Методички / Т.А. Балашова Изучение работы полупроводникового диода

1

Л а б о р а т о р н а я р а б о т а № 95 ИЗУЧЕНИЕ РАБОТЫ ПОЛУПРОВОДНИКОВОГО ДИОДА

1.Цель работы: изучение p-n-перехода, исследование его выпрямляющих свойств.

2.Оборудование: полупроводниковый диод, реостат, выпрямитель, миллиамперметр, микроамперметр, вольтметр, сопротивление.

3.Теоретическое введение

Взависимости от концентрации свободных зарядов вещества делятся на проводники, диэлектрики и полупроводники. Проводники (металлы, расплавленные соли, растворы кислот) – вещества, в которых электрический заряд может перемещаться по всему его объему. Диэлектрики (например стекло, пластмассы) — вещества, в которых практически отсутствуют свободные заряды. Полупроводники занимают промежуточное положение между проводниками и диэлектриками. Удельное сопротивление полупроводников изменяется

вшироком интервале от 10-5 до 108 Ом м и очень быстро, по экспоненциальному закону, уменьшается с повышением температуры. Типичными, наиболее широко применяемыми полупроводниками являются химические элементы германий, кремний, теллур. Указанное деление веществ является весьма условным, однако различие концентраций свободных зарядов в них обусловливает огромные качественные различия в их поведении.

Различная электропроводность веществ (металлов, полупроводников, диэлектриков) объясняется с помощью зонной теории твердых тел, в основе которой лежат квантовые представления. Рассмотрим процесс образования твердого тела из изолированных атомов. В изолированных атомах электроны находятся в дискретных энергетических состояниях, то есть имеют строго определенные дискретные значения энергии. В твердом теле энергетические состояния электронов определяются как взаимодействием их с ядром своего атома, так и электрическим полем кристаллической решетки, то есть взаимодействием с другими атомами. Это взаимодействие приводит к тому, что энергетические уровни атомов смещаются, расщепляются и расширяются в зоны, образуется так называемый

3

образом, можно говорить об образовании валентной зоны, полностью заполненной электронами и образованной из энергетических уровней внутренних электронов свободных атомов, и зоны проводимости (свободной зоны), которая либо частично заполнена электронами, либо свободна и образована из энергетических уровней внешних электронов изолированных атомов.

Полупроводниками являются вещества, у которых валентная зона полностью заполнена электронами, а ширина запрещенной зоны невелика ( ∆Е ~ 1 эВ) (рис. 2).

Различают собственные и примесные полупроводники.

Зона

проводимости

Валентная

зона

Рис. 2

Собственными полупроводниками являются химически чистые полупроводники, а их проводимость называется собственной проводимостью. При Т=0 К и отсутствии других внешних факторов собственные полупроводники ведут себя как диэлектрики. При повышении температуры электроны с верхних уровней валентной зоны могут быть переброшены вследствие теплового возбуждения на нижние уровни зоны проводимости и, таким образом, участвовать в электропроводности. Для этого необходимо затратить энергию, равную по крайней мере ширине запрещенной зоны. Эта величина является важнейшей характеристикой электрических свойств полупроводника и называется энергией активации собственной проводимости.

Проводимость собственных полупроводников, обусловленная электронами, называется электронной проводимостью или проводимостью n-типа (от лат. negative – отрицательный).

Переход электрона из валентной зоны полупроводника в зону проводимости означает, что в оставленном им месте возникает

4

избыточный положительный заряд, получивший название дырки. Во внешнем электрическом поле на освободившееся от электрона место – дырку – может переместиться электрон, а дырка появится в том месте, откуда ушел электрон и т.д., то есть дырки перемещаются в направлении, противоположном направлению перемещения электронов. Проводимость собственных полупроводников, обусловленная квазичастицами – дырками, называется дырочной проводимостью или проводимостью p- типа (от лат. positive – положительный).

Таким образом, в собственных полупроводниках наблюдаются два механизма проводимости: электронный и дырочный, при этом число электронов в зоне проводимости равно числу дырок в валентной зоне, так как последние соответствуют электронам, перешедшим в зону проводимости.

При встрече свободного электрона с дыркой они рекомбинируют (соединяются). В этом случае электрон теряет свободу перемещения до тех пор, пока снова не получит от кристаллической решетки энергию, достаточную для своего высвобождения. Рекомбинация приводит к одновременному исчезновению свободного электрона и дырки. На схеме энергетических уровней (рис. 2) процессу рекомбинации соответствует переход электрона из зоны проводимости на один из свободных уровней валентной зоны. При этом каждой температуре соответствует определенная так называемая равновесная концентрация электронов и дырок, которая изменяется с изменением температуры.

Проводимость полупроводников всегда является возбужденной, то есть проявляется под воздействием внешних факторов (температуры, облучения, сильных электрических полей и др.).

Когда внешнее электрическое поле отсутствует, электроны проводимости и дырки движутся хаотически. При включении поля на хаотическое движение накладывается упорядоченное движение: электронов – против поля, дырок – в направлении поля, что приводит к переносу заряда вдоль кристалла.

Уровень Ферми (или энергия Ферми) ЕF представляет собой максимальную энергию, которую могут иметь электроны в металле при Т=0 К. Поэтому все состояния с энергией Е < ЕF будут заполнены электронами, состояния же с Е > ЕF будут вакантными.

В собственном полупроводнике уровень Ферми находится в середине запрещенной зоны. Для переброса электрона с верхнего

5

уровня валентной зоны на нижний уровень зоны проводимости затрачивается энергия активации, равная ширине запрещенной зоны ∆Е. При появлении электрона в зоне проводимости в валентной зоне обязательно возникает дырка. Следовательно, энергия, затраченная на образование пары носителей тока, должна делиться на две равные части. Так как энергия, соответствующая половине ширины запрещенной зоны, идет на переброс электрона и такая же энергия затрачивается на образование дырки, то начало отсчета для каждого из этих процессов должно находиться в середине запрещенной зоны. Энергия Ферми в собственном полупроводнике представляет собой энергию, от которой происходит возбуждение электронов и дырок.

Вполупроводниках, содержащих примесь, возникает примесная проводимость.

Вполупроводнике с примесью, валентность которой на единицу больше валентности основных атомов, избыточный валентный электрон примеси оказывается как бы лишним и легко отщепляется от атома за счет энергии теплового движения, образуя странствующий свободный электрон. Следовательно, в полупроводниках с таким типом примеси имеется превалирующий вид носителей тока – электроны. Такой полупроводник обладает преимущественной электронной проводимостью, то есть является полупроводником n-типа. Атомы примеси, поставляющие электроны проводимости, называются донорами.

Примеси искажают поле решетки, что приводит к возникновению на энергетической схеме примесных уровней, расположенных в запрещенной зоне кристалла. В полупроводниках n-типа примесные уровни называются донорными. Эти уровни располагаются недалеко от дна зоны проводимости (рис. 3, а), поэтому уже при обычных температурах энергии теплового движения достаточно для того, чтобы перебросить электроны примесного уровня в зону проводимости.

Если валентность примеси на единицу меньше валентности основных атомов, то одна из ковалентных связей этих атомов оказывается неукомплектованной и будет представлять собой место, способное захватить электрон. При переходе на это место электрона от соседнего атома возникнет дырка, которая будет кочевать по кристаллу. Таким образом, в полупроводнике с таким типом примеси будут возникать носители только одного вида – дырки, то есть полупроводник будет обладать преимущественной дырочной

7

нескомпенсированный положительный объемный заряд неподвижных ионизованных донорных атомов, а в контактном слое толщиной δ2 p- полупроводника из-за ухода дырок вблизи границы образуется отрицательный объемный заряд неподвижных ионизованных акцепторов (рис. 4).

+-

n ++ - - p

+-

При равных концентрациях доноров и акцепторов в полупроводниках δ1 = δ2. Между слоями δ1 и δ2 возникает контактная разность потенциалов ϕк. Потоки носителей тока, направленные противоположно друг другу, становятся равными, и процесс установления равновесия между полупроводниками завершается. В состоянии равновесия потоки основных носителей тока компенсируются потоками неосновных носителей, протекающими в противоположных направлениях, и результирующий поток носителей через p-n-переход равен нулю.

Переход электронов из n- в p-полупроводник связан с преодолением потенциала ϕк и совершением работы.В результате на протяжении толщины контактного слоя δ все энергетические уровни электронов в полупроводнике p-типа подняты по сравнению с уровнями электронов в полупроводнике n-типа на “высоту” eϕк (рис. 4). Образуется так называемый потенциальный барьер. Равновесие

8

достигается при такой высоте потенциального барьера, при которой уровни Ферми обеих областей располагаются на одинаковой высоте.

уровни Ферми обеих областей располагаются на одинаковой высоте.

++_ _

Предположим, что к p-n-переходу приложено внешнее электрическое поле в направлении, совпадающем с направлением поля контактного слоя. При этом плюс источника тока подключен к n-, а минус – к p-полупроводнику. В этом случае внешнее поле вызывает движение электронов в n-полупроводнике и дырок в p-полупроводнике от границы p-n-перехода в противоположные стороны, что приведет к увеличению ширины δ запирающего слоя и возрастанию высоты потенциального барьера для основных носителей на eϕ (рис. 5).

Поток электронов, идущих из n- в p-полупроводник, уменьшится по сравнению с равновесным потоком, так как барьер высотой e (ϕк +ϕ) сможет преодолеть меньшее число электронов, чем барьер

высотой e ϕк . При этом изменение высоты барьера не изменит потока

электронов, переходящих из p- в n-полупроводник, который определяется расстоянием EFp уровня Ферми от дна зоны проводимости акцепторного полупроводника p. В итоге в цепи возникает результирующий поток электронов от p- к n-полупроводнику, а электрический ток – в обратном направлении. Направление внешнего поля при этом называется запирающим (или обратным). Возникающий