ЛабораторнОЕ ЗАНЯТИЕ №14
ИССЛЕДОВАНИЕ ПОЛУПРОВОДНИКОВОГО ДИОДА
Цель занятия: ознакомление с основными свойствами выпрямительных диодов и стабилитронов по вольтамперным характеристикам (ВАХ).
Рекомендуемая литература. 1) курс лекций; 2) (1) стр. 457-489; 3) стр. 21- 43.
1. В чем заключается основное свойство выпрямительного диода?
2. По каким параметрам выбираются диоды в схемах?
3. Объясните выпрямляющее действие диода.
4. Приведите основные параметры выпрямительного диода.
5. Как влияет температура на диод?
Краткие теоретические сведения.
ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТЬПОЛУПРОВОДНИКОВ
Полупроводниками называются материалы, занимающие промежуточное положение между проводниками и диэлектриками. Особенностью металлических проводников является наличие свободных электронов, являющихся носителями электрических зарядов. В диэлектриках свободных электронов нет и поэтому они не проводят тока.
В отличие от проводников полупроводники имеют не только электронную, но и «дырочную» проводимости, которые в сильной степени зависят от температуры, освещенности, сжатия, электрического поля и других факторов.
Химическую связь двух соседних атомов с образованием на однрй орбите общей пары электронов (рис.1,а) называют ковалентной или парноэлектронной и условно изображают двумя линиями, соединяющими электроны ,(рис.1,6). Например, германий принадлежит к элементам четвертой группы периодической системы элементов Д. И. Менделеева и имеет на высшей орбите четыре валентных электрона. Каждый атом в кристалле германия образует ковалентные связи с четырьмя соседними атомами (рис.1,в). При отсутствии примесей и температуре, близкой к абсолютному нулю, все валентные электроны атомов в кристалле германия взаимно связаны и свободных электронов нет, так что германий не обладает проводимостью. При повышении температуры или при облучении увеличивается энергия электронов, что приводит к частичному нарушению ковалентных связей и появлению свободных электронов. Уже при комнатной температуре под действием внешнего электрического поля свободные электроны перемещаются и в кристалле возникает электрический ток. Электропроводность, обусловленная перемещением свободных электронов, называется электронной проводимостью полупроводника или п-проводимостью. При появлении свободных электронов, в ковалентных связях образуется свободное не заполненное электроном (вакантное) место — «электронная дырка». Так как дырка возникла в месте отрыва электрона от атома, то в области ее образования возникает избыточный положительный заряд. При наличии дырки какой-либо из электронов соседних связей может занять место дырки и нормальная ковалентная связь в этом месте восстановится, но будет нарушена в том месте, откуда ушел электрон. Новую дырку может занять еще какой-нибудь электрон и т. д. Схема образования и заполнения дырки условно показана на рис.2. В установленной наклонно подставке имеется четыре отверстия (дырки), в которых расположено четыре шара (электрона). Если шар / сместится вправо, то он освободит отверстие (дырку) иупадет с подставки, а в отверстие, которое занимал этот шар, переместится шар 2. Свободное отверстие (дырку) шара 2 займет шар 3, а отверстие последнего — шар 4.
Перемещение дырок подобно перемещению положительных зарядов и называется дырочной электропроводностью. Под действием внешнего электрического поля дырки перемещаются в направлении сил поля, т. е. противоположно перемещению электронов. Проводимость, возникающая в результате перемещения дырок, называется дырочной проводимостью, или р-проводимостью.
Таким образом, при электронной проводимости один свободный электрон проходит весь путь в кристалле, а при дырочной проводимости большое число электронов поочередно замещают друг друга в ковалентных связях и каждый из них проходит свой отрезок пути.
В кристалле чистого полупроводника при нарушении ковалентных связей возникает одинаковое число свободных электронов и дырок. Одновременно с этим происходит обратный процесс — рекомбинация, при которой свободные электроны заполняют дырки, образуя нормальные ковалентные связи. При определенной температуре число свободных электронов и дырок в единице объема
полупроводника в среднем. остается постоянным. При повышении температуры число свободных электронов и дырок сильно возрастает и проводимость германия значительно увеличивается, т. е.
полупроводники имеют отрицательный температурный коэффициент сопротивления. Электропроводность полупроводника при отсутствии в нем примесей называется его собственной электропроводностью.
Свойства полупроводника в сильной степени изменяются при наличии в нем ничтожного количества примесей. Вводя в, кристалл полупроводника атомы других элементов, можно получить в кристалле преобладание свободных электронов над дырками или, наоборот, преобладание дырок над свободными электронами. Например, при замещении в кристаллической решетке атома германия атомом пятивалентного вещества (мышьяка, сурьмы, фосфора) четыре электрона этого вещества образуют заполненные связи с соседними атомами германия, а пятый электрон окажется свободным (рис3.,а), а поэтому такая примесь увеличивает электронную проводимость (п-проводимость) и называется донорной. При замещении атома германия атомом трехвалентного вещества (индий, галлий, алюминий) его электроны вступают в ковалентную связь с тремя соседними атомами германия, а связи с четвертым атомом германия будут отсутствовать, так как у индия нет четвертого электрона (рис.3,6).
Восстановление всех ковалентных связей возможно, если недостающий четвертый электрон будет получен от ближайшего атома германия. Но в этом случае на месте электрона, покинувшего атом германия, появится дырка, которая может быть заполнена электроном из соседнего атома германия. Последовательное заполнение свободной связи эквивалентно движению дырок. Примеси с меньшим числом валентных электронов в атоме по сравнению с атомом данного полупроводника вызывают преобладание дырочной проводимости и называются акцепторными.
Носители заряда, определяющие собой вид проводимости в примесном полупроводнике, называются основными (дырки в р-полупроводнике и электроны в п-полупроводнике), а носители заряда противоположного знака — неосновными.
ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ
Полупроводниковый диод (вентиль) представляет собой контактное соединение двух полупроводников, один из которых с электронной проводимостью (n-типа), а другой — с дырочной (р-типа, рис.4,а). В результате большой концентрации электронов в полупроводнике п они будут диффундировать из первого полупроводника во второй. Аналогично будет происходить диффузия дырок из второго р-типа полупроводника в первый п-типа. В тонком пограничном слое полупроводника п-типа возникает положительный заряд, а в пограничном слое полупроводника р- типа — отрицательный заряд. Между этими слоями возникает разность потенциалов (потенциальный барьер) и образуется электрическое поле напряженностью Еп , которая препятствует диффузии электронов и дырок из одного полупроводника в другой. Таким образом, на границе двух полупроводников возникает тонкий слой, обедненный носителями зарядов (электронов и дырок) и обладающий большим сопротивлением. Этот слой называется запирающим или р-п-переходом.
Вследствие теплового движения в элсктрическое поле р-п-перехода попадают неосновные носители зарядов (электроны из р-области и дырки из п-области). Движениенеосновных носителей зарядов под действием сил поля р-п-перехода направлено встречно диффузионному току основных носителей и называется дрейфовым или тепловым током, зависящим в сильной степени от температуры. При отсутствии внешнего электрического поля дрейфовый ток уравновешивается диффузионным и суммарный ток через р-п-переход равен нулю.
Соединив положительный зажим источника питания с металлическим электродом полупроводника n-типа, а отрицательный зажим — с электродом полупроводника р-типа, получим внешнее электрическое поле Ев направленное согласно с полем Еп р-п-перехода, усиливающее его (рис.4,6.). Такое поле еще больше будет препятствовать прохождению основных носителей зарядов через запирающий слой, и через диод пройдет малый обратный токIобр, обусловленный неосновными носителями заряда. Обратный ток диода в значительной мере зависит от температуры, увеличиваясь с ее повышением.
При изменении полярности источника питания (рис.4,в) внешнее электрическое поле Евокажется направленным встречному полю р-п-перехода Еп и под действием этого поля электроны и дырки начнут двигаться навстречу друг другу и число основных носителей заряда в переходном слое возрастет, уменьшая потенциальный барьер и сопротивление переходного слоя. Таким образом, в цепи устанавливается прямой ток Iпр который будет значительным даже при относительно небольшом напряжении источника питания U.
На рис.5 показана вольт-амперная характеристика германиевого диода и его условное обозначение. Для большей наглядности прямая ветвь (правая часть графика) и обратная ветвь (левая часть графика) характеристики изображены в различных масштабах. Характеристика показывает, что при небольшом прямом напряжении Uпр= 1В на зажимах диода в его цепи проходит относительно большой ток, а при значительных обратных напряжениях Uобрток Iобр ничтожно мал.
Таким образом, полупроводниковый диод обладает односторонней проводимостью, т. е. является электрическим вентилем.
Промышленность производит электрические вентили: германиевые, кремниевые, селеновые и медно-закисные. Германиевые и кремниевые вентили изготовляют двух типов: точечные и плоскостные. У точечного германиевого диода (рис.6, а) помещен кристалл германия 5 с электронной проводимостью, в который острием входит контактный пружинящий вывод анода 3. Под контактным острием в результате специальной термической обработки создается область с дырочной проводимостью. В плоскостном германиевом диоде (рис.6 б) на пластину германия 5 с электронной проводимостью накладывается таблетка из индия, которая в процессе изготовления диода нагревается до 500°С и плавится так, что ее атомы диффундируют в германий, образуя область с дырочной проводимостью. На границе двух областей (с электронной и дырочной проводимостью) появляется запирающий р-п-переход. Как в точечном, так и в плоскостном диоде германий 5 припоем 4 укреплен на кристаллодержателе 6, к которому приварен вывод катода (нижний) 7. Вывод анода 3 также припоем 4 укрепляется в области с дырочной проводимостью и выводится наружу в верхней части диода. Металлический корпус 2 сварен с кристаллодержателем 6 и стеклянным изолятором /.
Кремниевые диоды отличаются от германиевых не только материалом полупроводника, но и некоторыми преимуществами, а именно: более высокой предельной температурой, значительно меньшим обратным током, более высоким пробивным напряжением. Однако сопротивление кремниевого вентиля в прямом направлении значительно больше, чем германиевого.
Селеновый вентиль состоит из алюминиевого диска, с одной стороны покрытого слоем кристаллического селена, обладающего дырочной проводимостью, который служит одним электродом. Другим электродом является нанесенный на селен слой сплава кадмия и олова, при диффузии из которого атомов кадмия в селен образуется слой, обладающий электронной проводимостью. Селеновые вентили имеют значительно меньшие обратные напряжения (до 60В) и плотности тока (0,1—0,2 А/см2), чем германиевые и кремниевые, так что их габариты и масса значительно больше. Однако характеристики селеновых вентилей более стабильны, что позволяет соединять их последовательно и параллельно для увеличения обратных напряжений и прямыхтоков. Кроме того, селеновые вентили обладают свойством самовосстановления, которое сводится к следующему: если через пробитую шайбу пропустить большой ток, то селен нагревается и плавится, закрывая место пробоя и восстанавливая вентильное свойство диода.
Медно-закисный вентиль состоит из медного диска со слоем оксида меди (I), к которому прилегает для получения хорошего контакта свинцовый диск с латунным радиатором большого диаметра. Слой оксида меди (I) образуется при термической обработке меди в атмосфере кислорода. Наружный слой оксида меди (I), полученный при избытке кислорода, обладает дырочной проводимостью, а слой оксида, полученного при недостатке кислорода, — электронной проводимостью. Между этими двумя слоями возникает р-п-переход.
Медно-закисные вентили имеют низкие обратные напряжения (10В) и плотности тока (0,1 А/см2) и в преобразовательных устройствах не используются. Их применение ограничено измерительными приборами, имеющими стабильную характеристику.
Проверка знаний.
1.Каковы свободные носители зарядов в кристаллах кремния с донорной и акцепторной примесями?
1.В обоих кристаллах кремния — электроны.
2. В кристаллах кремния с донорной примесью — дырки, с акцепторной — электроны.
3. В кристаллах кремния с донорной примесью — электроны; с акцепторной — дырки.
2.Чем объясняется нелинейность вольт-амперной характеристики р-п-перехода (рис.7.)
1.Дефектами кристаллической структуры.
2 Вентильными свойствами.
3.Собственным сопротивлением полупроводника.
3. На диоде марки Д312 при изменении прямого напряжения от 0,2 до 0,4 В прямой ток увеличивается от 3 до 16 мА. Каково дифференциальное сопротивление этого диода?
1. 15,4 Ом. 2. 12,3 Ом. 3. 1,54 Ом.
4. Каково соотношение между прямым Rnpи обратным сопротивлением Rобр полупроводникового диода?
1. Rnp> Rобр.. 2. Rnp< Rобр.. 3. RnpRобр.. 4. Rnp<< Rобр
5. Каково основное достоинство точечного диода?
1.Малые размеры.
2.
