Лабораторная работа №15 контактные явления в полупроводниках. Выпрямляющее действие p-n перехода
Цель работы: изучение физических процессов в контакте полупроводников электронного и дырочного типа проводимости, измерение и анализ вольатмперной характеристики p-n перехода.
Приборы и принадлежности: лабораторный макет, блок питания постоянного тока, цифровой измеритель тока, полупроводниковый диод, соединительные провода.
-
Краткая теория
В полупроводниковых материалах валентные электроны сильно связаны с ядрами атомов и при создании кристаллической решетки участвуют в образовании химических связей. Рассмотрим условия появления носителей заряда в полупроводниках на примере классического полупроводника - кремния.
-
Собственный полупроводник
Рассмотрим кристалл чистого кремния, не содержащего никаких примесей. Каждый атом кремния имеет 4 валентных электрона. При образовании кристаллической решетки валентные
Рис.15.1. Двумерное представления расположения связей в кремнии при низкой (а) и высокой (б) температурах
электроны, представленные на рис.15.1,а в виде черных точек, обеспечивают ковалентную связь. При температурах, близких к абсолютному нулю, все электроны находятся в связанном состоянии, и свободных носителей заряда в полупроводнике нет. При подведении энергии (например, за счет теплового нагрева) появляется возможность разрыва ковалентной связи, в результате чего электрон становится свободным (рис.15.1,б). При уходе электрона ковалентная связь оказывается незавершенной (светлый кружок на рисунке). Эта связь обладает положительным зарядом, равным по модулю заряду электрона. Вакантное место в ковалентной связи называется дыркой. В целом кристалл остается электронейтральным, поскольку число свободных электронов равно числу дырок. Полупроводник, у которого в результате разрыва валентных связей образуется равное число электронов n и дырок p, называется собственным (n=p). Электроны и дырки способны участвовать в процессе переноса носителей заряда, проводимость полупроводника в этом случае называется собственной.
-
Примесной полупроводник
Изменить концентрацию электронов или дырок в полупроводнике можно его легированием (введением примесей). Допустим, что часть атомов кремния замещена атомами пятивалентного мышьяка (рис.15.2,а).
Рис. 15.2. Схематическое изображение кристаллической решетки примесного полупроводника n- (а) и p-типа (б) проводимости
Четыре валентных электрона атома мышьяка участвуют в образовании ковалентной связи, пятый электрон оказывается «лишним». Он слабо связан с атомами мышьяка. При низких температурах он локализован около своего родного атома, но при повышении температуры способен стать свободным. В этом случае каждый введенный атом мышьяка вносит в кристаллическую решетку свободный электрон. Концентрация электронов будет определяться концентрацией введенной примеси. В таком полупроводнике выполняется условие
.
(15.1)
В силу доминирующей роли электронов такие полупроводники называются полупроводниками n-типа проводимости или полупроводниками с электронной проводимостью.
Введем в кристаллическую решетку кремния атомы элемента 3-й группы периодической системы Менделеева (например, алюминий). Поскольку валентность алюминия равна трем, то одна связь атома кремния будет незавершенной (рис. 15.2,б). Следовательно, каждый введенный в кремний элемент 3-й группы будет вносить один положительный заряд – дырку. В таком материале будет выполняться условие
(15.2)
и электропроводность кристалла будет дырочной. Рассмотренные полупроводники называются полупроводниками p-типа проводимости.
Важно отметить, что в примесном полупроводнике существуют основные и неосновные носители заряда. В материале n-типа основными носителями являются электроны, неосновными – дырки. В полупроводниках p-типа основными носителями являются дырки, неосновными – электроны.