Лабораторная работа № 1

Исследование статических и динамических характеристик полупроводниковых диодов

и стабилитронов.

1. Цель работы

Изучение принципа действия полупроводниковых диодов, ознакомление с методами исследования их характеристик и экспериментальное определение характеристик и параметров некоторых типов диодов.

2.Теоретические сведения

2.1. Электропроводность полупроводников

Полупроводники по электропроводности занимают промежуточное положение между проводниками и диэлектриками. Электропроводность зависит от концентрации свободных носителей заряда. Концентрация носителей, в свою очередь, определяется энергией, необходимой для разрыва связи между атомом и его валентным электроном. Принадлежность материала к проводникам, полупроводникам или диэлектрикам может быть определена по его энергетической диаграмме. Энергетическая диаграмма отражает распределение по энергиям электронов атомов кристаллических тел. В изолированном атоме существует конечное число энергетических уровней, на каждом из которых могут одновременно находиться не более двух электронов, различающихся направлением спиновых моментов. Электроны низких уровней сильно связаны с атомом. По мере увеличения энергии уровня, занимаемого электроном, эта связь ослабевает. В отсутствие внешних воздействий, атом находится в исходном (не возбужденном) состоянии, при котором все низшие энергетические уровни заняты электронами, а верхние свободны.

При наличии внешних воздействий (тепловые кванты, кванты света, электрическое и магнитное поле и др.) электроны атома приобретают дополнительную энергию и переходят на более высокие энергетические уровни. При этом внешнему воздействию подвержены электроны более высоких энергетических уровней, слабее связанных с атомом. Вследствие взаимодействия атомов друг с другом разрешенные уровни энергий электронов соседних атомов смещаются, образуя близко расположенные смещенные уровни. В результате образуются так называемые зоны разрешенных уровней энергии, которые отделены друг от друга запрещенными зонами. Число подуровней в каждой из разрешенных зон равно количеству атомов в группе.

Электропроводность твердого тела определяется только двумя верхними зонами разрешенных уровней энергии. Верхнюю зону принято называть зоной проводимости, а нижнюю валентной зоной.

В зависимости от электронной структуры атома и строения кристаллической решетки между соседними зонами разрешенных уровней энергии либо может сохраниться запрещенная зона, либо ее может и не быть. Ширина запрещенной зоны также может быть различной. В зависимости от указанных факторов кристаллические тела могут быть либо проводниками, либо диэлектриками, либо полупроводниками (рис. 2.1).

При отсутствии внешних воздействий, а также при абсолютной нулевой температуре все уровни энергии нижней зоны заполнены электронами, а в верхней зоне электронов нет.

В металлах зона проводимости непосредственно примыкает к валентной зоне (рис. 2.1, а). Электронам валентной зоны достаточно сообщить весьма малую энергию, чтобы перевести их в зону свободных уровней. Этим и объясняется высокая электропроводимость металлов.

В полупроводниках (рис. 2.1, б) свободная зона отделена от валентной зоны запрещенной зоной энергии – . Величина определяет энергию, которую нужно сообщить электрону, расположенному на верхнем энергетическом уровне в валентной зоне, чтобы перевести его на нижний энергетический уровень в зоне свободных уровней. Наличие запрещенной зоны затрудняет переход электронов из валентной зоны в зону проводимости, что приводит к уменьшению числа свободных электронов в полупроводнике по сравнению с металлом, и как следствие – к уменьшению его электрической проводимости.

У диэлектриков (рис. 2.1,в) ширина запрещенной зоны еще больше ( = 6 – 10 эВ) и поэтому проводимость их очень мала. Проводимость диэлектриков становится заметной лишь при температурах не ниже 400 – 800 C или в сильных электрических полях.

Н аличие на энергетической диаграмме запрещенной зоны и определяет особенности образования носителей заряда в полупроводниках по сравнению с металлом.

а) б) в)

Рис. 2.1

а) б) в)

Рис. 2.2

При сообщении валентному электрону достаточной энергии он переходит в зону проводимости, и становится свободным носителем заряда. Одновременно в валентной зоне возникает валентный энергетический уровень, называемый "дыркой". Этот уровень может быть занят валентным электроном, ранее связанным с другим атомом.

Перемещение этого электрона под воздействием внешнего электрического поля равносильно перемещению "дырки" в противоположном направлении. Условно перемещение электронов валентной зоны по кристаллу рассматривается как движение дырок, которым приписывается положительный заряд.

Важность учета движения дырок как самостоятельных носителей заряда обусловливается различием в подвижности свободных электронов (т.е. в зоне проводимости) и валентных электронов, перемещающихся по вакантным уровням валентной зоны. Подвижность электронов в валентной зоне значительно ниже подвижности электронов в зоне проводимости, так как перемещение валентного электрона происходит последовательно от одного соседнего атома к другому. Поэтому подвижность дырок ниже подвижности электронов в зоне проводимости.

При температуре выше абсолютного нуля переход из валентной зоны в зону проводимости возможен у многих электронов. В результате этого процесса, получившего название термогенерации носителей заряда, в полупроводнике создается некоторая концентрация электронов – в свободной зоне и равная ей концентрация дырок – в валентной зоне. В чистом полупроводнике, т.е. не имеющем атомов примеси, количество дырок равно количеству свободных электронов. Проводимость такого полупроводника называют собственной (рис. 2.2,а).

Концентрация носителей заряда зависит от температуры кристалла ширины запрещенной зоны и определяется зависимостью:

, (2.1)

где А – коэффициент, числовое значение которого зависит от рода кристалла; k – постоянная Больцмана; Т – абсолютная температура.

Из выражения (2.1) следует, что концентрация носителей заряда в полупроводнике и его электрическая проводимость увеличивается с повышением температуры и уменьшается с ростом ширины запрещенной зоны.

Постоянство концентрации электронов и дырок при неизменной температуре связано с тем, что в любом элементе объема полупроводника одновременно действуют два процесса. Это процесс термогенерации носителей заряда, а также их рекомбинация, т.е. исчезновение электронов и дырок за счет возвращения электронов из зоны проводимости на вакантные уровни валентной зоны.

При производстве полупроводниковых приборов в чистый полупроводник добавляют примеси. Это необходимо для создания в полупроводнике преимущественно электронной либо дырочной проводимости и увеличения электрической проводимости. Соответственно различают электронные полупроводники (т.е. n-типа) и дырочные (т.е. р-типа).

Для получения полупроводника n-типа в чистый полупроводник вводят примесь, создающую в полупроводнике только свободные электроны. Вводимая примесь является поставщиком электронов и поэтому ее называют донорной. Для германия и кремния, относящихся к четвертой группе Периодической системы элементов, донорной примесью служат элементы пятой группы (сурьма, фосфор, мышьяк), атомы, которых имеют пять валентных электронов.

При внесении таких элементов атомы примеси замещают атомы исходного полупроводника в отдельных узлах кристаллической решетки (рис. 2.3, а). Четыре электрона каждого атома донорной примеси участвуют в валентной связи с соседними атомами исходного материала, а пятый электрон не участвует в ковалентной связи и поэтому оказывается значительно слабее связанным со своим атомом. Для того чтобы оторвать его от атома и превратить в свободный носитель заряда, требуется значительно меньшая энергия, чем для освобождения электрона от ковалентной связи. Поэтому при приобретении такой энергии этот пятый "избыточный" электрон покидает атом и становится свободным, а атом примеси превращается в положительный ион.

На энергетической диаграмме полупроводника n-типа (рис. 2.2,б) вводимая примесь приводит к появлению в запрещенной зоне вблизи дна зоны проводимости близко расположенных друг от друга локальных валентных уровней энергии, заполненных электронами при температуре абсолютного нуля. Число локальных уровней определяется количеством атомов примеси в кристалле. Так как ширина мала (рис. 2.2,6), при комнатной температуре практически все электроны донорных уровней перейдут в зону проводимости и смогут участвовать в создании тока.

Концентрация электронов в зоне проводимости при этом определяется преимущественно концентрацией введенной примеси ( ), а не собственными электронами валентной зоны, преодолевающими широкую запрещенную зону – . Поэтому концентрация электронов ( ) в полупроводнике n-типа существенно выше концентрации дырок ( ), образующейся в результате перехода электронов из валентной зоны в зону проводимости. Электроны в этом случае являются основными носителями заряда, а дырки неосновными носителями заряда.

В полупроводниках p-типа введение примеси направлено на повышение концентрации дырок. Здесь в качестве примеси используются элементы третьей группы Периодической системы (индий, галлий, алюминий, бор), атомы которых имеют по три валентных электрона. При наличии такой примеси каждый ее атом образует только три заполненные ковалентные связи с соседними атомами исходного полупроводника. Четвертая связь остается незаполненной (рис. 2.3,б). Недостающий валентный электрон для заполнения связи принимается от одного из соседних атомов кристаллической решетки, так как требуемая для этого перехода энергия невелика. Переход электрона приводит к образованию дырки в ковалентной связи соседнего атома и превращению атома примеси в неподвижный отрицательный ион. В результате за счет введенной примеси достигается повышение концентрации дырок в полупроводнике.

Атомы примеси, принимающие валентные электроны соседних атомов, называют акцепторными, а саму примесь – акцепторной. При наличии акцепторной примеси в запрещенной зоне энергетической диаграммы исходного полупроводника вблизи валентной зоны появляются локальные уровни энергии, свободные от электронов при температуре абсолютного нуля (рис. 2.2,в). Так как разность между энергией акцепторных уровней и энергией верхнего уровня валентной зоны ( ) мала, то при комнатной температуре все акцепторные уровни будут заняты электронами, перешедшими из валентной зоны. Вследствие этого концентрация дырок в валентной зоне достигает больших значений.

Концентрация дырок в валентной зоне при этом определяется преимущественно концентрацией внесенной акцепторной примеси ( ), а не дырками, возникающими при термогенерации носителей заряда за счет преодоления валентными электронами широкой запрещенной зоны ( ).

В соответствии с этим концентрация дырок ( ) в полупроводнике р- типа существенно больше концентрации свободных электронов ( ). Дырки в этом случае являются основными носителями заряда, а электроны неосновными.

В зависимости от концентрации введенной примеси удельная проводимость примесных полупроводников возрастает, по сравнению с чистыми в десятки и сотни тысяч раз.

Характерной особенностью полупроводников является то, что произведение концентрации основных и неосновных носителей заряда при фиксированной температуре является величиной постоянной:

, (2.2)

где = – собственные концентрации носителей заряда в чистом полупроводнике.

При температурах, превышающих верхний температурный предел, повышается роль носителей заряда, создаваемых при термогенерации за счет преодоления валентными электронами запрещенной зоны. При этом концентрация носителей заряда и электропроводность полупроводника будут определяться не концентрацией внесенной примеси, а концентрацией собственных носителей заряда – электронов и дырок.

В этом случае происходит вырождение примесного полупроводника в собственный полупроводник. Верхний температурный предел, зависит от ширины запрещенной зоны и составляет для германия 75 – 85 C , а для кремния 150 – 170 C.

При низких температурах концентрация неосновных носителей, создаваемая термогенерацией, мала. Основную роль здесь играет понижение концентрации основных носителей заряда, вследствие уменьшения количества ионизированных атомов примеси.