Вимірювання ширини забороненої зони напівпровідника
Мета роботи: дослідження температурної залежності зворотнього струму діода, визначення ширини забороненої зони напівпровідника.
Прилади: досліджуваний діод, термостат, блок живлення, цифровий вольтметр, електроплитка.
Теоретична частина
Формування p-n- переходу
Межа дотику двох напівпровідників, один з яких має електрону а інший діркову провідність, називається електронно-дірковим переходом (p-n- переходом). Маючи односторонню провідність, ці переходи мають більш практичне значення, є основою роботи багатьох напівпровідникових приладів, які використовують для випрямлення змінних струмів.
Р-n-перехід не можна зробити механічним з’єднанням двох напівпровідників. Звичайно області різної провідності створюють при вирощуванні кристалів, або при відповідні обробці кристалів. Наприклад, на кристал германію n-типу накладається індієва «таблетка» (рис. 1 а). ця система нагрівається приблизно до 500 ºС в вакуумі або атмосфері інертного газу, атоми індію дифундують на деяку глибину в германій. Потім розплав поступово охолоджують. Так як германій, що має індій, має діркову провідність, то на границі закристалізованого розплаву і германія n-типу утворює p-n- перехід (рис. 1 б).
a б
Рис. 1
Розглянемо
фізичні процеси, що проходять в p-n-
переході. Нехай донорний напівпровідник
приводиться в контакт (рис.2) з акцепторним
напівпровідником. Електрони із n-
напівпровідника, де їх концентрація
вища, будуть дифундувати в p-
напівпровідник, де їх концентрація
нижча. Дифузія дірок відбувається в
оберненому напрямку – в напрямку p→
n.
Рис. 2
Дифундуючи в зустрічному напрямку через граничний шар, дірки і електрони рекомбінують одне з одним . тому p-n- перехід стає сильно збідненим носіями струму і отримує великий опір. В n- напівпровіднику, із-за виходу електронів, поблизу границі залишається нескомпенсований позитивний об’ємний заряд нерухомих іонізованих атомів. В p- напівпровіднику, через вихід дірок, поблизу границі утворюється позитивний об’ємний заряд нерухомих іонізованих акцепторів.
Таким чином, p-n- перехід – це область, збіднена носіями струму (дірками і електронами), в якій при контакті напівпровідників виникає об’ємний заряд (негативні іони акцепторів, позитивні іони донорів, - і ті і інші іони чітко закріплені в вузлах кристалічної гратки і тому не є носіями струму). Виниклий в місці контакту об’ємний заряд формує потенціальні бар’єри, що заважають проникненню в цю область основних носіїв струму – дірок із p- і електронів із n- напівпровідника. Потенційні бар’єри допомагають переходу неосновних носіїв струму через p-n- перехід. Для p- напівпровідника неосновними носіями струму являються електрони, для n- напівпровідника – дірки, і потенційні бар’єри сприяють притоку неосновних носіїв в області p-n- переходу: через p-n- перехід протікають струми дірок із n- в р- область і електронів із p- в n-область. Ці струми малі, тому що концентрація неосновних носіїв мала. В рівноважному стані струми неосновних носіїв компенсуються дифузійними струмами основних носіїв, так що сумарний струм через p-n- перехід рівний нулю.
Товщина d шару p-n- переходу в напівпровіднику складає приблизно 10-6÷10-7м, а контактна різниця потенціалів – десяті соті вольт. Основні носії струму можуть подолати таку різницю потенціалів лише при температурі в декілька тисяч градусів, при звичайних температурах рівноважний контактний шар є запірним (характеризується підвищеним опором).