Файл: Электричество(методичка).pdf

21

примеси  искажают  поле  решетки  основного  вещества,  что  приводит  к 
образованию  в  запрещенной  зоне  примесного  энергетического  уровня, 
называемого  в  данном  случае 

акцепторным

  уровнем.  Этот  уровень  не 

занят  электронами  и  расположен  в  запрещенной  зоне  вблизи  потолка 
валентной  зоны  на  расстоянии    ∆Е

А

  =  0,08  эВ  (рис.  2б).  Электроны  из 

валентной  зоны,  даже  при  низких  температурах,  легко  переходят  на  эти 
уровни, генерируя дырки  в валентной зоне. Таким образом, проводимость  
будет  обусловлена  только  движением  дырок,  т.к.  электроны  акцепторных 
уровней  связаны  атомами  примеси  и  не  могут  участвовать  в  движении  по 
решетке  кремния.  Полупроводники  с  такой  проводимостью  называются 
дырочными или полупроводниками  

p

 - типа. 

Введение  в  кристаллическую  решетку  четырехвалентного  германия  

атомов  пятивалентного  мышьяка  приводит  к  образованию  в  запрещенной 
зоне  примесных  уровней,  лежащих  вблизи  дна  зоны  проводимости  на 
расстоянии  ∆Е

D

  =  0,013  эВ  (рис.  2а).  Электроны,  переходя  с  примесных 

уровней  в  зону  проводимости,  создают  электронную  проводимость,  т.к. 
образовавшиеся  дырки  связаны  с  примесными  атомами  и  в  процессе 
проводимости  участвовать  не  могут.  Полупроводники  с  электронной 
проводимостью  называются  полупроводниками 

n

  -  типа.  Примеси, 

являющиеся  источником  электронов  называются  донорами,  а  их 
энергетические  уровни  – 

донорными

.  Носители  заряда,  число  которых  в 

кристалле  преобладает,  называются  основными  носителями,  а  носители, 
содержащиеся  в  меньшем  количестве  не  основными.  В  полупроводниках 

n

-типа  основными  носителями  являются  электроны,  а  в  полупроводниках 

р

-типа - дырки. 

Зона  

проводимости 

Валентная  

зона 

D 

∆ E 

 
∆ E

D

Зона  

проводимости 

Валентная  

зона 

∆ E

A

A 

∆ E 

Рис. 2. Расположение энергетических зон для 
полупроводников n–типа (а) и p–типа (б) 

а 

б 

22

В  современной  электронике  важную  роль  играет  контакт  двух 

полупроводников  с  различными  типами  проводимости.  Такой  контакт 
называется  электронно-дырочным  переходом  или  n-p  переходом. 
Рассмотрим физические процессы, происходящие n-p переходе. 

В  момент  установления  контакта  полупроводников  n-  и  р-типа 

происходит  встречная  диффузия  основных  носителей  тока  через 
пограничный  слой;  при  этом  дырки  и  электроны  рекомбинируют  друг  с 
другом.  Вблизи  перехода  в  n-области  положительные  ионы  донорной 
примеси, заряд которых теперь не компенсируется электронами, образуют 
положительный  пространственный  заряд.  Соответственно  в  р-области 
отрицательные    ионы  акцепторной  примеси,  заряд  которых  теперь  не 
компенсируется дырками, образуют отрицательный заряд.  

Эти 

заряды 

создают 

контактную 

разность 

потенциалов 

- 

потенциальный барьер, препятствующий дальнейшей диффузии  основных 
носителей.  В  области  n-p  перехода  возникает  слой,  обедненный 
носителями  тока  и,  следовательно,  имеющий  высокое  сопротивление.  Он 
называется  запирающим  слоем.  Расчеты  показывают,  что  при  Т  =  300К 
величина  контактной  разности  потенциалов  может  составлять  0,35В  у 
германиевого  перехода  и  0,7  В  у  кремниевого.  Эта  разность  потенциалов 
приложена к тонкому переходному слою толщиной порядка 10

-7

м. 

Рис.3. Концентрация электронов и дырок в области n - p - перехода. 

23

Толщину  запирающего  слоя  и  его  сопротивление  можно  изменять  с 

помощью  внешнего  электрического 
поля.  Если  (+)  внешней  батареи 
подсоединить  к  полупроводнику  n-
типа,  а  (–)  к  полупроводнику  p-типа  
(рис.  4),  то  внешнее  поле  вызовет 
увеличение  запирающего  слоя  и  его 
сопротивления. 

Такое 

поле 

называется 

запирающим. 

Теоретически,  в  этой  ситуации  ток 
через  переход  идти  не  должен. 
Однако  на  практике  небольшой  ток 
все же фиксируется приборами. Этот 
ток 

обусловлен 

движением 

неосновных  носителей  тока – электронов в  полупроводниках  р-типа  и 
дырок  в  полупроводниках  n-типа  и  носит  название  обратного  тока.       
Изменение  полярности  батареи  приводит  к  уменьшению  толщины 
запирающего  слоя  и  его  сопротивления.  Этот  процесс  нелинейный;  он 
протекает  тем  сильнее,  чем  больше  приложенное  напряжение.  Сила  тока, 
соответственно,  тоже  возрастает  быстрее,  чем  следует  из  закона  Ома.  В 
этом случае говорят, что протекает прямой ток. Зависимость силы тока от 
напряжения  называется  вольтамперной  характеристикой  (ВАХ).  На  рис. 5 
показана  типичная  ВАХ  полупроводникового  диода.  Видно,  что  диод 
обладает  ярко выраженной односторонней проводимостью. Это позволяет 

Рис. 4. Схема р-n перехода для разных вариантов подключения 
источника ЭДС. 

Е

К

 – электрическое поле контакта. 

  Е

К

n -тип 

p-тип 

 Е

К

n -тип 

p-тип 

U 

I 

0 

        Рис. 5. ВАХ р-n перехода 

24

использовать  полупроводниковые  диоды  для  выпрямления  переменного 
тока. 

Диоды  выпускаются  на  токи  от  нескольких  миллиампер  до  сотен 

ампер.  Для  германиевых    p-n  переходов  предельная  рабочая  температура 
75

о

С, а для кремниевых  150

о

С. 

Структура  полупроводникового  диода  с  электронно-дырочным 

переходом и его условное графическое обозначение приведены на рис. 6. 

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ 

 
Принципиальная  электрическая  схема  учебной  установки  для 

получения ВАХ диода приведена на рис. 7. 

Порядок выполнения работы 

1. Включить учебный модуль в сеть ~220 В.

2.  Поставить  переключатель  «СЕТЬ»  на  передней  панели  установки  в 

положение «ВКЛ», при этом должен загореться сигнальный светодиод.

3. Дать устройству прогреться в течение 1-3 минут, после чего, для начала 
проведения  эксперимента  нажать  кнопку  «СТАРТ/УПРАВЛЕНИЕ» 
(кнопку необходимо удерживать в течение одной-двух секунд).

Рис. 7. Схема установки для получения ВАХ диода 

А 

К 

Рис. 6. Обозначение полупроводникового 
диода на схемах 

Анод 

А

Катод 

К

p 

n 

25

 
4.  Приступить  к  снятию  прямой  ветви  ВАХ  диода.  Для  этого  необходимо 
убедиться,  что  показания  ЖК  индикатора  соответствуют  режиму  прямого 
включения  диода:  на  индикаторе  высвечивается  надпись  «1-я  четверть 
ВАХ»,  свидетельствующая  о  том,  что  это  характеристика  прямой  ветви. 
Переключение 

режимов 

осуществляется 

кнопкой 

«СТАРТ/УПРАВЛЕНИЕ» (удерживать 1-2 секунды).

5.  Вращая  ручку  «УСТАНОВКА  U

ДИОДА

»  по  часовой  стрелке,  снять 

прямую  ветвь  вольтамперной  характеристики  диода,  контролируя 
значения  напряжения  на  диоде  и  тока  с  помощью  комбинированного 
«ИЗМЕРИТЕЛЬНОГО  ПРИБОРА».  Шаг  изменения  напряжения  по 
возможности  делать  как  можно  меньше.  Данные  занести  в  табл.1.  По 
окончании  измерения  прямой  ветви  вернуть  ручку  «УСТАНОВКА  U

диода

» 

в крайне левое положение.

6. Переключить установку в режим снятия обратной ветви ВАХ нажатием 
кнопки  «СТАРТ/УПРАВЛЕНИЕ».  При  этом  на  ЖК  индикаторе  должно 
высвечиваться  «3-я  четверть»,  информирующая  о  том,  что  данная  ветвь 
характеристики строится в третьей координатной четверти.

7. 

Вращая  ручку  «УСТАНОВКА  U

ДИОДА

»  по  часовой  стрелке  и 

контролируя  значения  напряжения  на  диоде  и  тока  с  помощью 
«ИЗМЕРИТЕЛЬНОГО  ПРИБОРА»,  снять  обратную  ветвь  ВАХ.  Шаг 
изменения  напряжения  на  участке  10-40  В  можно  сделать  2-4  В. 
Измеренные данные также занести в табл. 1.

8. Построить на миллиметровой бумаге графики зависимости I=I(U) диода 
для прямой и обратной ветви ВАХ.

Табл. 1.   Вольт-амперная характеристика диода 
 

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ 

 
1.

Каков механизм собственной проводимости полупроводников? 

2.

Каков механизм примесной проводимости? 

3.

Объяснить 

существование 

проводимости 

разных 

типов 

в 

полупроводниках. 

4.

Что такое p-n – переход? 

Прямое направление 

Обратное направление 

       U, В 
 

     I, мA 
 

      U, В 
 

   I, мкA