Лабораторная работа 5 исследование выпрямляющих свойств p-n-перехода

Цель И Содержание: определение коэффициентов выпрямления полупроводниковых диодов.

ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ

Переходный слой между двумя областями полупроводника, одна из которых имеет электропроводность n-типа, а другая ‑ p-типа, называют электронно-дырочным переходом или p-n-переходом.

Рассмотрим физические процессы, протекающие на контакте двух полупроводниковых материалов, обладающих разным типом электропроводимости. До вхождения в контакт оба полупроводниковых материала электрически нейтральны: в полупроводнике n-типа заряд основных носителей ‑ электронов ‑ компенсируется зарядом ионизированных доноров, а в полупроводнике p-типа заряд дырок ‑ зарядом ионизированных акцепторов. В случае контакта полупроводников, на границе оказывается большой перепад концентраций электронов и дырок, что вызывает возникновение диффузионных потоков основных носителей заряда: электронов из полупроводника n-типа в полупроводник p-типа и дырок во встречном направлении. Диффундирующие носители заряда создают диффузионные токи. Диффузия носителей заряда приводит к нарушению электрической нейтральности полупроводников. В приконтактной области электронного полупроводника остается нескомпенсированный положительный заряд доноров, а в дырочном полупроводнике ‑ нескомпенсированный отрицательный заряд акцепторов. Между этими объемными зарядами возникает электрическое поле, которое препятствует диффузии основных носителей заряда, образуется потенциальный барьер. Для перехода границы полупроводников основные носители заряда должны обладать энергией, достаточной для преодоления электрического поля. По мере роста нескомпенсированных зарядов доноров и акцепторов потенциальный барьер увеличивается и диффузионные потоки электронов и дырок уменьшаются.

Н еосновные носители заряда, совершая тепловое движение, могут попасть в область действия образовавшегося электрического поля, которая переносит их через границу в соседний полупроводник. Неосновные носители заряда создают потоки носителей, направленные навстречу диффузионным. Токи неосновных носителей называют дрейфовыми, т. к. они обусловлены действием электрического поля. По мере нарастания напряженностей электрического поля, потоки неосновных носителей растут. Состояние термодинамического равновесия в переходной области наступит тогда, когда потоки неосновных носителей уравновесят потоки основных. Через границу полупроводников проходят четыре тока: два диффузионных тока I_nn и I_pp основных носителей и два дрейфовых тока I_np и I_pn неосновных носителей заряда. В состоянии равновесия сумма токов, проходящих через переход, равна нулю, т. е. I_nn + I_pp + I_np + I_pn = 0.

В состоянии термо- динамического равновесия уровень Ферми в обоих полупроводниках проходит на одной высоте (рис. 5.1), что ведет к искривлению энергетических зон и образованию потенциального барьера. Электрону, находящемуся на дне зоны проводимости полупроводника n-типа, для перехода в полупроводник p-типа нужно преодолеть потенциальный барьер df , в то время как электроны, находящиеся в зоне проводимости полупроводника p-типа, свободно «скатываются» в полупроводник n-типа.

Концентрация подвижных электронов и дырок, способных преодолеть потенциальный барьер:

n = n_о exp [ -eφ _КРП / (kT)] ,

р = р_о exp [ -eφ _КРП / (kT)] ,

г де n_о и p_о ‑ равновесные концентрации электронов и дырок в кристалле соответственно; φ_КРП ‑ контактная разность потенциалов.

Приложим к р-n-переходу внешнее напряжение: плюс ‑ к n- и минус ‑ к p-области (такое включение p-n-перехода называют обратным). Такая полярность внешнего напря- жения соответствует полярности контактной разности потенциалов и приводит к увеличению высоты потенциального барьера на величину eU_ВН, где U_ВН ‑ приложенное напряжение (рис. 5.2б).

Из-за увеличения высоты потенциального барьера в n-области уменьшается количество электронов, а в p-области ‑ количество дырок, имеющих энергию, достаточную для его преодоления:

n = n_о exp[ - (eφ _КРП + eU_ВН ) / kT ],

p = p_о exp[ - (eφ _КРП + eU_ВН ) / kT ].

При определенной высоте потенциального барьера потоки основных носителей заряда через p-n-переход практически прекращаются, и ток через переход будет обусловлен только потоками неосновных носителей, скатывающихся с потенциального барьера.

Таким образом, при данной полярности внешнего напряжения через p-n-переход проходит только ток генерации неосновных носителей заряда, величина которого определяется их концентрацией. Концентрация неосновных носителей заряда зависит от температуры и не зависит от напряжения в сравнительно широких пределах. Ток, обусловленный генерацией неосновных носителей заряда, называют током насыщения I_s.

При изменении полярности приложенного внешнего напряжения (такое включение называется прямым): плюс ‑ к p-области, минус ‑ к n-области, высота потенциального барьера уменьшается (рис. 5.2в). Количество основных носителей заряда, имеющих энергию, необходимую для преодоления потенциального барьера, увеличится:

n = n_о exp[ - ( eφ _КРП - eU_ВН ) / kT ],

p = p_о exp[ - ( eφ _КРП - eU_ВН ) / kT ].

Это приводит к возрастанию диффузионного тока через переход; дрейфовый ток не изменяется.

Изменение высоты потенциального барьера с помощью внешнего напряжения приводит к изменению ширины p-n-перехода. При увеличении внешнего напряжения в прямом направлении ширина перехода уменьшается, а концентрация носителей заряда увеличивается; при возрастании напряжения в обратном направлении ширина перехода увеличивается, а концентрация носителей уменьшается.

При включении перехода в любом направлении дрейфовые токи остаются постоянными, а изменяются диффузионные токи. Концентрация носителей заряда, способных преодолеть потенциальный барьер, изменяется по экспоненциальному закону, поэтому изменение диффузионного тока :

I_ДИФ = I_s exp [ eU _ВН / ( kT )].

Полный ток через переход при прямом направлении (U_ВН > 0):

I_ПР = I_ДИФ - I_ДР = I_s exp {[ eU _ВН / ( kT )] - 1},

при обратном направлении (U_ВН < 0):

I_ОБР = I_ДР - I_ДИФ = I_S {1- exp [ eU _ВН / (kT) ].

П ри прямом направлении перехода можно пренебречь дрейфовой составляющей:

I_ПР = I_s exp [ eU_ВН / (kT) ],

а при обратном ‑ диффузионной:

I_ОБР = I_s.

Графически зависимость тока I от величины напряжения U, прило- женного к p-n-переходу представлена на рис. 5.3.

АППАРАТУРА И МАТЕРИАЛЫ

Для определения коэффициентов выпрямления полупроводниковых диодов используется установка, принципиальная схема и передняя панель которой приведены на рис. 5.4.1 и рис. 5.4.2.

Исследуемые диоды 6 попеременно включаются в измерительную цепь переключателем 4. Изменяя напряжение в цепи потенциометром 1, по вольтметру 2 и миллиамперметру 5 снимают вольтамперную характеристику исследуемого диода (миллиамперметр 5 имеет два предела измерения: при прямом смещении ‑ mA, при обратном ‑ μA). Изменение полярности подаваемого на диоды напряжения осуществляется переключателем 3.

УКАЗАНИЯ ПО ТЕХНИКЕ БЕЗОПАСНОСТИ

При выполнении лабораторных работ необходимо выполнять основные правила внутреннего распорядка и техники безопасности при работе в лабораториях.

К работе на приборах допускаются студенты только после изучения настоящих методических указаний и получения допуска у преподавателя.

МЕТОДИКА И ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

Построив по полученным экспериментальным данным вольтамперные характеристики исследуемых диодов, можно определить их коэффициент выпрямления k. Коэффициентом выпрямления называется отношение прямого I_nр и обратного I_обр токов при одинаковых напряжениях U_nр = U_обр.

Содержание отчета и его форма

Отчет по лабораторной работе оформляется в соответствии c формой, приведенной в приложении А.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

В чем различие энергетического спектра состояний электронов в полупроводниках и диэлектриках?

Почему при контакте полупроводников разного типа электропроводности начинается процесс диффузии основных носителей заряда?

Чем определяется высота потенциального барьера, возникающего на границе контакта двух полупроводников?

Что является причиной возникновения дрейфового тока при контакте двух полупроводников?

СПИСОК РЕКОМЕНДУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

Список основной литературы

1. Гуревич А. Г. Физика твердого тела. СПб. : БХВ-Петербург, 2004.

2. Павлов П. В., Хохлов А. Ф. Физика твердого тела. М.: Высшая школа, 2000.

Список дополнительной литературы

1. Гаркуша Ж. М. Основы физики полупроводников. М.: Высшая школа, 1982.

2. Голубин М. А., Хабибулин И. М., Шестопалова В. И. Введение в лабораторный практикум. Элиста: Джангар, 1997.

3. Епифанов Г. И. Физика твердого тела. М.: Высшая школа, 1977.

4. Шалимова К. В. Введение в физику полупроводников. М.: Высшая школа, 1986.

5. Бонч-Бруевич В. Л., Калашников С. Г. Физика полупроводников. М.: Наука, 1977.

6. Киселев В. Ф., Козлов С. Н., Зотеев А. В. Основы физики поверхности твердого тела. М.: МГУ, 1999.

7. Робертсон Б. Современная физика в прикладных науках. М.: Мир, 1985.

Приложение А

Отчет о лабораторной работе ____

_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _

(название работы)

по дисциплине _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _

студента группы _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _

_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ __ _ _ _ _ _ _

(ФИО)

Цель работы: _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _

Приборы и их характеристики

№	Наименование прибора	Пределы измерений	Погрешность

Принадлежности и материалы: _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _

– (Краткое теоретическое описание метода измерения)

– (Таблицы измерений)

– (Оценка погрешностей измерений)

– (Результаты измерений)

– (Выводы)

ОГЛАВЛЕНИЕ

Лабораторная работа 1 Изучение эффекта Холла в полупроводниках	3
Лабораторная работа 2 Исследование температурной зависимости электропроводности металлов и проводников	9
Лабораторная работа 3 Исследование фотопроводимости полупроводников	24
Лабораторная работа 4 Изучение зависимости контактной разности потенциалов от температуры	30
Лабораторная работа 5 Исследование выпрямляющих свойств p-n-перехода	41
Приложение А	49

Методические указания

к выполнению лабораторных работ

по дисциплине «Физика твердого тела»

для студентов специальности 210104 «Материалы электронной техники»