Главная | Обратная связь | Поможем написать вашу работу!
МегаЛекции

Электропроводимость химически чистого полупроводника, обусловленная упорядоченным движением электронов и дырок, называется собственной.

СНЯТИЕ ВОЛЬТАМПЕРНОЙ ХАРАКТЕРИСТИКИ

ПОЛУПРОВОДНИКОВОГО ДИОДА

 

Цель работы: ознакомиться с работой полупроводникового диода.

 

Задачи работы: снять вольтамперную характеристику полупро-

водникового диода.

Приборы и принадлежности: экспериментальная установка

 

 

 

 


Теоретическое введение

 

По своим особенностям проводить электрический ток полупроводники занимают промежуточное место между металлами и диэлектриками, почему и получили название полупроводников. К полупроводникам относятся многие элементы четвертой, пятой и шестой групп таблицы Менделеева, окислы металлов, сульфиды и некоторые другие соединения. Наиболее типичными, широко применяемыми полупроводниками с хорошо изученными электрическими свойствами являются германий и кремний.

На рис.1 схематически показано строение

атома германия. На первой, ближайшей к

ядру оболочке находятся 2 электрона, на

второй – 8, на третьей –18 и на четвертой

- 4 электрона.

Внешняя оболочка, содержащая всего

+32 четыре электрона, является незаполненной (четвертая оболочка может иметь 8 электронов). Поэтому к атому германия можно присоединить от одного до четырех электронов. В

Рис. 1 результате такого присоединения атом германия приобретает отрицательный

заряд, т.е. ионизируется. С другой стороны, электроны внешней оболочки слабее связаны с ядром, чем электроны внутренней оболочки. Поэтому из внешней оболочки относительно нетрудно выбить один или несколько электронов. Лишившись электрона, атом германия оказывается заряженным положительно, т.е. становится положительным ионом.

 

 

 

Рис. 2

 

 

В кристалле германия каждый атом связан с четырьмя другими, причем каждая из связей между атомами осуществляется двумя валентными электронам, один из которых принадлежит к числу четырех валентных электронов одного атома, а другой электрон – другого атома. Схематически это показано на рис.2.

Большими кружочками обозначены атомы германия, а маленькими их валентные электроны. Двухэлектронные связи являются наиболее прочными и называются валентными. Характерной особенностью двухэлектронных связей является то, что при их образовании оболочка каждого из атомов кристалла имеет как бы по восьми электронов и является полностью заполненной. В кристаллах связанные между собой атомы вещества располагаются в пространстве строго определенным образом и на одинаковых расстояниях друг от друга, в результате чего образуется своеобразная решетка из атомов, которую принято называть кристаллической.

В совершенно правильном кристалле германия все четыре валентных электрона каждого атома (кроме атомов, образующих поверхностный слой кристалла) использованы для образования междуатомных связей и поэтому не могут участвовать в процессе проводимости электрических зарядов. Такой кристалл должен являться изолятором. Это действительно справедливо для свободного от примесей кристалла, но только до тех пор, пока из-за каких-либо внешних причин не нарушена целость кристаллической решетки.

Если подвергнуть кристалл германия световому облучению, бомбардировке какими-нибудь частицами или нагреть, то электронам будет сообщена дополнительная энергия, и некоторые из них смогут вырваться из соответствующих междуатомных связей. В результате оставления электроном связи освобождается один электрон и возникает одно свободное место, которое снова может быть занято электроном. Такое свободное место принято называть дыркой.

Освободившийся электрон не может войти ни в одну из заполненных связей кристалла. Поэтому под влиянием теплового движения он будет хаотически перемещаться по кристаллу, пока не попадет обратно в свою связь или в какую-либо другую, в которой также отсутствует электрон. Число таких свободных электронов в кристалле может достигать значительной величины и зависит от сообщенной ему энергии.

Если поместить такой кристалл в электрическое поле, то появившиеся в нем свободные электроны будут упорядоченно двигаться под действием сил этого поля, то есть через кристалл потечет электрический ток.

Так как перенос зарядов осуществляется в данном случае свободными электронами, то обусловленную ими проводимость называют электронной проводимостью или проводимостью типа n (от латинского слова «neqative», что значит «отрицательный»).

Рассмотрим теперь ту связь, из которой был удален один электрон, т.е. дырку. После удаления электрона в том месте, где он был, остался ненейтрализованный положительный заряд. Следовательно, мы можем считать, что дырка обладает положительным зарядом, равным по абсолютной величине заряду электрона.

Под действием тепловых колебаний электрон заполненной связи, соседней с незаполненной, может перескочить в незаполненную связь, т.е. занять дырку. В результате этого восстанавливается одна связь и разрушается соседняя или, иначе говоря, заполняется одна дырка и одновременно с этим возникает новая в другом месте. Это подобно перемещению дырки из одного места кристалла в другое и соответственному переносу положительного заряда Этот процесс непрерывно повторяется, и дырка, переходя от одной связи к другой, совершает беспорядочное движение по кристаллу, пока не встретится со свободным электроном, который заполнит недостающую связь и скомпенсирует имеющийся там положительный заряд. На этом существование дырки прекратится. Исчезновение дырки в результате восстановления незаполненной связи свободным электроном называется рекомбинацией.

При помещении кристалла в электрическое поле движение дырок в кристалле становится упорядоченным, направленным в сторону, противоположную движению электронов. Это равносильно перенесению в том же направлении положительных зарядов, что соответствует прохождению через кристалл электрического тока. Однако в данном случае носителями зарядов условно считаются уже не электроны, а дырки. Поэтому проводимость, возникающую в результате перемещения дырок, называют дырочной проводимостью или проводимостью типа p (от латинского слова «positive»-«положительный»).

Таким образом, дырочную проводимость мы условно рассматриваем как проводимость, обусловленную переносом положительного заряда-дыркой.

В действительности при дырочной проводимости перемещаются, как мы уже видели, электроны, но только здесь при переносе единичного заряда не один свободный электрон проходит весь путь, как при электронной проводимости, а, подобно передаче эстафеты, большое количество электронов заменяют друг друга в связях.

Так как электроны и дырки являются носителями разных по знаку зарядов и движутся в кристалле в противоположных направлениях, создаваемые ими электрические токи имеют одно и тоже направление. Следовательно, полный ток, протекающий через кристалл, равен сумме электронного и дырочного токов. Чистый кристалл германия обладает одновременно и электронной и дырочной проводимостью.

Электропроводимость химически чистого полупроводника, обусловленная упорядоченным движением электронов и дырок, называется собственной.

Однако для изготовления полупроводниковых диодов необходимо иметь германий с ярко выраженной проводимостью одного типа. Это достигается введением в германий специальных примесей.

Наличие даже небольшой примеси в полупроводнике оказывает большое влияние на его проводимость, создавая так называемую примесную проводимость полупроводника. Некоторые примеси обогащают полупроводник свободными электронами, вызывая в нем преимущественно электронную проводимость. Такие примеси называются донорными, а полупроводники – электронными или полупроводниками n – типа. Другие примеси обогащают полупроводник дырками, создавая в нем преимущественно дырочную проводимость. Такие примеси называются акцепторными, аполупроводники – дырочными или полупроводниками

р - типа.

Введем в германий небольшое количество пятивалентного элемента, например, мышьяка. Каждый атом мышьяка войдет в связь четырьмя своими внешними электронами с четырьмя соседними атомами германия. Пятый внешний электрон мышьяка окажется “лишним”, не участвующим в установлении межатомных связей (рис 3 а). Под влиянием теплового движения или иных воздействий этот электрон легко может стать свободным. Практически каждый атом введенного мышьяка создает в полупроводнике по одному свободному электрону (0,0001% примеси мышьяка увеличивают число свободных электронов в германии примерно в 1000 раз!). Существенно, что при этом число дырок не увеличивается, так как освобождение “лишних” электронов не разрывает междуатомных связей. В результате германий обогащается свободными электронами; примесная электронная проводимость становится в нем основной. Германий превращается в примесный электронный полупроводник.

Введем теперь в германий небольшое количество трехвалентного элемента, например, индия. Каждый атом индия прочно соединится тремя своими внешними электронами с тремя соединениями атомами германия.

Так как у индия нет четвертого внешнего электрона, связь с четвертым атомом германия окажется непрочной и будет представлять собой место, способное захватывать электрон. При переходе на это место электрона одной из соседних пар возникает дырка, которая будет “кочевать“ по кристаллу. Вблизи атома примеси возникает избыточный отрицательный заряд, но он будет связан с данным атомом и не может стать носителем тока. Таким образом, германий обогатится дырками; примесная дырочная проводимость станет в нем основной. Германий превратится в примесный дырочный полупроводник.

 

 

 
 

 

 


Освобождающийся Дырка

электрон

 

а б

Рис. 3

 

При контакте полупроводника с n – проводимостью с полупроводником с р – проводимостью в зоне контакта образуется n – p – переход, имеющий большое практическое значение. Так как в полупроводнике с n – проводимостью велика концентрация свободных электронов, а в полупроводнике с р – проводимостью – дырок, то через поверхность соприкосновения полупроводников будет происходить диффузия свободных электронов из полупроводника n – типа в полупроводник р – типа () и диффузия дырок в противоположном направлении (). Вследствие этого в области n – p – перехода образуется двойной электрический слой (рис. 4).

Возникающее в этом слое электрическое поле напряженностью будет препятствовать дальнейшему переходу электронов в направлении и дырок в направлении . В итоге при определенном значении напряженности установится равновесие: прекратятся преимущественные перемещения электронов и дырок в указанных направлениях.

 

 

n – типа р - типа

+ + - -

+ + - -

+ + - -

+ + - -

+ + - -

+ + - -

+ + - -

+ + - -

 

свободные электроны дырки

 

Рис. 4

 

Толщина слоя имеет порядок см, контактная разность потенциалов в слое – порядок В. Такую разность потенциалов (потенциальный барьер) могут преодолеть только электроны и дырки, обладающие большой кинетической энергией, соответствующей температурам в несколько тысяч кельвинов. При нормальной температуре слой является непроницаемым – имеющим очень большое сопротивление – для перехода электронов в направлении и дырок в направлении . Поэтому пограничный слой называется запирающим слоем.

Сопротивление запирающего слоя можно изменить с помощью внешнего электрического поля. Присоединим к электронному полупроводнику положительный, а к дырочному – отрицательный полюсы источника тока (рис 5а). Тогда напряженность внешнего поля Е, совпадающая по направлению с напряженностью , еще дальше отодвинет свободные электроны и дырки от места контакта полупроводников. Запирающий слой расширяется и его сопротивление возрастает. Ток через контакт не пройдет. Точнее говоря, пойдет очень слабый ток, обусловленный собственной проводимостью полупроводников, так как внешнее поле способствует переходу через запирающий слой неосновных носителей тока: свободных электронов из дырочного полупроводника в электронный и дырок из электронного полупроводника в дырочный. Но концентрации свободных электронов в дырочном полупроводнике и дырок в электронном полупроводнике весьма малы. Поэтому в данном случае ток будет пренебрежительно малым. Направление , практически не пропускающее тока, называется запирающим.

 

Е

n – типа р - типа

 

+ + + - - -

+ + + - - -

+ + + - - -

+ + + - - -

+ + + - - -

+ + + - - -

+ + + - - -

+ + + - - -

+ + + - - -

 

+ -

 

а

 

 

n – типа Е р - типа

+ -

+ -

+ -

+ -

+ -

+ -

+ -

+ -

+ -

 

- +

 

б

 

Рис. 5

 

Изменим полярность приложенного внешнего напряжения (рис. 5 б). Тогда напряженность внешнего поля Е, направленная противоположно напряженности , будет перемещать свободные электроны и дырки навстречу друг другу. Запирающий слой сузится и его сопротивление уменьшится. При определенном значении приложенного внешнего напряжения сопротивление запирающего слоя станет равным сопротивлению самих полупроводников (запирающий слой исчезнет). Через полупроводники пойдет сильный ток. Направление , пропускающее ток, называется пропускным.

Таким образом, запирающий слой обладает вентильной проводимостью, что позволяет использовать его для выпрямления переменного тока, подобно диоду в ламповом выпрямителе. Кривая зависимости силы тока через полупроводниковый диод от приложенного напряжения изображена на рис. 6. Ветвь кривой ОА соответствует пропускному току, ветвь ОВ – слабому обратному току собственной проводимости полупроводников.

 

 

А

 

О

В

 

 

Рис. 6

 

 

Полупроводниковые диоды бывают плоскостные и точечные. Условное обозначение диода приведено на рис. 7.

 
 

 

 


катод

 

анод

 

Рис. 7

 

Следует заметить, что полупроводник с - переходом может выдерживать обратные напряжения до определенного предела, после чего наступает пробой, аналогичный пробою диэлектрика.

Полупроводниковые диоды могут иметь весьма малые размеры (порядка 1 см и менее), не нуждаются в нагреве (накале), просты по устройству, механически прочны, имеют большой срок службы. Поэтому они успешно конкурируют с электронными лампами.

 

 

Поделиться:





Воспользуйтесь поиском по сайту:



©2015 - 2024 megalektsii.ru Все авторские права принадлежат авторам лекционных материалов. Обратная связь с нами...