Эксперт

Сергей

Задать вопрос

Мы готовы помочь Вам.

Исследование вольт-амперной характеристики полупроводникового диода

Изучить особенности, режимы и принципы функционирования полупроводникового диода.

Теоретическое введение
Полупроводниковые диоды — широкий класс твердотельных приборов, предназначенных для осуществления нелинейных преобразований электрических сигналов (выпрямление, детектирование, генерирование и т.д.), преобразования электрической энергии в излучение (светодиоды, лазеры) и, наоборот, преобразования излучения в электрическую энергию (фотопреобразователи, солнечные элементы).
Принцип работы диодов базируется на процессах, протекающих вследствие образования p-n-перехода.
Изучим терминологический аппарат.
Полупроводник — это материал, который по своей удельной проводимости занимает промежуточное место между проводниками и диэлектриками и отличается от проводников сильной зависимостью удельной проводимости от концентрации примесей, температуры и воздействия различных видов излучения.
Основным свойством полупроводника является увеличение электрической проводимости с ростом температуры.
Повлиять на электрическую проводимость проводника можно легированием.
Если легировать 4-валентный полупроводник (например, кремний) 5-валентной примесью (например, фосфором) мы получим полупроводник n-типа. В этом случае примесь называется  донорной. Дополнительный пятый электрон донорной примеси проще переходит в свободное состояние и перенос заряда осуществляется свободными электронами.
Для полупроводника n-типа проводимости электроны являются основными носителями заряда. Дырки — неосновные носители заряда.
При легировании 4-валентного полупроводника (например, кремния) 3-валентной примесью (например, бором) получим полупроводник p-типа. В этом случае примесь называется акцепторной. Поскольку 3-валентная примесь, для обеспечения нормальной ковалентной связи в кристаллической решетке, забирает один недостающий электрон кремния, в валентной зоне возникает дырка. Вследствие чего перенос заряда в полупроводнике p-типа имеет дырочную природу.
Для полупроводника p-типа дырки будут являться основными носителями заряда. Электроны — неосновные носители заряда.
Контакт полупроводников n-типа и p-типа, из-за разности концентраций основных носителей заряда, приводит к образованию неподвижного объемного заряда и, как следствие, к нелинейной зависимости тока от подаваемого на p-n-переход напряжения. Данное свойство легло в основу работы полупроводникового диода.
Поскольку простым соединением полупроводников разного типа невозможно добиться образования p-n-перехода, из-за высокой дефектности границы, контакта  p- и n-областей добиваются путем легирования ограниченной области полупроводника одного типа примесью другого типа.
Рис. 1. Легирование полупроводника n-типа примесью p-типа для образования p-n-перехода.

Равновесное состояние p-n-перехода
Пусть внутренняя граница раздела двух областей полупроводника с различным типом проводимости является плоскость ММ (см. рис. 2). Слева находится полупроводник p-типа, справа — n-типа.
Т.к. в полупроводнике n-типа концентрация свободных электронов значительно превышает их концентрацию в соседнем полупроводнике p-типа, возникает градиент концентрации, заставляющий основные носители заряда (в данном случае электроны) диффундировать в соседнюю область.
Таким образом, из полупроводника n-типа основные носители заряда (электроны) диффундируют в p-область. Им на встречу, увлекаемые все тем же градиентом концентрации, из p-области в n-область движутся дырки. Мы имеем диффузионные потоки основных носителей заряда через p-n-переход.
При этом электроны, перешедшие из n-области в p-область, рекомбинируют вблизи границы раздела этих областей с дырками p-области; точно также дырки, перешедшие из p-области в n-область, рекомбинируют здесь с электронами этой области. В результате этого в приконтактном слое n-области практически не остается свободных электронов и в нем формируется неподвижный объемный положительный заряд ионизированных доноров.
В приконтактном слое p-области практически не остается дырок и в нем формируется неподвижный объемный отрицательный заряд ионизированных акцепторов.
Неподвижный объемный заряд создает в p-n-переходе контактное электрическое поле с определенной разностью потенциалов, локализованное в области перехода и практически не выходящее за его приделы. Поэтому вне слоя, где поля нет, свободные носители заряда движутся по-прежнему хаотично и число носителей, ежесекундно наталкивающихся на слой объемного заряда, зависит только от их концентрации и скорости теплового движения.
Если в слой объемного заряда влетает неосновной носитель (электрон для p-области или дырка для n-области), то контактное поле подхватывает его и перебрасывает через этот слой. Получается, что каждый неосновной носитель заряда, налетающий на p-n-переход, проходит через него.
Наоборот, основные носители заряда (электроны для n-области и дырки для p-области) могут перелетать через слой объемных зарядов лишь в том случае, если кинетическая энергия их движения вдоль оси x достаточна для преодоления контактной разности потенциалов. Поэтому, как только образуются объемные заряды у границы раздела ММ, потоки основных носителей, пересекающих эту границу, уменьшаются. Если, однако, эти потоки все еще превышают встречные потоки неосновных носителей, остающиеся неизменными, объемный заряд будет увеличиваться. Это увеличение продолжается до тех пор, пока потоки основных носителей, уменьшаясь, не сравняются с потоками неосновных носителей. Таким образом, устанавливается динамическое равновесное состояние перехода.
Рис. 2. P-n-переход и объемный заряд.

Прямое и обратное смещение p-n-перехода
Рассмотрим явления, происходящие в диоде, к которому приложена разность потенциалов от внешнего источника напряжения.
Смещение, при котором плюс источника подсоединен к n-области, а минус — к p-области называется обратным (см. рис. 3).
Рис. 3. Обратное смещение на p-n-переходе.

Внешнее поле Е_вн вызывает дрейф основных носителей заряда в направлениях, указанных стрелками на рис. 3. Таким образом, вся масса электронов n-области и дырок p-области отходит от p-n-перехода, обнажая при этом новые слои ионизированных доноров и акцепторов, т. е.  расширяя область объемного заряда до размера d₀ + Δd.
Принято считать приложенное напряжение V при обратном смещении отрицательным, а вольт-амперную характеристику p-n-перехода называют обратной ветвью ВАХ.
При прямом смещении (плюс источника напряжение подсоединяется к p-области, а минус — к n-области) возникающее в объеме n- и p-областей электрическое поле вызывает приток основных носителей к области объемного заряда p-n-перехода. Контактная разность потенциалов при этом уменьшается до значения V_k – V. При этом заряды, созданные внешним источником напряжения на омических контактах, оказываются перенесенными на границы области объемного заряда и она сужается до размеров d₀ – Δd (см. рис. 4).
 Рис. 4. Прямое смещение на p-n-переходе

Прямой и обратный токи p-n-перехода
При обратном смещении на p-n-переходе ток основных носителей заряда, сдерживаемый возросшим потенциальным барьером, уменьшается. Увеличение обратного смещения приведет к дальнейшему росту потенциального барьера и, в конце концов, ток основных носителей заряда через p-n-переход станет равным нулю.
В этом случае на вольт-амперной характеристике будет наблюдаться лишь обратный ток неосновных носителей, попавших в область объемного заряда за счет дрейфа.
Прямое смещение понижает потенциальный барьер для основных носителей заряда, что приводит к росту прямого диффузионного тока. Основные носители заряда, гонимые градиентом концентрации, устремляются через понизившийся потенциальный барьер и прямой диффузионный ток через p-n-переход, в этом случае, значительно превысит обратный ток дрейфа неосновных носителей заряда.
Таким образом, подача внешнего смещения на p-n-переход выводит его из состояния динамического равновесия.
Простроим вольт-амперную характеристику p-n-перехода (см. рис. 5).
Рис. 5. Вольт-амперная характеристика p-n-перехода.

Как видно из рис. 5., при достаточно больших обратных смещениях возникает резкое увеличение обратного тока. Это связано с явлением пробоя p-n-перехода.

Пробой p-n-перехода
В зависимости от характеристик физических процессов, обуславливающих резкое возрастание обратного тока, различают четыре основных типа пробоя: туннельный, лавинный, тепловой и поверхностный.
Тепловой пробой.
При протекании обратного тока в p-n-переходе выделяется теплота и его температура повышается. Увеличение температуры определяется качеством теплоотвода. Увеличение температуры вызывает увеличение обратного тока, что, в свою очередь, приводит к новому росту температуры и обратного тока и т. д. Ток начинает нарастать лавинообразно и наступает тепловой пробой p-n-перехода.
Лавинный пробой.
В достаточно широких p-n-переходах при высоких обратных смещениях неосновные носители могут приобретать в поле перехода настолько большую кинетическую энергию, что оказываются способными вызвать ударную ионизацию полупроводника. В результате ударной ионизации могут образовываться дополнительные носители заряда (электрон-дырочные пары), растаскиваемые полем объемного заряда в направлении тока дрейфа (обратного тока). Дополнительные носители также могут вызвать ударную ионизацию, что приведет к образованию лавинного пробоя и резкому увеличению обратного тока.
Диоды, предназначенные для работы в таком режиме, называют стабилитронами. Их изготавливают из кремния, так как кремниевые диоды имеют весьма крутую ветвь ВАХ в области пробоя и в широком диапазоне рабочих токов у них не возникает теплового пробоя.
Туннельный пробой.
При приложении к p-n-переходу достаточно высокого обратного смещения возможен прямой туннельный переход электронов из валентной зоны p-области в зону проводимости n-области. С увеличением обратного смещения толщина барьера уменьшается (речь идет именно о потенциальном барьере на пути электронов из валентной зоны p-области в зону проводимости n-области, а не о ширине области объемного заряда). Если p-n-переход достаточно тонок, то при невысоких значениях обратного смещения можно наблюдать туннелирование электронов через p-n-переход и его пробой.
Поверхностный пробой.
Заряд, локализующийся на поверхности полупроводника в месте выхода p-n-перехода, может вызвать сильное изменение напряженности поля в переходе и его ширины. В этом случае более вероятным может отказаться пробой поверхностной области p-n-перехода.

Выполнение работы
В работе курсанту предлагается самостоятельно убедится в нелинейной зависимости вольт-амперной характеристики диода при прямом и обратном смещении, а также пронаблюдать лавинный пробой и сделать выводы о способностях диода к стабилизации напряжения.
Для этого предлагается два диода (стабилитрона), источник напряжения (позволяющий задавать напряжение в пределах 0 — 30 В с шагом 0.1 В), измерительные приборы (мультиметры).
Собрав схему, представленную на рис. 6 курсант должен снять зависимость прямого и обратного тока от прямого и обратного смещения на p-n-переходе соответственно.
Рис. 6. Схема изучения ВАХ диода.

Ход работы:

1. Изменяя напряжение U_вх необходимо снять зависимость обратного тока (амперметр А) от обратного смещения на p-n-переходе (вольтметр V). Количество точек и шаг изменения U_вх выбрать таким, чтобы на итоговой ВАХ диода было видно увеличение обратного тока вблизи нулевого смещения, дальнейший выход на плато и пробой. Запрещается выходить в режим глубокого пробоя, чтобы не допустить перегрева диода и выхода из строя прибора.
2. Переключить напряжение на прямое смещение и снять зависимость тока (амперметр А) от напряжения на p-n-переходе (вольтметр V) в прямом смещении.
3. В процессе получения точек для построения ВАХ записывать напряжение, подаваемые на вход схемы (U_вх).
4. Данные эксперимента занести в таблицу 1.
5. Из таблицы 1, учитывая пределы измерения и показания измерительных приборов, преобразовать экспериментальные данные и занести их в таблицу 2.
6. На основе таблицы 2 построить вольт-амперную характеристику диода (аналогично рис. 5).
7. Повторить инструкции пунктов 1 — 7 для второго стабилитрона лабораторного стенда.

Для заполнения данными таблиц 1 и 2, а также для построения вольт-амперной характеристики можно воспользоваться компьютерными программами (Excel, Open Office Calc, Google документы). Таблицы и графики должны быть распечатаны, вырезаны и вклеены в лабораторную тетрадь.
Примечание:
Максимально допустимый ток стабилизации I_{ст.макс.} — это наибольший ток через стабилитрон, при котором температура его р-n-перехода не превышает допустимой. Превышение тока I_{ст.макс.} ведет к тепловому пробою р-n-перехода и, естественно, к выходу прибора из строя.
Для стабилитронов лабораторного стенда I_{ст.макс.}= 29 мА (данные взяты из таблицы характеристик данной марки стабилитрона).
Основываясь на максимальном значении тока стабилизации и максимально возможном напряжении лабораторного источника (30 В) необходимо рассчитать номинал сопротивления R исходя из следующих соображений: при максимальном напряжении U_вх ток через стабилитрон не должен превысить I_{стаб.макс.}
Полученный номинал сопротивления указать в отчете.
Таблица 1. Экспериментальные данные.

Таблица 2. Данные для построение ВАХ.

Контрольные вопросы:

1. Поясните принцип образования объемного неподвижного заряда на границе p-n-перехода.
2. Почему обратный ток p-n-перехода не меняется при увеличении обратного смещения до наступления пробоя?
3. Чем обусловлено увеличение тока при подаче прямого напряжения на p-n-переход?
4. Какой пробой наблюдается в стабилитроне? Какова его физическая природа?
5. Что показывает амперметр А в схеме на рис. 6?
6. Зачем в экспериментальной схеме, изображенной на рис. 6, применяется сопротивление R?
7. Что показывает вольтметр V в схеме на рис. 6?
8. На диод подается смещение U_вх, при появлении тока в схеме напряжение V, падающее на диоде, уменьшается. Где падает разность напряжений U_вх – V? Почему при отсутствии тока в схеме U_вх = V?
9. Меняется ли напряжение на диоде в режиме пробоя c увеличением обратного смещения U_вх? Какие выводы из этого следуют?, 2012 г.