1. Цель работы.

Принципы действия большинства полупроводниковых приборов – диодов, транзисторов, фото- и термоэлементов, фотодиодов, лазеров – основаны на использовании свойств p – n переходов. Изучить основные свойства p – n переходов.

2. Приборы

Р – n переход Л-226-Г, вольтметр М906, амперметр М906.

3. Теоретическая часть

3.1 Условия равновесия

Ряд физических процессов, определяющих электрические свойства, связан с со свойствами кристаллов, имеющих в своем объеме области разного типа проводимости. Если в одной части полупроводника имеется большое число доноров (например, атомов сурьмы или фосфора в германии или кремнии), а в другой – большое число акцепторов (например, атомов алюминия или индия), то в первой области проводимость имеет электронный (n), а во второй – дырочный (р) характер. Окрестность границы между p- и n-областями называется p-n переходом.

Принципы действия большинства полупроводниковых приборов – диодов, транзисторов, фото- и термоэлементов, светодиодов, лазеров основаны на использовании свойств p-n переходов.

Рис. 1

Рис. 1. В прямоугольном образце полупроводника слева от х = 0 концентрация акцепторов постоянна и равна N_a, справа концентрация доноров постоянна и равна N_d.

Предположим, что доноры и акцепторы полностью ионизированы, т. е. каждый атом донора отдал в зону проводимости один электрон, а каждый акцептор создал одну дырку в валентной зоне. Тогда в р-области концентрация дырок

а концентрация электронов в n – области

Если невырожденный полупроводник находится в термодинамическом равновесии, то

(1)

Произведение концентраций дырок и электронов в любой точке не зависит от содержания примесей и равно квадрату собственной концентрации электронов .

Величина n_i определяется плотностями состояний в зоне проводимости N_c и в валентной зоне N_v, а также шириной запрещенной зоны полупроводника

- эффективные массы носителей заряда в зонах.

Если N_a и N_d много больше n_i, концентрация дырок справа – (где они являются неосновными носителями) много меньше концентрации дырок слева – (где они являются основными носителями), т. е. _­>> .

Аналогично n_n>>n_p.

В области p-n перехода имеется сильный перепад концентраций электронов и дырок.

Часть дырок, вследствие градиента концентрации, будет диффундировать через p-n переход, n-область при этом будет заряжаться положительно относительно р-области. Часть электронов будет диффундировать в р-область, и она будет заряжаться отрицательно относительно области n. Создаются области пространственного заряда по обе стороны геометрической границы.

Рис. 2

Рис. 3

Распределение концентраций основных и неосновных носителей заряда в области p-n перехода на рис. 3.

0 – геометрическая граница резкого перехода;

-l_p, +l_n­ – границы области пространственного заряда. Внешние границы этих областей и считают границами p-n перехода.

Заряженные области приводят к созданию электрического поля и разности потенциалов в p-n переходе, которое тормозит диффузионное движение дырок направо, а электронов налево.

Рис. 4

p и n – основные носители тока.

p_s и n_s – неосновные носители тока.

В условиях равновесия установится такой потенциальный барьер, при котором число носителей заряда переходящих через p-n переход налево, равно числу переходящих направо.

Рис. 5

Рис. 5. В условиях равновесия положение уровня Ферми едино для всей системы.

Чем меньше концентрация примесей, тем толще слой пространственного заряда.

Толщина области p-n перехода может быть порядка 10^-6 – 10^-4 см.

Величина контактной разности потенциалов устанавливается таким образом, что концентрации электронов и дырок на границах слоя подчиняются соотношениям Больцмана:

Из этих равенств и формулы (1) следует, что в невырожденном случае величина контактной разности потенциалов:

Например.

Для германия при Т = 300 °К, ( ), если , то ; .

Концентрации носителей по обе стороны перехода в невырожденном полупроводники определяются расстояниями уровня Ферми от краев зон в n и р областях:

3.2 Р-n переход при наличии внешнего напряжения

В диодах, применяемых для выпрямления переменного тока, используется существенная зависимость проводимости электронно-дырочного перехода от полярности приложенного напряжения.

Область p-n перехода одновременно является областью наибольшего сопротивления. Внешнее напряжение падает на этой области, и именно это определяет условия протекания тока через кристалл: «+» на р-, «-» на n-область.

Рис. 6

Потенциальный барьер понижается, число электронов из n- в р-область увеличивается, из р-области в n-область не изменяется по сравнению с равновесным. Они являются неосновными носителями. Из «n» - основные носители. Если внешнее напряжение превышает , то их поток дает основной вклад в полный ток.