Лабораторная работа №6 Исследование свойств р – п перехода

Цель работы: изучение проводимости р – п перехода, исследование вольтамперной характеристики полупроводникового диода.

Используемые приборы: модульный учебный комплекс серии МУК-ЭТ.

Теоретические положения.

К полупроводникам относят вещества, обладающие следующими свойствами:

1. Значение удельного электрического сопротивления может изменяться в широком интервале от 10^-5 до 10⁸ Ом·м.

2. С повышением температуры электрическое сопротивление таких веществ уменьшается.

3 . При контакте с металлом или другим полупроводником наблюдается выпрямляющий эффект (неомическое поведение контакта).

Типичными представителями полупроводников являются кремний, германий, теллур.

Н

Рис.1. Кристаллическая решетка Si при Т = 0 К.

а внешней оболочке атомов кремния и германия находятся четыре валентных электрона, которые ковалентными связями связаны с валентными электронами соседних атомов кристалла.

При абсолютном нуле температуры все электроны связаны со своими атомами, и проводимость отсутствует, т.к. отсутствуют свободные носители заряда.

П

Рис.2. Кристаллическая решетка

Si при Т > 0 К.

ри Т > 0 К за счет хаотического теплового движения некоторые электроны могут приобрести энергию, достаточную для разрыва связи со своим атомом. Такие электроны могут перемещаться по всему объему кристалла и становятся электронами проводимости. В оставленных ими местах – вакансиях – образуется избыток положительного заряда. Во внешнем электрическом поле такая вакансия перемещается подобно положительному электрическому заряду – дырке (hole). Электропроводность собственных полупроводников обусловлена двумя типами носителей заряда: отрицательно заряженными электронами и положительными дырками.

Практическое применение чаще имеют не собственные полупроводники, а полупроводники, в которых контролируемо созданы дефекты кристаллической структуры за счет введения малых количеств примесей (один атом примеси на миллион – миллиард атомов кремния).

Если в собственный полупроводник внедрены атомы пятивалентной примеси (фосфор), то атомы примеси, заместив атомы кремния в кристаллической решетке, также образуют связи с соседними четырьмя атомами кремния, но, при этом, один валентный электрон атома примеси оказывается свободным. Электроны в таком примесном полупроводнике становятся основными носителями заряда. Дырки также участвуют в процессе проводимости, но в гораздо меньшей степени, и являются неосновными носителями. Полупроводник, в который введена пятивалентная или донорная примесь, называется полупроводником n–типа (negative).

Если в собственный полупроводник внедрены атомы трехвалентной примеси (индий), то атомы примеси, заместив атомы кремния в кристаллической решетке, также образуют связи с соседними четырьмя атомами кремния, но, при этом, одна связь атома примеси оказывается свободной. Появление дополнительной связи эквивалентно появлению вакансии для электрона, т.е. возникновению положительно заряженной дырки. Дырки в таком примесном полупроводнике становятся основными носителями заряда. Электроны также участвуют в процессе проводимости, но в гораздо меньшей степени, и являются неосновными носителями. Полупроводник, в который введена трехвалентная или акцепторная примесь, называется полупроводником р–типа (positive).

Рассмотрим кристалл полупроводника, в некотором месте которого проводимость практически мгновенно изменяется с электронной на дырочную. Такой контакт называется р – п переходом. В момент образования контакта начинается процесс, похожий на диффузию:

1. э лектроны из п – области (основные носители), где концентрация их выше, чем в р – области, диффундируют в р – область;

2. дырки из р – области (основные носители), где концентрация их выше, чем в п – области, диффундируют в п – область.

Процесс продолжается до тех пор, пока за счет перемещения основных носителей из области в область не возникнет запирающее электрическое поле с напряженностью , препятствующее дальнейшему переходу о сновных носителей (рис.3). Поле существует только в очень тонком слое вблизи контакта.

Е сли к кристаллу приложить внешнее прямое напряжение ((-) к п - области, (+) к р – области), то за счет внешнего напряжения возникнет внешнее электрическое поле, направленное навстречу запирающему полю (рис.4). Напряженность суммарного поля при прямом включении в соответствии с принципом суперпозиции:

Уменьшение запирающего поля приводит к увеличению количества основных носителей заряда, способных к переходу из области в область, тогда как количество переносимых неосновных носителей (дырки в п – области и электроны в р – области) остается практически неизменным.

Если к кристаллу приложить внешнее обратное напряжение ((+) к п - области, (-) к р – области), то за счет внешнего напряжения возникнет внешнее электрическое поле, направленное параллельно запирающему полю (рис.5). Напряженность суммарного поля при прямом включении в соответствии с принципом суперпозиции:

Усиление запирающего поля приводит к уменьшению количества основных носителей заряда, способных пересечь область контакта. Поэтому ток через переход при обратном включении определяется перемещением через контакт только неосновных носителей, концентрация которых очень мала.

Свойство односторонней проводимости р – п перехода используется при создании полупроводниковых диодов, используемых чаще всего в качестве выпрямительных (детекторных) устройств.

Вольтамперная характеристика р – п перехода и полупроводникового диода описывается уравнением Шокли:

q = 1,6·10^-19 Кл – заряд электрона;

U – напряжение на переходе (положительное при прямом включении и отрицательное при обратном);

k = 1,38·10^-34 Дж/К – постоянная Больцмана;

Т – абсолютная температура;

I₀ – постоянная, имеющая размерность силы тока (А).

Т ипичная вольтамперная характеристика (ВАХ) кремниевого р – п перехода приведена на рис.6.

Поскольку ВАХ р – п перехода нелинейна, постольку электрическое сопротивление диода не является постоянным и имеет дифференциальный характер:

Дифференциальное сопротивление равно отношению приращения напряжения на диоде к приращению силы тока вблизи данного значения напряжения.

На электрических схемах полупроводниковые диоды обозначаются стрелкой, которая указывает направление прямого тока через диод.