Обратное смещение р-n-перехода
Напряжение смещения Uꞌ называют обратным напряжением, если оно приложено к клеммам Э и Б так, что Δφ>Δφ0. На рис. 4 полярность этого напряжения имеет «плюс» на Б и «минус» на Э.
При обратном смещении р-n-перехода возрастают по сравнению с равновесными значениями разность потенциалов, высота и ширина потенциального барьера
(6)
а также на ΔEF =qeUꞌ смещается «вниз» на зонной диаграмме уровень Ферми EFп относительно уровня Ферми EFp .
Напряжением Uꞌ система выведена из состояния равновесия (EFn < EFр) при неизменной температуре. Равновесные значения концентрации основных и неосновных носителей тока в р-слое и в n-слое сохраняются. Неизменным остается и положение ВЗ и ЗП относительно уровней Ферми в каждом слое. Вместе с уровнем Ферми смещаются «вниз» относительно р-слоя ВЗ и ЗП n-слоя, как показано на зонной диаграмме (рис. 4).
При обратном смещении и при Т = const дрейфовый поток ΔPn дырок из n-слоя остается таким же, как и в состоянии равновесия.
Диффузионный же поток дырок ΔPp из р-слоя ввиду увеличения высоты ΔE потенциального барьера (ΔE > E0)существенно уменьшается по сравнению с равновесным значением: ΔPp << Pр0.
Преимущественный дрейфовый переход дырок из n-слоя в р-слой (экстракция, или отсос дырок из базы) создает в n-слое вблизи его границы с p-n-переходом «дефицит дырок», распространяющийся по мере удаления от границы (вдоль оси Х) в соответствии с формулой
(7)
где максимальное значение «дефицита» (при Х=0) ∆Pꞌ0= ∆Pp – ∆Pn < 0.
Рис. 4
Дырки, покидающие n-слой, компенсируются притоком их из глубины n-слоя, что эквивалентно оттоку свободных электронов во внешнюю цепь через клемму Б. В р-слое сверхравновесные дырки, проникшие через р-n-переход, компенсируются рекомбинацией их с электронами, поступающими из внешней цепи через клемму Э.
Дрейфовый дырочный ток на границе р-n-перехода с n-слоем определяется формулой (4), подставляя в которую (7), получим для обратного тока через р-n-переход
(8)
где тепловой дырочный ток I0p соответствует рассмотренному в (5). Обратное напряжение Uꞌ ограничивается электрической прочностью кристалла и может быть достаточно большим (30 – 100 В).
Даже при не очень больших напряжениях Uꞌ в (8) экспоненциальная часть много меньше единицы и ею можно пренебречь. Поэтому Iꞌ ≈– I0p = const при данной температуре и разных значениях Uꞌ >> 0. Температурная зависимость тока Iꞌ весьма существенна.
Ввиду большого значения ширины l р-n-перехода сопротивление обратно смещенного перехода очень большое.
Методика эксперимента
Исследовать свойства р-n-перехода можно с помощью полупроводникового диода. Полупроводниковым диодом называется электронный прибор, который состоит из р-n-перехода, система контактов и корпуса.
Формулы (5) и (8) определяют вольт-амперные характеристик (ВАХ) полупроводникового диода при прямом I = f(U)и при обратном Iꞌ = f(Uꞌ) смещениях.
Рис. 5
Рис. 6
В первом случае ВАХ имеет большую крутизну: при малом изменении прямого напряжения ток диода изменяется резко. Для экспериментального исследования ВАХ в этом случае проще и точнее устанавливать величину тока, а напряжение, полученное на диоде, измерять. Для этого в качестве источника необходимо применять либо «генератор тока» (рис. 5а), либо гасящее сопротивление (рис. 5б).
ВАХ при обратном включении диода: даже при больших изменениях напряжения ток изменяется незначительно. В этом случае предпочтительнее использовать «генератор напряжений» для установки напряжения на диоде, а ток диода измерять (рис. 6).
Рекомендуемое задание
1. Перед выполнением работы изучить вводную часть данного описания.
2. Собрать установку по соответствующей схеме прямого, а затем обратного включения диода, указанной на рабочем месте.
3. Получить данные для построения прямой ветви ВАХ, задаваясь разными значениями прямого тока и измеряя соответствующие значения прямого напряжения на диоде.
4. Исследовать при заданном значении прямого тока зависимость прямого напряжения на диоде от температуры: U= f(Т)I=const.
5. Получить данные для построения обратной ветви ВАХ, задаваясь разными значениями обратного напряжения на ГН и измеряя соответствующие значения обратного тока диода.
6. Исследовать при заданном значении обратного напряжения зависимость обратного тока диода от температуры Iꞌ= f(Т)Uꞌ=const.
7. Построить на графике выбирая соответствующие масштабы тока и напряжения на осях координат, ВАХ для прямой и обратной ветвей.
8. Построить графики зависимостей по п. 4 и 6.
Контрольные вопросы
1. Чем отличаются полупроводники от проводников 1 рода и диэлектриков по своим электрическим свойствам? Объясните механизм электрической проводимости полупроводников.
2. Почему запирающий слой пропускает ток только в одном направлении?
3. В чем состоит причина появления обратного тока через запирающий слой?
4. В чем состоит однополупериодное и двухполупериодное выпрямление переменного тока?
5. Происходят ли какие-нибудь химические изменения в составе полупроводника при прохождении через него электрического тока?
6. Является ли коэффициент выпрямления диода величиной постоянной или он может меняться со временем? Если меняется, то от каких факторов это зависит?
7. Что называют статическими вольтамперными характеристиками диодов и в каких условиях их получают?
8. Почему при обратном напряжении p-n переход аналогичен конденсатору?