения полупроводникового диода для выпрямления переменного тока, когда на диод подается переменное напряжение.

Важнейшими характеристиками диода являются его прямое и обратное сопротивления.

Динамические сопротивления проявляются при подключении к диоду источников переменного напряжения и используются для расчета цепей переменного тока.

Для исследования и построения ВАХ полупроводникового диода схема экспериментальной установки имеет два варианта, показанные на рис. 6, один из которых для прямого включения, второй - для обратного включения диода. На рис. 6 обозначены: Д - исследуемый диод; ГТ - генератор тока; ГН - генератор напряжения, а также вольтметры и амперметры.

1. Перед выполнением работы изучить вводную часть данного описания.

2. Собрать установку по соответствующей схеме прямого, а затем обратного включения диода, указанной на рабочем месте.

3. Получить данные для построения прямой ветви ВАХ, задаваясь разными значениями прямого тока на ГТ и измеряя соответствующие значения прямого напряжения на диоде.

4. Исследовать при заданном значении прямого тока зависимость прямого напряжения на диоде от температуры: .

5. Получить данные для построения обратной ветви ВАХ, задаваясь разными значениями обратного напряжения на ГН и измеряя соответствующие значения обратного тока диода.

6. Исследовать при заданном значении обратного напряжения зависимость обратного тока диода от температуры .

7. Построить на графике (рис. 5), выбирая соответствующие масштабы тока и напряжения на осях координат, ВАХ для прямой и обратной ветвей.

8. Построить графики зависимостей по п. 4 и 6.

9. С помощью ВАХ (для участков, близких к прямолинейным) определить статические и динамические сопротивления диода.

1. Устройство полупроводникового диода.

2. Прямое и обратное включение диода, охарактеризовать прямое и обратное напряжения, прямой и обратный ток диода.

3. Выбор измерительных приборов для схем прямого и обратного включения диода. ВАХ полупроводникового диода.

4. Охарактеризовать температурные зависимости прямого и обратного токов диода, рабочий диапазон температур.

5. Основные и неосновные носители тока в полупроводниках р-типа и n-типа, способ получения этих носителей.

6. Формирование несимметричного р-n-перехода, его особенности.

7. Равновесное состояние р-n-перехода и равновесная энергетическая зонная диаграмма.

8. Диффузионные и дрейфовые потоки через р-n-переход, причины их возникновения, особенности и равновесные значения.

9. Ширина р-n-перехода и ее влияние на сопротивление перехода.

10. Контактная разность потенциалов, высота потенциального барьера на р-n-переходе и ее влияние на диффузионный и дрейфовый потоки.

11. Прямое и обратное смещения р-n-перехода, энергетические зонные диаграммы.

12. Причины образования прямого и обратного токов через р-n-переход, инжекция и экстракция носителей тока.

13. Процессы диффузии носителей тока в р-слое и в n-слое. Диффузионная длина носителей тока.

14. Чем отличаются ВАХ и температурные характеристики германиевого и кремниевого диодов.

15. Выпрямляющее действие диода.