2. Свойства p-n-перехода при наличии внешнего напряжения.

Полупроводниковый диод.

Допустим, что к p-n-переходу приложено внешнее напряжение, противоположное по знаку контактной разности потенциалов (рис.3). Такое включение называют прямым. Оно приводит к снижению высоты потенциального барьера. Основные носители приближаются к контакту полупроводников и компенсируют заряд примесей, ширина барьера уменьшается. Часть основных носителей имеет возможность преодолеть уменьшенный потенциальный барьер. Диффузионный ток увеличивается и становится больше дрейфового. В цепи будет течь прямой ток

.

В таком включении ток I_пр может достигать очень больших величин. Заряды, прошедшие потенциальный барьер, попадают в области полупроводника, где они являются неосновными.

Процесс введения электронов в полупроводник р-типа и дырок в полупроводник n-типа путем понижения потенциального барьера p-n-перехода называется инжекцией.

Инжектированные неосновные носители диффундируют в глубь полупроводника, рекомбинируя с основными, и количество основных носителей убывает. Убыль основных носителей компенсируется за счет поступления электронов в n-область и дырок в р-область от источника. Так поддерживается ток через р-n-переход.

В случае, когда р-n-переходу подведено обратное внешнее напряжение (рис.4), электрическое поле, создаваемое источником, совпадает с полем р-n-перехода и потенциальный барьер возрастает до величины U_К + U. Количество основных носителей, способных преодолеть такой барьер, уменьшается. Уменьшается диффузионный ток. Под действием внешнего поля основные носители будут оттягиваться от перехода в глубь полупроводника. Ширина р-n-перехода увеличится. Для неосновных носителей потенциальный барьер отсутствует и они будут втягиваться полем в область р-n-перехода. При обратном включении основную роль играет дрейфовый ток, который имеет небольшую величину, т.к. концентрация основных носителей мала. Этот ток называется обратным током

I_обр = I_др - I_диф .

Таким образом p-n-переход обладает односторонней проводимостью. Электронно-дырочные переходы полупроводников широко применяются в современных полупроводниковых приборах. Приборы с одним p-n-переходом называются диодами, с двумя – транзисторами, с тремя – тиристорами (рис. 7). В данной лабораторной работе изучается работа полупроводникового диода. Схематически полупроводниковый диод изображается так

Наибольшее применение получили германиевые и кремниевые полупроводниковые диоды, а также диоды, выполненные на основе арсенида галлия. Основной характеристикой полупроводникового диода является его вольтамперная характеристика, т.е. график зависимости тока, проходящего через диод, от приложенного к диоду напряжения. Из рисунка видно, что при положительных (прямых) напряжениях ток через диод (p-n-переход) с увеличением напряжения резко возрастает и измеряется в миллиамперах. При отрицательных напряжениях в некоторых пределах ток I_обр остается постоянным и очень малым (мкА). Эта область соответствует току насыщения неосновных носителей, когда все они увлекаются полем. Дальнейшее увеличение обратного тока ведет к электрическому пробою p-n-перехода и к резкому увеличению тока.

Полупроводниковые диоды нашли очень широкое применение в электротехнике и электронике. Они применяются для выпрямления переменного тока, детектирования радиосигналов, переключения электрических цепей и во многих других случаях. Схема простейшего выпрямителя приведена на рис. 6. В этой схеме ток может протекать только в направлении стрелки.

Приборы и принадлежности: источник питания; лабораторная установка; электронный осциллограф.

Описание установки. Лабораторная установка позволяет снять вольтамперную характеристику диода и исследовать работу полупроводникового триода в режиме усиления сигнала.

Для снятия вольтамперной характеристики диода применяется операционный усилитель. Он представляет собой устройство на полупроводниковых диодах и триодах, позволяющее применять его в разнообразных электронных схемах. У операционного усилителя два входа - неинвертирующий, обозначенный знаком “+”, и инвертирующий, обозначенный знаком “” (рис.9). Если на неинвертирующий вход подать положительное напряжение по отношению к инвертирующему входу, то напряжение на выходе возрастет. Если положительное напряжение подать на инвертирующий вход, то на выходе напряжение уменьшается. Таким образом, операционный усилитель реагирует только на разность потенциалов между входами. Коэффициент усиления идеального операционного усилителя по напряжению и току бесконечен, в реальных усилителях он достигает сотен тысяч.

Если неинвертирующий вход операционного усилителя заземлить (соединить с общей шиной), а с его выхода через резистор R_ОС подать напряжение на инвертирующий вход (рис.10), то на инвертирующем входе напряжение будет практически равно нулю. Оно скомпенсируется напряжением обратной связи. Инвертирующий вход окажется как бы заземленным. Поскольку входное сопротивление операционного усилителя очень велико, ток в цепи инвертирующего входа будет очень мал. Поэтому ток через резистор R_ОС будет равен току через R и его просто определить из закона Ома

.

Напряжение на R_ОС практически будет равно U_вых.

Если вместо R_ОС включить диод, то, изменяя напряжение U_вх, можно снять его вольтамперную характеристику. На этом принципе построена лабораторная установка, схема которой представлена на рис.11. Из схемы (рис.11) следует, что в положении переключателя П₁ “Si” кремниевый диод D₁ включен в прямом направлении, а в положении “Ge обр.” в обратном направлении включается диод D₃, в положении “Ge пр.” в прямом направлении включается германиевый диод D₂.

Напряжение, приложенное к диоду, измеряется по прибору ИП₁, а ток измеряется прибором ИП₂. В прямом включении шкала прибора ИП₁ рассчитана на 0,5 В, в обратном на 10 В. Шкала прибора ИП₂ рассчитана на 10 мА при включении диодов в прямом направлении и на

5 мА - в обратном.