Исследование электрофизических свойств

р-п-Перехода

Цель работы: ознакомиться с основными характеристиками электрофизических свойств р-п-перехода на примере германиевого диода Д-304; измерить вольт-амперную характеристику р-п-перехода и рассчитать на основании эксперимента основные характеристики р-п-перехода.

1. Методические указания по подготовке к работе

Общие сведения об электрофизических свойствах

полупроводников

Одним из основных параметров, определяющих поведение вещества в электрическом поле, является удельная электропроводность, зависящая от подвижности и концентрации носителей заряда

s = qm n,

где q – заряд носителя; m – подвижность носителей заряда, n – концентрация носителей.

Концентрация носителей заряда в проводниковых материалах (металлах) определяется физическими константами материала (плотностью, молярной массой, валентностью) и практически не зависит от внешних воздействий (температуры, электрических и электромагнитных полей и т.п.).

В полупроводниковых материалах концентрация носителей заряда существенно зависит от внешних воздействий. Это может быть объяснено с помощью зонной теории. Согласно этой теории, носители заряда в энергетическом пространстве могут располагаться на разрешенных уровнях в валентной зоне (ВЗ), зоне проводимости (ЗП) и на примесных энергетических уровнях в зоне запрещенных значений энергий (ЗЗ) (рис.1.).

В электропроводности полупроводника могут участвовать только носители, находящиеся в ЗП (электроны), и носители, находящиеся в ВЗ (дырки). Принято различать собственные и примесные носители. Если носители образовались при переходе электронов из ВЗ в ЗП (переход 3), получив дополнительную энергию не менее DW_g, то они будут собственными. При этом в ЗП будут электроны, а в ВЗ дырки, т.е. положительно заряженные области, из которых ушли электроны в ЗП. Концентрация собственных носителей обозначается n_i и p_i для электронов и дырок соответственно.

Рис.1. Схема энергетических зон для полупроводника

W_c , W_v – энергии дна зоны проводимости и потолка валентной зоны соответственно; W_d , W_a – энергии примесных донорного и акцепторного уровней соответственно; D W_g – ширина запрещенной зоны; D W_d – энергия донорного уровня относительно дна зоны проводимости; D W_a – энергия акцепторного уровня относительно потолка валентной зоны.

Если носители образовались в результате перехода электрона с донорного уровня (переход 1) или из ВЗ на акцепторный уровень (переход 2), то носители будут примесные (электроны в ЗП и дырки в ВЗ). Носители, образовавшиеся в результате изменения температуры полупроводника, называются равновесными, так как их концентрация находится в тепловом равновесии с кристаллической решеткой. Это означает, что при увеличении температуры концентрация будет увеличиваться, а при снижении уменьшаться. Однако появление носителей может быть вызвано воздействием ряда внешних факторов, не связанных с изменением температуры полупроводника. К ним относятся, в частности, облучение светом, введение (инжекция) носителей из контактирующего с полупроводником тела (например, металла) или соседних участков этого же полупроводника под действием электрического поля или градиента концентрации (диффузии). Образующиеся таким образом избыточные носители не находятся в тепловом равновесии с полупроводником, и поэтому называются неравновесными. Полная концентрация носителей будет равна сумме равновесных и неравновесных носителей.

Подвижность µ определяет скорость направленного движения (дрейфа) носителя в электрическом поле: V_др = µ Е, где V_др – скорость дрейфа носителя, Е – напряженность электрического поля. Численно µ равна скорости дрейфа в электрическом поле с Е = 1.

Следует помнить, что наряду с процессом образования (генерации) неравновесных носителей, идет процесс их рекомбинации, при котором встречающиеся электрон и дырка аннигилируют. Окончательная концентрация носителей будет определяться равенством скоростей этих двух процессов.

Рекомбинации характеризуются временем жизни носителя (t_n и t_p) т.е. временем, в течение которого концентрация носителей уменьшается в е раз (е = 2,718).

Для описания поведения носителей в полупроводнике, находящемся под воздействием внешних факторов, составляется уравнение баланса концентраций неравновесных носителей заряда во времени и в пространстве. Это уравнение называется уравнением непрерывности. Для одномерного случая (т.е. когда рассматривается изменение концентрации неравновесных носителей вдоль одной оси, например Х), уравнения имеют вид

для электронов:

для дырок:

г де g(x,t) – скорость образования неравновесных носителей; n,p – концентрация неравновесных носителей (электронов и дырок соответственно);_n, _p – время жизни носителей (электронов и дырок соответственно); _n, _p – подвижность носителей (электронов и дырок соответственно); E – напряженность электрического поля;

– градиенты концентраций носителей (электронов и дырок соответственно); D_n, D_p – коэффициенты диффузии носителей

(электронов и дырок соответственно).

Диффузия – это направленный перенос носителей в сторону уменьшения их концентрации. Плотность диффузионного потока Ф, равная числу носителей, проходящих через 1 м² в 1 с, пропорциональна градиенту концентрации

где D – коэффициент диффузии, зависящий от природы взаимодействующих веществ и температуры.

Для характеристики рекомбинационных процессов вводится понятие диффузионной длины носителя, которая равна

для электронов:

для дырок:

Диффузионной длиной носителя называется отрезок, на котором его концентрация уменьшается в е раз (2,718 раз).

Коэффициент диффузии связан с подвижностью носителей соотношением Эйнштейна

для электронов:

для дырок:

Общие свойства p-n-перехода

При контакте двух полупроводников с различным типом носителей на границе возникают диффузионные процессы: электроны из полупроводника п-типа перемещаются в полупроводник р-типа, а дырки из полупроводника р-типа – в полупроводник п-типа. В результате нарушается электронейтральность прилегающих к границе областей полупроводников, что приводит к возникновению контактной разности потенциалов. Эту область называют р-п-переходом. Контактная разность потенциалов создает потенциальный барьер, препятствующий дальнейшей диффузии основных носителей и способствующий дрейфу неосновных носителей. Так как потоки основных и неосновных носителей направлены навстречу друг другу, то при некотором значении контактной разности потенциалов наступает равновесие. Электрофизические свойства образовавшегося таким образом p-n-перехода определяются следующими характеристиками:

– контактная разность потенциалов V_к ;

– концентрации акцепторных примесей в р-области N_a и донорных примесей в п-области N_d;

– толщина p-n-перехода _p-n ;

– барьерная емкость перехода C_бар/U=0 ;

При приложении внешнего электрического поля к p-n-переходу, последнее будет либо уменьшать величину потенциального барьера (прямое включение), либо увеличивать (обратное включение). Следовательно, при прямом включении будет увеличиваться диффузионный ток основных носителей, и уменьшаться дрейфовый ток неосновных носителей, а при обратном включении – наоборот. Так как концентрация основных носителей на несколько порядков больше, чем неосновных, то увеличение тока при прямом включении p-n-перехода существенно выше, чем при обратном. Эта особенность p-n-перехода отражена в вольт-амперной характеристике (рис. 3).