ИЗУЧЕНИЕ ФИЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВ р—n - ПЕРЕХОДА
Цель работы. Изучение свойств р—n-перехода на примере полупроводникового диода.
Рисунки к работе №490
n p
p-n – переход Рис. 1 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
испытуемый диод Vобр Vср Vобр 1 2 3 1 2 3
+ - - + - + Б Б Источник высокого напряжения
Схема лабораторной установки.
Рис.2 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Рис.3 |
Работа большого числа полупроводниковых приборов основана на .использовании свойств р—n-перехода (или электронно-дырочного перехода в полупроводниках).
Для описания некоторых физических свойств р—n-перехода введем основные понятия зонной теории твердых тел.
Полупроводники — кристаллические вещества, у которых при Т=0 К валентная зона полностью заполнена электронами, a зона проводимости свободна. Например, у широко используемого в технике такого полупроводникового материала как кремний Si, ширина запрещенной зоны при температуре 200 С равна E0=1,08 эВ (1 эВ=1,6.10-19 Дж)
Полупроводник, в котором отсутствуют какие-либо примеси, называется полупроводником с собственной проводимостью, поскольку его электрические свойства определяются природой самих элементов; полупроводник с несобственной или примесной проводимостью — такой полупроводник, для которого проводимость определяется природой и количеством примесей.
В полупроводниках существуют два механизма проводимости, обусловленные существованием двух видов носителей электрического заряда — свободных электронов и дырок.
Дырка — вакантное место в валентной зоне полупроводника, ей приписан положительный заряд, равный по величине заряду электрона.
Для полупроводника с собственной проводимостью с увеличением температуры концентрации дырок пр остается равной концентрации свободных электронов пе:
nр=nе; (1) полупроводник с донорной примесью (или полупроводник n-типа проводимости) — полупроводник, у которого при комнатной температуре концентрация свободных электронов пе много 6ольше концентрации дырок пр :
nenp; (2)
полупроводник с акцепторной примесью (или полупроводник р-типа проводимости) — полупроводник, у которого при комнатной температуре концентрация дырок -пр много больше концентрации свободных электронов пе:
npne; (3)
Основные носители заряда примесного полупроводника — электроны в полупроводнике n-типа проводимости и дырки в полупроводнике р-типа проводимости;
неосновные носители заряда примесного полупроводника — дырки в полупроводнике n-типа проводимости и электроны в полупроводнике р-типа проводимости.
При соприкосновении друг с другом двух ранее изолированных полупроводников n- и p-типа проводимости (рис.1), в месте их контакта будут иметь место следующие процессы: процесс диффузии основных носителей заряда, вызванный различием в концентрации свободных электронов и дырок в п- и р-полупроводниках соответственно. Этот процесс приводит: 1) к потоку основных носителей заряда через границу р- и n-полупроводников (диффузионный ток) ; 2) к нарушению электронейтральности вблизи границы и образованию внутреннего электрического поля, вектор напряженности которого Евнутр направлен от п- к р-полупроводнику. Это происходит потому, что вблизи границы контакта n-полупроводник заряжается положительно, a р-полупроводник — отрицательно из-за потери основных и прихода неосновных носителей заряда в процессе их диффузии через границу раздела (исходное состояние п- и р-полупроводников электронейтральное);
процесс вынужденного перемещения неосновных носителей заряда (дрейф неосновных носителей, дрейфовый ток) обусловлен действием на них внутреннего электрического поля (положительно заряженные носители перемещаются в направлении вектора напряженности, отрицательные в противоположном направлении). Этот процесс приводит к возникновению потока неосновных носителей заряда.
Диффузионный ток, нарушая электронейтральность полупроводников, приводит к значительному уменьшению концентрации основных носителей заряда в п- и p- полупроводниках вблизи границы контакта, a увеличение числа неосновных носителей за счет дрейфового тока не приводит к увеличению числа носителей заряда в граничной области, так как малая их концентрация способствует тому, что они распределяются по всему объему полупроводника.
В состоянии термодинамического равновесия возникающее в процессе диффузии основных носителей заряда внутреннее электрическое поле тормозит процесс диффузии основных носителей заряда через границу контакта, и когда энергия электрического поля увеличится настолько, это энергия носителей заряда станет недостаточной для его преодоления, процесс стабилизируется и дальнейшего увеличения Евнутр не происходит. При этом диффузионный и дрейфовый токи оказываются уравновешенными.
Таким образом, соприкосновение двух полупроводников п- и p-типа проводимости приводит к возникновению внутреннего электрического поля в приконтактном слое, т. е. к формированию р — n-перехода.
Рассмотрим влияние внешнего электрического поля Евнеш на установившееся
равновесие потоков основных и неосновных носителей заряда.
Если напряженность внешнего электрического поля Евнеш совпадает по направлению с напряженностью внутреннего электрического поля Eвнеш Евнутр, то возникнут условия увеличения потока неосновных носителей заряда через границу контакта. Ввиду их малой концентрации даже значительная по величине напряженность внешнего поля приводит к заметному возрастанию потока неосновных носителей заряда.
Ток, протекающий через р — n-переход, мал, и сопротивление р — n-перехода в этом случае велико. В области р — п-перехода устанавливается равновесие носителей заряда, соответствующее условию: Е = Евнеш+ Евнутр. Увеличение объемного заряда произойдет в результате нарушения электронейтральности за счет перемещения основных носителей заряда под действием внешнего поля от р —n-перехода.
Если напряженность внешнего электрического поля противоположна направлению напряженности внутреннего поля Евнеш Евнутр, то возрастет поток основных носителей заряда через границу. Напряженность электрического поля р — п-перехода будет равна: | Е |= | Евнутр | — | Еннеш |. Величина объемного заряда при этом уменьшится и даже незначительное увеличение напряженности Евнеш приведет к заметному возрастанию тока через р — n-переход.
Этот ток обусловлен движением основных носителей заряда в р- и n- области соответственно, сопротивление р — п-перехода мало.
Отношение сопротивлений Rобр/Rпрям для р — n-перехода составляет величину 103.
По сложившейся терминологии Eвнеш Евнутр называют «обратным смещением» (или обратным внешним напряжением), a Евнеш Eвнутр — «прямым смещением» (или прямым внешним напряжением), и ток через р — n-переход называется соответственно Iобр и Iпрям.
Зависимость силы тока, протекающего через р — n-переход, от величины приложенного напряжения к полупроводниковому диоду, называется вольтамперной характеристикой р — n-перехода или BAX (рис. 3). Ha рисунке даны прямая и обратная характеристики при t = 20°С в разных масштабах.
Теория дает следующее выражение для тока, протекающего через р—n-переход:
, (4)
где I0 — ток насыщения, обусловленный неосновными носителями
заряда;
e — заряд электрона;
k — постоянная Больцмана;
Uвн — величина приложенного к полупроводниковому
диоду напряжения смещения;
T — абсолютная температура.
При обратном смещении диффузионный ток электронов и дырок уменьшается в раз и поэтому:
Iобр=I0. (5)
При прямом смещении током неосновных носителей заряда можно пренебречь и поэтому
. (6)
Приборы и принадлежности: лабораторная установка ФПК-06 с панелью с 3-мя полупроводниковыми диодами.