perechen_lab_rab_na_rus_yaz__227_laboratorii / ФПЭ-15

Работа ФПЭ-15. ИЗУЧЕНИЕ ЭЛЕКТРОННО-ДЫРОЧНОГО ПЕРЕХОДА В ПОЛУПРОВОДНИКАХ

Цель работы: Исследование электрических свойств полупроводников диодных структур, определение основных характеристик и параметров перехода.

Краткое теоретическое введение

1. Вольт-амперная характеристика р-п структуры. Работа многих полупроводниковых приборов основана на протекании электрического тока через полупроводниковую структуру (р-п). Если в омических полупроводниках ток I = U/R, где R - сопротивление проводника, которое растет с ростом температуры и не зависит от I и U, то в полупроводниковых структурах сопротивление R является функцией тока и напряжения R = R(U, I). Это позволяет говорить о нелинейности вольт-амперной характеристики (ВАХ) р-n структуры. ВАХ выражает графическую зависимость протекающего тока от приложенного напряжения прямом и обратном.

2. Электронно-дырочный переход, р-п переход представляет собой переходный слой между двумя областями полупроводника, одна из которых имеет электропроводность n -типа, а другая - p-типа (рис. 1):

Рис. 1. р-n переход

Получают р-п переход в едином кристалле полупроводника легированием акцепторной и донорной примесями, соответственно.

Одно из важных свойств такой структуры - ассиметрия концентраций подвижных электронов и дырок вблизи перехода. Например, в области р-типа дырки являются основными носителями заряда и могут иметь концентрацию 10²¹ м^-3, а в области n-типа дырки являются неосновными носителями и могут иметь концентрацию 10¹¹ м^-3. Следовательно, вблизи геометрической границы при переходе от p-области к n-области концентрация дырок должна существенно измениться. Аналогичные рассуждения, проведенные для электронов, показывают, что концентрация электронов также должна претерпевать существенное изменение вблизи области р-п перехода. Эти большие изменения концентраций носителей в зависимости от координаты, т.е. наличие градиента концентраций носителей заряда, приводят к новому виду переноса заряда и сильной ассиметрии ВАХ для этой структуры в отличие от однородного материала.

3. Перенос заряда в р-п переходе, находящемся в равновесном состоянии. Вначале рассмотрим р-п переход (рис. 2) в отсутствии внешнего напряжения.

Как уже указывалось, вблизи плоскости перехода существуют большие градиенты концентраций электронов и дырок, которые вызывают диффузионные потоки дырок из p-области в n-область, а электронов из n -области в p-область. Ток, возникающий при диффузии носителей заряда из области, где их концентрация повышена в направлении области с более низкой концентрацией, называется диффузионным. По аналогии с диффузией молекул газа можно ожидать, что диффузия электронов и дырок будет существовать до тех пор, пока их относительные концентрации не выравнятся по всему объему твердого тела. Этого, однако, не происходит. Когда дырки диффундируют из р-области, в ней остается равное число отрицательных неподвижных ионов акцепторов. Аналогично, когда электроны диффундируют из n-области, в ней остаются положительные неподвижные ионы доноров. Следовательно, в окрестности перехода диффузия дырок и электронов образует области с избыточной концентрацией неподвижных отрицательных зарядов в материале р-типа и избыточных положительных зарядов в материале n-типа. Эти прилегающие к границе слои, содержащие неподвижные заряды, образуют область пространственного (объемного) заряда.

Рис. 2. р-п переход в равновесии.

Области объемного заряда с каждой стороны перехода имеют заряд, противоположный заряду тех подвижных носителей, которые диффундировали из этой области. По мере развития диффузии размеры заряженных областей увеличиваются. Из-за этого растут силы, притягивающие обратно основные носители заряда. Эти силы препятствуют диффузионному потоку. Поэтому процесс диффузии можно рассматривать как самоограничивающийся. Он продолжается до тех пор, пока действие электрического поля объемного заряда не уравновесит диффузионный поток; при этом результирующий перенос заряда и ток становятся равными нулю.

Итак, область, содержащая неподвижные заряды, создает электрическое поле, величина которого пропорциональна размерам заряженных областей, а направление такое, что вызывает дрейф электронов или дырок навстречу диффузионному потоку.

Дрейфовым потоком (током проводимости) называется перенос носителей заряда вследствие действия на них электрического поля.

Поэтому можно рассматривать результирующий перенос носителей данного типа как разность между переносом вследствие диффузии и переносом за счет дрейфа, т.е. как разность между диффузионным и дрейфовым токами. При равновесии дрейфовые и диффузионные компоненты электронных и дырочных потоков уравновешивают друг друга и полный ток во внешних выводах равен нулю. На рис. 2 показан р-п переход в равновесии (внизу стрелками обозначены компоненты токов).

Так как вблизи перехода осуществляются два вида переноса носителей (электроны и дырки несут заряды), диффузия электронов и дырок не приводит к равномерному распределению их концентраций по всему объему. Диффузия и дрейф происходят только вблизи перехода. Вдали от перехода р- и n-области нейтральны и однородны. Границы между областью объемного заряда у перехода и нейтральными областями образца не являются совершенно резкими, однако для наглядности области удобно представлять резко разграниченными. Поэтому штриховые линии на рис. 2 показывают границу между областью объемного заряда и нейтральными р- и n-областями.

Разность потенциалов _к в переходе, обусловленную градиентом концентрации носителей заряда, называют контактной разностью потенциалов. Обычно контактная разность потенциалов имеет порядок десятых долей вольта.

Толщина электронно-дырочных переходов: , где U - напряжение, n - концентрация, d меняется в пределах от сотых долей до единиц микрометров.

4. Вольт-амперная характеристика р-п перехода. Рассмотрим теперь случай, когда к р-п переходу приложено напряжение. Применяя понятия дрейфового и диффузионного токов, используемые при рассмотрении равновесного состояния, можно получить качественное представление о ВАХ р- перехода.

1. Сначала предположим, что небольшое напряжение приложено таким образом, что р-область становится положительной по отношению к n-области. Прежде всего, возникает вопрос, как это напряжение распределится между двумя нейтральными областями и областью объемного заряда? Детальный анализ этого вопроса выходит за рамки качественного рассмотрения, однако можно показать, что почти все приложенное напряжение падает на область объемного заряда, так как его сопротивление велико, и только ничтожная часть этого напряжения приходится на нейтральные р- и n-области. Кроме этого, напряжение приложено так, что оно уменьшает электрическое поле в области объемного заряда относительно значения, соответствующего тепловому равновесию. Поэтому баланс между диффузией и дрейфом носителей заряда нарушается. В частности, поскольку поле и соответствующий дрейфовый ток уменьшается, в процессе переноса носителей преобладает диффузионная компонента и возникает ток дырок из р-области в n-область и электронов из n-области в р-областъ. Как и в однородном полупроводнике, результирующий перенос дырок и электронов в противоположных направлениях образует полный положительный ток через образец. Поскольку градиенты концентраций очень велики, требуется довольно небольшое напряжение U (меньше 1 В), чтобы получить большие токи (см. ВАХ на рис.3). Полярность напряжения, вызывающего эти сравнительно большие токи, соответствует прямому напряжению или прямому смещению.

Прямое смещение уменьшает поле E в области объемного заряда и способствует диффузии основных носителей через переход в те области, где они являются неосновными. Следовательно, при прямом смещении концентрации неосновных носителей вблизи перехода сильно возрастают.

2. Рассмотрим теперь случай, когда к р-п переходу приложено напряжение противоположной полярности - обратное смещение (рис. 4). Обратное напряжение почти полностью прикладывается к области объемного заряда и изменяет электрическое поле. Однако, в отличие от предыдущего случая, приложенное напряжение увеличивает поле в области объемного заряда. Это возросшее поле сильно препятствует диффузии основных носителей. Перенос зарядов за счет диффузии практически прекращается, т.е. поле направлено так, что оно удерживает основные носители в соответствующих нейтральных областях и не позволяет им диффундировать через область объемного заряда. Таким образом, поле направлено так, что оно вытягивает неосновные носители из соответствующих нейтральных областей и заставляет их дрейфовать через область объемного заряда. В результате возникает перенос дырок из n-области в p-область и электронов из p-области в n-область, создающий отрицательный иди обратный ток через р-n переход. Как уже ранее отмечалось, что в нейтральном полупроводниковом материале концентрация неосновных носителей намного порядков меньше концентрации основных носителей. Следовательно, обратный ток, пропорциональный концентрации неосновных носителей, будет во много раз меньше, чем ток при прямом смещении. Кроме того, как только обратное смещение увеличивается до значения, при котором прекращается диффузия основных носителей (обычно это доли вольта), дальнейшее увеличение обратного смещения не изменяет обратного тока или изменяет его очень мало (рис. 4). Хотя увеличение обратного смещения сопровождается ростом электрического ноля в области объемного заряда, обратный ток ограничивается поступлением неосновных носителей из нейтральных областей. Поэтому, как только поле достигает значения, при котором оно вытягивает все неосновные носители, поступающие из нейтральных областей, ток перестает зависеть от дальнейшего увеличения напряженности поля. Этот постоянный обратный ток называется обратным током насыщения р-п перехода, так как значение тока достигает максимума, или насыщенного значения при увеличении обратного напряжения. Обратный ток насыщения обозначается через I_s.

Рис. 3. р-п переход при прямом смещении.	Быстрое возрастание тока при подаче прямого смещения

Рис. 4. р-п переход при обратном смещении (U<0)	Насыщение тока при подаче обратного смещения

Процесс вытягивания неосновных носителей через переход при обратном смещении является сбором неосновных носителей. Хотя обратный ток насыщения не зависит от обратного напряжения, на него оказывают влияние явления, вызывающие изменения концентрации неосновных носителей. Такими явлениями могут быть изменения температуры, облучение полупроводников светом или рентгеновскими лучами иди инжекция дополнительных неосновных носителей с помощью - второго перехода. Последнее явление играет очень важную роль: на нем основана работа транзистора.

Таким образом, р-п переход может пропускать большие токи в прямом направлении (из р-области в n-область) и очень малые токи в обратном направлении. Типичные значения токов в прямом направлении в зависимости от размеров структуры и ее теплоотвода лежат в пределах от нескольких миллиампер до ампер. Обратные токи примерно на шесть порядков меньше и лежат в диапазоне от наноампер до микроампер.

5. Барьерная емкость р-п перехода. Изменение электрического поля (за счет приложенного напряжения) вызывает изменение ширины области объемного заряда. Увеличение электрического поля приводит к увеличению ширины этой области, а снижение поля - уменьшение ширины. На рис. 2, 3, 4 изменение ширины запорного слоя показаны для наглядности в увеличенном масштабе. На самом деле ширина области объемного заряда и ее изменение при приложенном напряжении составляют небольшую часть всей структуры (см. п. 2.3). Увеличение ширины области объемного заряда приводит к обеднению носителями области вблизи перехода, смещенного в обратном направлении.

Изменение размеров и величины объемного заряда при изменении внешнего напряжения эквивалентно поведению "емкости". Напомним, что в общем случае под емкостной реакцией элемента электрической цепи понимают изменение заряда на нем при изменении напряжения, подаваемого на элемент (Q = CU).

Процесс изменения объемного заряда при изменении напряжения воспринимается внешней цепью как электрическая емкость, которая в случае р-п перехода называется барьерной или зарядной емкостью С_б, т.е. "двойной электрический слой в области перехода ведет себя как конденсатор, обкладками которого являются границы р-п перехода, а диэлектриком - обедненный слой р-п перехода.

Барьерная емкость определяется по известной формуле емкости плоского конденсатора:

, (1)

где - площадь р-n перехода (площадь обкладок конденсатора),

- толщина области пространственного заряда (толщина диэлектрика),

- относительная диэлектрическая проницаемость диэлектрика,

- электрическая постоянная.

В большинстве случаев площадь перехода мала, и тем не менее емкость, благодаря малой толщине обедненной области, может быть очень большой.

При увеличении напряжения U от обратного к прямому барьерная емкость С_б возрастает (рис. 5), так как уменьшается толщина запорного слоя d.

Эта зависимость описывается формулой:

, (2)

где - барьерная емкость при ; [];

- контактная разность потенциалов.

Значения барьерной емкости составляют от десятых долей до десятков пикофарад (10^-12 Ф).

Зависимость C_б(U)), представленная на рис. 5 называется вольт-фарадной характеристикой (ВФХ). Она отражает динамику изменения слоя объемного заряда р-п перехода в зависимости от приложенного к переходу напряжения.

6. Идеальный полупроводниковый диод. Полупроводниковый диод содержит один электронно-дырочный переход. Теоретический анализ р-п перехода дает простое уравнение, которое довольно точно описывает работу диода как при прямом, так и при обратном смещении:

(3)

где - обратный ток насыщения,

- приложенное к диоду напряжение,

- абсолютная температура перехода,

- постоянная Больцмана,

- заряд электрона (абсолютное значение).

Рис. 5. Зависимость барьерной емкости р-п перехода от напряжения.

Формулу (3) можно переписать в виде:

(4)

где - термический потенциал (),

= 26 мВ при = 300 К.

Для >>26 mB экспоненциальный член должен быть много больше по сравнению с единицей; тогда единицей в формуле (3) можно пренебречь. Следовательно, при прямых смещениях >>26 мВ уравнение (3) дает:

(при прямом смещении) (5)

Выражение (5) является простой экспоненциальной зависимостью тока I от напряжения U, что согласуется с физическими представлениям о том, что значение прямого тока много больше значения обратного тока насыщения I_s и что прямой ток быстро растет при небольшом увеличении напряжения U. Например, при комнатной температуре (для кТ/e=26 mВ) прямой ток возрастает в 10 раз при каждом увеличении U на 60 mB. Однако при обратном смещении, когда U<-26 mB, экспоненциальный член в уравнении (3) становится малым по сравнению с единицей, и ток равен:

(при обратном смещении) (6)

Итак, в уравнении (3) удачно отражены и обратный ток насыщения -Is и большой ток при прямом смещении.

Хотя при выводе экспериментальной зависимости (3) допускается некоторая физическая идеализация, результаты которых хорошо согласуются с экспериментальными данными для реальных диодов в большой части их рабочей области.

На рис. 6 показана ВАХ германиевого и кремниевого диодов. Условное обозначение диода приведено на этом же рисунке, слева. Символ I_s, записанный рядом, означает, что диод можно считать экспоненциальным.

Поскольку масштабы для напряжения и тока на рис.6 линейны и значения по оси токов выбраны такими, чтобы представить всю характеристику до значения тока 80 mA, кажется, что характеристика имеет очень сильную нелинейность. Ток равен 0, пока напряжение не достигает определенного значения, при а с увеличением напряжения U начинает быстро возрастать. Напряжение, при котором появляется заметный ток, часто называют пороговым напряжением диода. Типичные значения порогового напряжения для германиевых диодов равны 0,2-0,3 В, для кремниевых 0,6-0,7 В. На рис.6 приведена характеристика кремниевого диода, прямой ток которого достигает 80 mA, а обратный ток насыщения 0,5 mA. Заметим, что у кремниевого диода ток начинает заметно отличаться от нуля при напряжениях около 0,5 В. При изменении смещения от обратного до прямого +0,5 В ток изменяется в очень большое число раз.

Рис.6. ВАХ кремниевого и германиевого диодов.

ВАХ позволяет оценить контактную разность потенциалов. Когда приложенное к диоду напряжение меньше контактной разности потенциалов, то ВАХ нелинейна, так как почти все приложенное напряжение падает на область объемного заряда. Ширина этой области определяет особенности ВАХ р-п перехода. При превышении внешним напряжением высоты потенциального барьера для основных носителей заряда запирающий слой исчезает (рассеивается) и приложенное напряжение падает вдоль всего полупроводникового образца - ВАХ становится линейной. Таким образом, точка (А) на границе этих двух областей (нелинейной и линейной) соответствует контактной разности потенциалов (рис. 7).

Рис.7. ВАХ р-п перехода.

Порядок выполнения работы

Задание 1. Снятие ВАХ диода

1. Соберите электрическую схему согласно рис. 8.

2. Снимите прямую ветвь ВАХ диода, постепенно увеличивая напряжение с помощью потенциометра. Старайтесь не допускать резких изменений тока в диапазоне 10-100 mA во избежание порчи источника питания.

Шаг изменения прямого смещения не должен превышать 0,05 В. Данные занесите в таблицу 3.1.

Таблица 3.1.

прямое смещение обратное смещение

U, B	I, mA	U, B	I, µA

ИП Rогр + + ИП - -

Рис. 8. Электрическая схема для исследования ВАХ диода.

Выключите источник питания.

3. Измените полярность включения диода на противоположную, установите предел измерения на В7-21А "100µА".

Снимите обратную ветвь ВАХ, увеличивая абсолютное значение напряжения в интервале от 0 до 1В с шагом 0,1В и далее до -7 В с шагом 1В.

4. Вычертите ВАХ и оцените из кривой контактную разность потенциалов (см. пп. 3.1.5. и 3.1.6.).

5. Определите из ВАХ динамическое сопротивление (Rд = ∆U/∆I) при прямом и обратном смещениях р-n перехода (для 3-5 значений напряжения).

6. Вычислите коэффициенты выпрямления (α = Iпр/Iобр) для 3-5 значений напряжения.

Задание 2. Для наблюдения осциллограммы ВАХ диода соберите схему согласно рис. 9.

1. Включите развертку осциллографа. Установите частоту звукового генератора ГЗ-109 в диапазоне 100-200 Гц.

2. Получите ВАХ диода на экране осциллографа, увеличивая выходное напряжение генератора.

Рис. 9. Электрическая схема для получения осциллограммы ВАХ диода.

3. С экрана осциллографа снимите на кальку копию осциллограммы и сравните ее с ВАХ, полученной в результате измерений в предыдущем задании.

4. Включите развертку осциллографа. Получите устойчивую (синхронизированную) осциллограмму выпрямленного однополупериодного напряжения и переведите ее на кальку.

Контрольные вопросы

1. Объясните механизм возникновения потенциального барьера на р-п переходе.

2. Какими носителями обеспечивается ток р-п перехода в пропускном направлений?

3. Как изменяется толщина объемного заряда относительно приложенного напряжения и концентрации примесей?

4. Основные носители заряда в полупроводниках п и р типов?

5. Какое влияние оказывает время жизни неосновных носителей заряда на выпрямляющие свойства р-п перехода?

Литература

1. Лабораторные занятия по физике. Под ред. Гольдина Л.Л. - М.: Наука,1983.

2. Общий физический практикум для студентов естественных факультетов. Под ред. Талалаева Е.В. и др. - М.: МГУ, 1987.

3. Бонч-Бруевич В.Л. Физика полупроводников. - М.: Высшая школа,1975.

4. Шефер Н.И. Практикум по физике полупроводников. - Оренбург, 1970.

5. Жеребцов И.П. Основы электроники. Л.: Энергия, 1985.