Лабораторная работа №7-2. «Исследование электронно-дырочных переходов в полупроводниках»

Цель работы: изучение свойств электронно-дырочного перехода.

Содержание работы:

1. Снять вольт-амперную характеристику p-n-перехода при комнатной температуре.

2. Рассчитать вольт-омную характеристику p-n-перехода.

3. Исследовать влияние температуры на обратный ток p-n-перехода.

1. Постановка задачи

1.1. Проводимость полупроводников

К полупроводникам относятся вещества с удельным сопротивлением от 10^-6 до 10⁺⁸ Омм. Полупроводниками являются элементы IV группы периодической системы элементов (Ge, Si), соединения типа A^IVB^IV (SiC), A^IIIB^V (GaAs), A^IIB^VI (ZnS, CdSe) и некоторые другие. Энергетические диаграммы полупроводников (т.е. структура энергетических уровней валентных электронов) представляют собой совокупность разрешённых значений энергий, разделённых запрещённой зоной (см. теоретическое введение). Ширина запрещённой зоны полупроводников не превышает 3 эВ. В таких материалах, как кремний (ширина запрещённой зоны 1,1 эВ), число собственных носителей заряда (электронов и дырок) при комнатной температуре мало. При введении примесей в такой полупроводник проводимость его, в основном, будет определяться концентрацией примесных атомов.

Основными носителями заряда в полупроводниках n-типа являются электроны, в полупроводниках p-типа – дырки. Кроме того, в полупроводниках n-типа содержится небольшое число дырок – неосновных носителей, а в полупроводниках p-типа – неосновными носителями являются электроны.

1.2. Электронно-дырочный переход

На рис.1 условно показан полупроводниковый кристалл, одна часть которого легирована акцепторный примесью (p-область), а другая донорной (n-область). На рис.1 обозначены неподвижные ионы примесей ( - доноры,  - акцепторы) и подвижные носители заряда ( - электроны,  - дырки). Неосновные носители заряда на рис.1 не показаны.

Так как p- и n-области созданы в одном кристалле, то на границе раздела возникают большие градиенты концентраций электронов и дырок, под действий которых электроны будут диффундировать из n- в p-область, а дырки – из p-области в n.

а) в отсутствие внешнего поля
б) прямое включение
в) обратное включение
Рис.1. Распределение носителей заряда в p-n-переходе	Рис.2. Энергетические зоны p-n-перехода

После ухода основных носителей в пограничных областях полупроводника остаются электрически нескомпенсированнные ионы примесей: отрицательно заряженные акцепторы в дырочном полупроводнике, т.е. создаются области объёмного заряда, толщины которых обозначены и . Наличие этих неподвижных зарядов создаёт электрическое поле, называемое диффузионным, которое препятствует дальнейшему переходу носителей (на рис.1. - напряженность диффузионного электрического поля). Диффузионное поле приводит к изгибу энергетических зон полупроводника (рис.2а). Уровень Ферми устанавливается (при отсутствии внешнего поля) на одинаковой высоте в p- и n-областях. Для носителей возникает потенциальный барьер, высота которого равна ( - заряд электрона, - контактная разность потенциалов).

Рассмотрим, как изменится распределение зарядов в переходе, если к нему приложить внешнее электрическое поле. Пусть к p-области присоединён положительный полюс источника питания, а к n-области – отрицательный. Такое внешнее поле ( ) оказывается направленным противоположно диффузионному полю (рис.2б). Высота потенциального барьера уменьшается на величину ( - напряжение), она станет равной . При этом основные носители в областях p- и n-, имеющие наибольшую энергию, получают возможность проникать через запирающий барьер в области, где являются неосновными и рекомбинируют. Такое направленное движение носителей заряда является электрическим током, т.е. p-n-переход при данной полярности внешнего напряжения будет «открыт», и через него потечёт «прямой ток». Такое включение p-n-перехода называется прямым.

Если подключить внешний источник так, что p-область окажется соединённой с «минусом», а n-область с «плюсом», то внешнее поле будет направлено так же, как и диффузионное (рис.1в). Высота потенциального барьера увеличивается, она станет равной . Через барьер смогут пройти только неосновные носители. Так как количество неосновных носителей значительно меньше, чем основных, ток через переход в этом случае будет мал по сравнению с тем, который получился при прямом включении. Это включение называется «обратным». При обратном включении переход «заперт» и через него течёт только малый ток неосновных носителей.