4(3) семестр. Аудитория 4-36. Лабораторная работа № 9. - 4.

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕНЫЙ ГЕОЛОГОРАЗВЕДОЧНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ИМЕНИ СЕРГО ОРДЖОНИКИДЗЕ

Кафедра физики

Лабораторная работа № 16 (К.Ф.)

Исследования p-n-перехода.

Цель работы: изучение свойств p-n-перехода.

Введение

1. Электронно-дырочный переход.

Электрический переход между двумя областями полупроводника, одна из которых имеет проводимость n-типа, а другая - р-типа, называют электронно-дырочным или p-n-переходом.

Такие переходы получают различными способами, например, вплавлением, или диффузией примесей в полупроводник. В соответствии с этим бывают сплавные, диффузионные и другие p-n-переходы.

Пусть два полупроводника разного типа проводимости соединены каким-либо способом вместе. Поскольку концентрация электронов в “n”-области выше, чем в “р”-области, а концентрация дырок в “р”-области выше, чем в “n”-области, начнется диффузия электронов в “р”-область и дырок в “n”-область. Движение дырок и электронов создает электрический ток I_диф, направленный из р-области в n-область. Такой ток называют диффузионным. В результате перемещения зарядов n-область заряжается положительно, а р-область - отрицательно.

На границе полупроводников в р-области электроны захватываются атомами акцепторной примеси, которые превращаются в отрицательно заряженные ионы, а в n-области атомы донорной примеси захватывают дырки и превращаются в положительно заряженные ионы /1/. На границе областей n и р-типа создаются два слоя ионов противоположных по знаку зарядов (рис.1). Получившийся двойной электрический слой образует p-n-переход. Ширина p-n-перехода L не превышает десятых долей микрометра. Напряженность поля, возникающая в p-n-переходе, препятствует переходу основных носителей из одной области в другую. Так, на электрон, попадающий в область p-n-перехода, будут действовать электрические силы, стремящиеся вернуть его в n-область. Такие же силы будут возвращать дырки в р-область. Отсюда следует, что диффузионный ток со временем прекратится. Так будет в случае, если оба полупроводника обладают только электронной и только дырочной проводимостью.

На рис.2б показано распределение напряженности поля в переходе. Наибольшая величина напряженности Е наблюдается в сечении Х₀, поскольку через это сечение проходят все силовые линии, начинающиеся на положительных зарядах, расположенных левее Х₀.

Потенциальная диаграмма p-n-перехода показана на рис.2в. За нулевой потенциал условно принят потенциал слоя Х₀. За пределами перехода поле отсутствует и потенциал (Х) = const. Перепад потенциала (потенциальный барьер) равен контактной разности потенциалов U_К.

При некоторых условиях за счет вредных примесей, при большой температуре, ионизирующем излучении и т.д. в полупроводниках типа “n” образуются дырки, а в полупроводниках типа “р” - электроны. Эти носители электричества называются неосновными для данного типа полупроводника. В этом случае, дрейфуя по n-области, дырка может попасть в область p-n-перехода. На нее будет действовать ускоряющая сила, и она скатится в р-область. То же произойдет и с электроном, попавшим в p-n-переход; из р-области он скатится в n-область. Ток, обусловленный неосновными носителями, называется дрейфовым током. Из сказанного следует, что через p-n-переход всегда будет течь некоторая величина дрейфового тока I_др. В то же время при комнатной температуре некоторое количество основных носителей способно преодолеть образовавшийся потенциальный барьер и навстречу дрейфовому току неосновных носителей будет течь диффузионный ток основных носителей I_диф. В состоянии равновесия сумма этих токов должна быть равна нулю.

.