ИЗУЧЕНИЕ ПОЛУПРОВОДНИКОВОГО ДИОДА
Цель работы: снятие вольт-амперной характеристики полупроводникового диода.
Приборы: полупроводниковые диоды, установка для регистрации их вольт-амперных характеристик.
Теоретические сведения
По зонной теории, рассматривающей поведение электронов в твёрдых телах с энергетической точки зрения, к полупроводникам относятся твёрдые тела, для которых валентная зона полностью занята и отделена от свободной проводимости неширокой запретной зоной. В полупроводниках имеются носители тока двух типов: электроны и фиктивные положительные частицы – дырки.
Электронная проводимость возникает, когда появляются электроны, занимающие состояние в зоне проводимости, а дырочная, когда в валентной зоне появляются после ухода электронов незанятые состояния – дырки.
Рис. 77
Чистый полупроводник имеет слабую собственную электронно-дырочную проводимость за счёт перехода электронов из валентной зоны в зону проводимости вследствие теплового возбуждения. Вводя соответствующие примеси, можно придать полупроводнику преимущественно электронную или дырочную проводимость. Так, небольшое количество атомов пятивалентной сурьмы (донорная примесь), введённое в кристалл четырёхвалентного кремния или германия, придаёт кристаллу электронную проводимость (n-типа, рис. 77,а). Примесь же трёхвалентного индия (акцепторная примесь) придаёт этим полупроводникам дырочную проводимость (p-типа, рис. 77,б).
На зонной системе донорные уровни располагаются в запретной зоне ближе к зоне проводимости, в которую с них и переходят электроны (рис. 77).
Акцепторные свободные уровни располагаются в запретной зоне ближе к валентной зоне, и на них переходят электроны из валентной зоны, оставляя в нём незаполненные состояния – дырки (рис 77,б).
В полупроводниковых диодах используется электронно-дырочный n-p-переход: область соприкосновения объёмов кристалла с разными типами проводимости. Такой переход делается путём химико-металлургического введения донорной и акцепторной примесей в монокристаллы германия или кремния.
Рис. 78
При образовании электронно-дырочного перехода происходит рекомбинация электронов с дырками в тонком приконтактном слое, возникает запорный слой, лишённый носителей, обладающий низкой проводимостью (рис. 78,а). Запорный слой похож на тонкую диэлектрическую прослойку между участками с n- и p- проводимостью.
Внешнее напряжение прямой полярности перемещает электроны и дырки навстречу через электронно-дырочный переход, запорный слой ликвидируется, через диод течёт ток в прямом (пропускном) направлении (рис. 78,б). Внешнее напряжение обратной полярности (рис. 78,в) перемещает электроны и дырки в стороны от n-p-перехода, запорный слой расширяется, и в обратном (запертом) направлении течёт только малый ток неосновных носителей.
Прямой ток с увеличением напряжения круто нарастает по экспоненте, обратный ток меняется слабо. Нагрев диода заметно увеличивает обратный и прямой токи.
Когда к диоду приложено переменное напряжение, запорный слой пульсирует по толщине, и через диод течёт пульсирующий ток одного направления. Диоды используются в различных выпрямительных схемах и для детектирования высокочастотных сигналов.
Основными параметрами диода являются:
1) максимальный допустимый ток, не перегревающий диод чрезмерно;
2) максимальное допустимое обратное напряжение, не вызывающее пробоя запертого n-p-перехода. Например, у распространённого кремниевого диода Д226 максимальный прямой ток I = 0,3 А, максимальное обратное напряжение U = 300 В.
Описание прибора
На правой стороне установки размещены приборы для регистрации прямой ветви вольтамперной характеристики диодов (см. макет установки), на левой стороне – приборы для регистрации обратной ветви ВАХ диодов. Питается эта часть схемы от низковольтного выпрямителя, состоящего из понижающего трансформатора, диодного моста двухполупериодных выпрямителей и конденсатора, сглаживающего пульсации выпрямленного напряжения.
Величину напряжения регулируют поворотами лабораторного автотрансформатора ЛАТР, питающего первичную обмотку понижающего трансформатора. Для исследования можно включить диод № 1 или № 2 тех же марок.