Лабораторная работа №4 изучение работы полупроводникового диода

Цель работы: изучить свойства, принцип действия, применение полупроводникового диода и построить его вольт-амперную характеристику.

Основные теоретические сведения

В зависимости от способности проводить электрический ток все твердые тела делятся на _______________, полупроводники и _______________.

Полупроводниками являются вещества, занимающие промежуточное положение между __________________ и ___________________ по своей способности проводить электрический ток.

Граница между полупроводниками и ______________________ условна, так как _______________________ при соответствующем значительном повышении температуры становятся подобными полупроводникам, а чистые полупроводники при весьма низкой температуре ведут себя как ________________.

Характерной особенностью полупроводников является необычайно- высокая чувствительность к примесям. Чем лучше очистка полупроводника, тем __________ его удельное сопротивление. При 300 К (27°С) удельное сопротивление германия 47 Ом/м. Но достаточно добавить к 108 атомам германия один атом примеси, и его удельное сопротивление снижается до 4 Ом/м.

В чистых полупроводниках (без примесей), находящихся при низких температурах, свободные электроны (электроны проводимости) отсутствуют, так как все они участвуют в образовании связей между атомами кристаллической решетки. Для того чтобы валентный электрон стал электроном проводимости и мог принимать участие в переносе заряда, необходимо сообщить атому дополнительную энергию. Это можно осуществить путем повышения __________________ полупроводника или воздействуя на него __________________.

Процесс отрыва электрона от нейтрального атома сопровождается образованием на его месте вакансии, которую называют ____________ (рис. 1).

В чистом полупроводнике число электронов проводимости равно числу __________. В результате теплового возбуждения электроны соседних нейтральных атомов могут переходить на вакантное место. Такое коллективное поочередное движение электронов, находящихся в основном в положении равновесия около атомов, можно представить в виде встречного потока положительно заряженных частиц, называемых __________. Перемещение, как свободных электронов, так и ___________ в отсутствие электрического поля носит _________________ характер.

Если к полупроводнику приложить определенную разность потенциалов, то возникает упорядочивающее электрическое поле и движение _________ и электронов примет __________________ характер. Электроны будут перемещаться в сторону ____________ потенциала (против направления линий напряженности внешнего электрического поля), а дырки - в сторону _______________ потенциала (вдоль направления линий напряженности поля). Таким образом, в чистом полупроводнике имеется два вида проводимости - электронная и дырочная. Электронная проводимость ( ___- типа) обусловлена движением свободных электронов, а дырочная ( ___- типа) - коллективным движением связанных с атомами валентных электронов.

Собственной проводимостью называется электропроводность веществ, обусловленная свободными электронами и дырками, образовавшимися в ___________ количествах при ___________ движениях атомов.

В практических целях чаще используются полупроводники с добавками других элементов - примесей, наличие которых приводит к преобладанию одного из типов проводимости.

Так, если к четырехвалентному германию добавить незначительное количество пятивалентного мышьяка или сурьмы, то в нем образуется избыток слабосвязанных с ядром ______________ (рис. 2). Обусловлено это тем, что четыре валентных электрона примеси участвуют в создании химической связи с атомом германия, а пятый валентный электрон оказывается слабо связанным с атомом примеси, поэтому он легко становится «свободным». Эти электроны уже при комнатной температуре могут принимать участие в создании тока проводимости.

Примеси, добавление которых к собственному полупроводнику приводит к увеличению концентрации свободных электронов, называются донорными, а проводимость в этом случае будет ________________ (n-типа).

Добавление к германию примеси с валентностью, равной трем, например, бора или индия, приводит к повышению концентрации __________ (рис. 3). Объясняется это нехваткой у атома индия одного электрона для установления прочной связи с атомом германия, при этом между этими двумя атомами получается незаполненная валентная связь, или «дырка». Число дырок в кристалле равно числу ___________ примеси.

Примеси, при добавлении которых к чистому полупроводнику возрастает концентрация дырок, называются акцепторными, а проводимость будет _____________ (p-типа).

Примесной называется проводимость, обусловленная присутствием в полупроводнике ____________ какого-либо типа.

Большая часть полупроводниковых приборов работает на основе электронно-дырочного перехода, который представляет собой границу между двумя областями полупроводника, одна из которых p – типа, а другая n – типа. Создание такого перехода осуществляется, например, ________________ способом или путем ______________ имплантации (ионной бомбардировкой поверхности полупроводника с последующим высокотемпературным отжигом).

В p - области перехода основными носителями являются __________, а неосновными - ____________. В n – области, наоборот, основными носителями являются ________________, а неосновными - __________. Следовательно, в каждой области концентрация основных носителей много больше концентрации неосновных носителей заряда и в области контакта полупроводников с различным типом проводимости существует градиент концентрации электронов и дырок, вызывающий их диффузию через пограничный слой во встречных направлениях.

В результате ухода электронов и дырок из атомов в приконтактных областях возникает область положительно и отрицательно заряженных ионов (доноров и акцепторов) – _________________________ слой. Этот слой обладает большим сопротивлением, так как в нем отсутствуют свободные носители заряда. Сами электроны и дырки, перейдя в соседние области p-n перехода, рекомбинируют (нейтрализуются) там с основными носителями. Таким образом, на границе двух полупроводников появляется контактное поле напряженностью E_k (рис. 4).

Направление контактного поля таково, что оно _________________ дальнейшему переходу через двойной слой основных носителей с той и другой стороны p-n перехода и, наоборот, ____________ переносу неосновных носителей.

Если на p - полупроводник подать положительный потенциал, а на n - полупроводник - отрицательный, то двойной слой обогатится __________________ носителями заряда и его сопротивление снизится (прямое смещение p-n перехода). Если на p - область подать отрицательный потенциал, а на n - область - положительный, то _____________ носители заряда будут оттягиваться от области двойного электрического слоя, ширина его увеличится и сопротивление возрастет (обратное смещение перехода). Ток через p-n переход будет мал и обусловлен движением ________________ носителей заряда, концентрация которых незначительна. Такой ток называют обратным или тепловым. Таким образом, сопротивление p-n перехода при одном направлении тока больше, чем при другом, следовательно, p-n переход хорошо пропускает ток только в _____________ направлении (обладает выпрямляющими свойствами). Эти свойства легли в основу работы полупроводникового диода - полупроводникового прибора с одним p-n переходом и двумя выводами. Электронно-дырочный переход нельзя получить, наложив одну на другую пластины, изготовленные из полупроводников с различной примесной проводимостью, так как между пластинами неизбежно наличие поверхностных пленок или очень тонкого слоя воздуха. Такой переход создается лишь посредством образования областей с различными электропроводностями в одной пластине полупроводника методом ________________.

Важнейшее значение в теории полупроводниковых приборов представляет аналитическая зависимость между напряжением, приложенным к p-n переходу и возникающим при этом током. Такая зависимость называется ___________________________ характеристикой p-n перехода (диода) и описывается уравнением:

(1)

где - тепловой ток p-n перехода,

- приложенное к переходу напряжение (учитывает знак)

- температурный потенциал, определяемый по формуле:

(2)

где - постоянная Больцмана,

- абсолютная температура среды

е - заряд электрона.

Анализ выражения (1) для комнатных температур (300 К, В) показывает следующее. При прямых напряжениях, превышающих 0,1 В, можно пренебречь ____________ по сравнению с ___________________ составляющей, а при отрицательных напряжениях В, наоборот, значение ___________________ составляющей становится пренебрежимо малым по сравнению с _____________. Следовательно, график роста прямого тока через полупроводниковый диод с увеличением прямого напряжения представляет собой экспоненциальную кривую. При обратном включении ток через диод становится очень малым, определяется только тепловым током и не зависит от _________________. Таким образом, величина и направление тока, протекающего через p-n переход (диод), зависят от величины и знака приложенного к переходу напряжения.

На рис. 5 приведена вольт-амперная характеристика идеального полупроводникового диода. Для реальных диодов вольт-амперная характеристика может иметь несколько иной, но похожий вид.

При прямом токе характеристика имеет вид круто восходящей ветви. На участке 1 Е_вн ___________ Е_зап и прямой ток мал. На участке 2 Е_вн ___________ Е_зап запирающий слой отсутствует, ток определяется только сопротивлением полупроводника. В обратном направлении ток быстро достигает насыщения и не изменяется до некоторого предельного обратного напряжения U_пр, после чего резко возрастает. На участке 3 запирающий слой препятствует движению _____________ носителей, а небольшой ток определяется движением ________________ носителей заряда. При напряжении, большем предельного (U_пр), наступает пробой p-n перехода и обратный ток I_обр быстро растет (участок 4). Напряжение U_пр еще называют напряжением ____________ или _____________ напряжением диода. Напряжение ____________ диода – это одна из характеристик, определяющих его режим работы. При использовании диодов в выпрямительных устройствах работа при обратных напряжениях, близких к U_пр, не допускается, так как может привести к __________________________. В этом случае p-n переход «выгорает» и диод становится ______________, одинаково хорошо пропускающим ток в обоих направлениях.

№	Критерий оценки, %	Оценка
1	0т 91до 100	отлично
2	От 81 до 91	хорошо
3	От 71 до 81	удовлетворительно
4	От 0 до 71	неудовлетворительно
Блок содержит 58 подготовленных пропусков