Общие теоретические сведения

Полупроводниковый диод– это прибор, в котором используются свойства p-n перехода, в частности, его односторонняя проводимость.

Электронно-дырочным p-n переходом принято называть контакт двух разнородных полупроводников (электронного и дырочного).

Под электронным (n-полупроводником) понимают полупроводники типа германия, кремния, селена, карбида кремния, арсенида галлия и т.д., в которые искусственно введены атомы донорных примесей, имеющих валентность большую, чем валентность полупроводника. При этом атомы примеси отдают один из валентных электронов, который становится электроном проводимости и способен переносить электрический ток.

В дырочных (p-полупроводниках) атомы примеси (акцепторы) имеют валентность меньшую, чем атом полупроводника, вследствие этого отбирают у них один из валентных электронов, образуя вакантную дырку – свободное место, вакансию, способную перемещаться по полупроводнику, и тем самым, переносить электрический ток. Преимущество полупроводников с примесной проводимостью – возможность сделать электропроводность любой (от самой низкой до самой высокой) изменением числа вводимых в полупроводник атомов примеси.

В кристалле примесных полупроводников все атомы примеси ионизованы: атомы доноров заряжены положительно, атомы акцепторов – отрицательно. Основные носители зарядов в n-полупроводниках – электроны, в p-полупроводниках – дырки. Наряду с преобладающими основными носителями зарядов в полупроводниках всегда имеются не основные носители – дырки в n-полупроводниках и электроны в p-полупроводниках.

В состоянии равновесия, когда к переходу не приложено внешнее напряжение, через него одновременно проходят четыре различных тока:

1)j_pD – диффузионная составляющая тока дырок, обусловленная их движением из области p в область n;

2)j_nD – диффузионная составляющая плотности тока электронов, связанная с движением электронов из области n в область p.

Обе эти составляющие связаны с диффузионным движением основных носителей заряда. Если бы не было фактора, ограничивающего диффузионное движение носителей заряда, оно продолжалось бы до тех пор, пока концентрации электронов и дырок в обеих областях не выровнялись.

Упрощенная схема p-n-перехода представлена на рисунке 1а.

 

Рис.1. Упрощенная схема p-n-перехода

 

Таким фактором является внутреннее электрическое поле в области перехода. Образование этого поля связано с тем, что носители заряда, диффундируя в соседнюю область (электроны – в p-область, дырки в n-область), оставляют в покинутых ими областях неподвижные ионы доноров и акцепторов. В результате n-область, прилегающая к плоскости раздела, заряжается положительно, а p-область – отрицательно, возникают два слоя объемных зарядов. Между этими слоями существует поле напряженностью E_ВНУТР (рис.1). Преодолеть тормозящее действие этого поля и проникнуть в соседнюю область, совершающие диффузионное движение, носители заряда могут в том случае, если они обладают достаточно большой энергией. В то же время, внутреннее электрическое поле подхватывает не основные носители заряда в каждой области, которые, совершая тепловое движение, попадают на границу областей объемных зарядов, и переносит их в соседнюю область. Поэтому к указанным диффузионным токам, проходящим через переход, добавляются еще два:

3) j_pE – дрейфовая составляющая тока дырок из n- в p область;

4) j_nD – дрейфовая составляющая плотности тока электронов из p- в n-область.

В состоянии равновесия сумма всех четырех составляющих токов å j = 0; полный ток через переход I = 0. На рис. 1.б приведен график изменения j в области перехода. Максимальная скорость изменения потенциала соответствует плоскости раздела n- и p-областей. За пределами положительного и отрицательного объемных зарядов потенциал имеет постоянные значения: j₂ – в n-области, j₁ – в p-области.

Между областями существует контактная разность потенциалов j₀:

 

j₀ = j₂ - j₁ (1)

 

Как видно из рисунка 1, высота энергетического барьера между областями изменяется не мгновенно, а на протяжении области объемного заряда, называемой обедненным слоем.

Высота энергетического барьера между p- и n-областями существенно влияет на количество носителей заряда, способных осуществить диффузионный переход в соседнюю область. С повышением высоты барьера это количество экспоненциально уменьшается, со снижением – увеличивается.

Дрейфовое движение осуществляется носителями заряда, которые можно, прибегая к аналогии, представить скатывающимися с энергетической горки. Чтобы скатиться, им достаточно очутиться не на краю. Дырки “скатываются” из n-области в p-область, электроны – из p-области в n-область.

При наличии на p-n-переходе внешнего напряжения нарушается состояние равновесия и изменяется соотношение между диффузионными и дрейфовыми токами. Через переход начинает проходить результирующий ток. Если внешнее напряжение U приложено плюсом к p-слою, то высота потенциального барьера снижается на величину eU и ток через переход возрастает. Напряжение такой полярности называется прямым (или прямым смещением).

Если к p-слою внешнее напряжение U приложено минусом, то высота потенциального барьера возрастает на величину eU и диффузионный ток через переход уменьшается. Это обратная полярность напряжения или обратное смещение. Если ширина обедненного слоя L₀ много меньше средней длины L свободного пробега дырки или электрона до рекомбинации: L₀<<L_D(1), то p-n-переход называется тонким.

Для тока через тонкий p-n переход справедливо следующее выражение:

 

(2)

 

где I_S – обратный ток насыщения; U – напряжение на переходе; g = 1 для германия и 1 – 2 для кремния; j_T – температурный потенциал:

(3)

(k – постоянная Больцмана, q – заряд электрона, T – абсолютная температура). При комнатной температуре j_T = 0,025 В.

Дадим вывод формулы (2). При комнатной температуре распределение дырок в p-области и электронов в n-области по энергиям соответствует больцмановскому:

 

;

 

где, W – кинетическая энергия дырки, k – постоянная Больцмана, T – абсолютная температура, n₀ – количество дырок с нулевой энергией.

Если к переходу не приложено ни какое напряжение, то в диффузионном токе через переход участвуют дырки, энергия которых больше, чем e×j. Их количество можно определить, как

 

(4)

 

Очевидно, что дрейфовый ток дырок из n-области в p-область переносится тем же количеством дырок

 

Если к переходу приложить прямое смещение, то диффузионный ток дырок возрастет, а дрейфовый не изменится вследствие малой концентрации не основных носителей.

При этом диффузионный ток через переход будет образован дырками в количестве

 

(5)

 

Дрейфовый ток течет навстречу диффузионному, поэтому полный дырочный ток через переход определяется, как

 

Учитывая, что обратный ток , а – температурный потенциал, получим:

, (6)

т.е. формулу, качественно совпадающую с (2).

Ток I_S называют еще тепловым током, т.к. он имеет тепловое происхождение и сильно зависит от температуры.

Выражение (2) описывает ВАХ p-n-перехода. При прямом смещении U > 0,1В в выражении (2) единицей можно пренебречь и оно приобретет вид:

 

Полупроводниковый диод содержит один р-n переход и имеет два вывода от р и n областей. Наиболее распространены и обширны две группы диодов — выпрямительные и импульсные, называемые в некоторых справочниках универсальными.

Импульсные диоды применяют в импульсных режимах работы. Работа полупроводникового диода в электрической схеме определяется его вольтамперной характеристикой (ВАХ).

а)

 

Рис.2. Вольтамперная характеристика диода

 

 

Рис. 3. Система координат для построения ВАХ

 

Анализ типовых ВАХ германиевого и кремниевого диодов (рис. 2) позволяет сделать следующие выводы:

-прямое падение напряжения U_nрна германиевом диоде почти в два раза меньше, чем на кремниевом, при одинаковых значениях прямого тока I_пр.;

-германиевый диод начинает проводить ток при нич­тожно малом прямом напряжении Unр, а кремниевый — только при U_пр. = 0,4 - 0,6 В;

-обратный ток Iобр кремниевого диода значительно меньше обратного тока германиевого при одинаковых обратных напряжениях.

Эти выводы позволяют разграничить назначение repманиевых и кремниевых диодов. Германиевые диоды применяют для обработки сигналов малой амплитуды (до 0,3 В). Кремниевые диоды при подаче на них сигналов такой амплитуды одинаково плохо проводят ток как прямом, так и в обратном направлениях. Кремниевые диоды распространены шире, чем германиевые, и применяются в тех случаях, когда обратный ток недопустим. Кроме того, они сохраняют работоспособность до температуры окружающей среды 125—150°С, тогда как германиевые могут работать только до 70°С.

Основными параметрами выпрямительных диодов являются:

-постоянное прямое напряжение U_пр при определенной для каждого диода постоянном прямом токе или среднее прямое напряжение U_пр.ср в схеме однополупериодного выпрямителя при определенном среднем прямом токе Iпр.ср и максимально допустимом обратном напряжении

-постоянный обратный ток Iобр при определенном постоянном обратном напряжении или средний обратный ток Iобр.ср в схеме однополупериодного выпрямителя при максимально допустимом обратном напряжении и определенном среднем прямом токе;

-максимально допустимое постоянное обратное напряжениеUобр mах;

-максимально допустимый средний прямой ток I_пр.срmax обычно определяемый как средний за период прямой ток в схеме однополупериодного выпрямителя.

Превышение U_обрmax переводит диод в режим пробоя. Различают электрический и тепловой пробои р-п перехода. Электрический пробой может быть лавинным или тунельным и не сопровождаться разрушением p-n перехода. Тепловой пробой, как правило приводит к разрушению p-n перехода и выходу диода изстроя.

Основу любого полупроводникового диода составляет p-n переход - контакт двух полупроводниковых материалов с различными типами проводимости: электронной "n" и дырочной "p". При приложении к p-n переходу внешнего напряжения так, чтобы к р области прикладывался положительный потенциал, а к n области отрицательный - через p-n переход протекает ток. Прямой ток p-n перехода диода обусловлен тем, что при приложении прямого напряжения понижается потенциальный барьер, имеющийся между р и n областями. При понижении потенциального барьера, носители заряда (дырки в р -области и электроны в n -области) легко его преодолевают, создавая электрический ток. При подаче обратного напряжения (т.е. положительный вывод источника напряжения прикладывается к n -области, а отрицательный вывод к р -области) потенциальный барьер увеличивается. Носители заряда не могут его преодолеть и ток протекающий через p-n переход уменьшается. Этот случай соответствует обратному включению диода. В общем, виде выражение для вольт-амперной характеристики диода записывается в виде:

 

 

где I - прямой ток, протекающий через диод;

I₀ - обратный ток;

U- прикладываемое к диоду напряжение;

q - заряд электрона;

k - постоянная Больцмана;

т - температура.

Диоды применяются для выпрямления переменного тока, а также как детекторы. Диоды бывают точечные и плоскостные. Отличаются по мощности и по диапазону рабочих частот. В качестве материала при изготовлении диодов используют кремний или германий.

 

Рис.4 Схема исследования

Порядок выполнения работы:

1. Исследуемый диод установить в соответствующие гнезда (рис.4), соблюдая полярность включения (анод диода присоединяется к положительному полюсу, а катод к отрицательному полюсу). Переменный резистор R устанавливается в минимальное положение (против часовой стрелки).

2. Переключатель амперметра А установить в положение «DCА200m». Переключатель вольтметра V установить в положение «DCV 200».

3. Включить тумблер питания стенда (перевести в верхнее положение), расположенный на левой боковой стороне стенда.

4. Плавно повышая напряжение от min до max регулятором R, занести показания приборов в таблицу №1.

5. Выключить питание стенда.

6. Изменить положение диода на противоположное.

7. Плавно повышая напряжение от min до max регулятором R, занести показания приборов в таблицу №2.

8.По полученным данным построить вольт-амперную характеристику диода.

Таблица №1

Показания V	0,1	0,2	0,3	0,4	0,5
Показания A

 

Таблица №2

Показания V	0,1	0,2	0,3	0,4	0,5	0,6	0,7
Показания A

 

Вопросы для закрепления материала:

1. Что такое р-n переход?

2. Какова природа токов, протекающих через диод, включенный в прямом и обратном направлениях?

3. Что такое дифференциальное сопротивление диода?

4. Что представляет собой барьерный слой и как он образуется?

5. Что такое вольт-амперная характеристика диода?