Определение концентраций носителей заряда в примесных полупроводниках.
Цель работы: Исследовать изменение концентраций равновесных носителей заряда и положение уровня Ферми в примесных полупроводниках в зависимости от температуры и типа полупроводника, различия эффективных масс, плотности состояний.
Краткие теоретические сведения
1. Донорные полупроводники
Е
сли
в структуру идеального полупроводника,
состоящего из элемента IV
группы таблицы Менделеева (например,
германия), ввести атом вещества,
относящегося к V
группе (например, сурьмы), то этот атом
образует валентные связи с четырьмя
соседними атомами германия. Однако
атомы V
группы имеют на внешней энергетической
оболочке не четыре, а пять валентных
электронов. Пятый электрон будет
избыточным, он не участвует в создании
ковалентных связей и значительно слабее
связан со своим атомом, чем электроны,
создающие ковалентную связь (рис. 2.1,
а). Для того, чтобы оторвать его от атома
и превратить в свободный носитель
заряда, требуется значительно меньшее
количество энергии
,
чем для высвобождения электрона из
ковалентной связи.
В зонной модели это значит, что для того, чтобы перевести такой электрон в зону проводимости, необходимо значительно меньшее количество энергии, чем то, которым определяется расстояние между верхним уровнем валентной зоны WВ и нижним уровнем зоны проводимости WС (рис. 2.1, б). Это означает, что уровни, на которых будут находиться такие электроны, должны располагаться в запрещенной зоне германия вблизи дна зоны проводимости. При очень низких температурах избыточные электроны находятся на этих уровнях, но уже при незначительном повышении температуры получают достаточное для перехода в зону проводимости количество энергии . Эта энергия называется энергией активации доноров или энергией ионизации.
Уход электрона от атома сурьмы превращает этот атом в положительный ион. Этот положительный заряд прочно связан с кристаллической решеткой и не будет перемещаться подобно дырке.
Таким образом, появление в кристаллической решетке германия примесного атома V группы приводит к появлению в зоне проводимости свободного электрона. Такой электрон не оставляет после себя вакансии в валентной зоне, то есть не появляется дырка.
Увеличение содержания атомов сурьмы в германии увеличивает содержание свободных электронов. Если концентрация электронов существенно превысит концентрацию дырок, то можно считать, что в таком кристалле ток будет переноситься в основном электронами. Другими словами, электроны в этом случае будут основными носителями свободного заряда, а дырки – неосновными.
Примеси, способные отдавать электроны в зону проводимости, называются донорными примесями или донорами.
Таким образом, донорные примеси за счет эмиссии электронов с донорных уровней в зону проводимости обеспечивают электронную проводимость полупроводника. Часто для краткости такие полупроводники называют полупроводниками n-типа.
2. Акцепторные полупроводники
Р
ассмотрим
теперь случай, когда в кристаллическую
решетку германия вводится элемент III
группы системы Менделеева, например,
галлий. Его внешняя энергетическая
оболочка содержит три электрона. В
решетке германия атом галлия образует
только три заполненные ковалентные
связи. Четвертая связь оказывается
незаполненной (рис. 2.2, а). При небольшом
тепловом возбуждении электрон одной
из соседних заполненных ковалентных
связей может перейти в эту связь.
Во внешней оболочке галлия при этом появляется лишний электрон, а атом галлия превращается в отрицательный ион. Нарушается и электрическая нейтральность в той связи, откуда электрон перешел в дефектную связь галлия. В этой связи появляется положительный заряд – дырка. При достаточной концентрации такой примеси дырки станут основными носителями свободного заряда, а электроны неосновными.
Так как переход
электрона из валентных связей к атому
галлия не требует больших энергий,
сравнимых с шириной запрещенной зоны,
можно предположить, что введение атома
III
группы приводит к появлению свободного
уровня вблизи от потолка валентной
зоны. При низких температурах этот
уровень свободен. При небольшом повышении
температуры один из электронов валентной
зоны покидает эту зону и занимает
свободный уровень, оставляя после себя
в валентной зоне дырку (рис. 2.2, б).
Энергия, необходимая для перемещения
электрона на этот уровень
,
называется энергией активации акцепторов
или энергией электронного сродства.
Примеси, способные принимать на свои уровни валентные электроны, называются акцепторными примесями или акцепторами.
Акцепторные примеси, принимая валентные электроны на свободные уровни, приводят к появлению в полупроводнике дырочной проводимости. Полупроводники, в которых основными носителями заряда являются дырки, называют дырочными полупроводниками или полупроводниками р-типа.
Порядок выполнения работы
1. Используя кнопки
панели, задать соотношение эффективных
масс электронов и дырок
,
установить концентрацию доноров больше
концентрации акцепторов
.
2. Изменяя концентрацию донорной примеси определить ее влияние на температурную зависимость концентрации носителей и уровня Ферми.
3. По зависимости концентрации носителей от температуры определить энергию ионизации донорной примеси и сравнить с заданной.
4. Установить концентрацию акцепторов больше концентрации доноров и выполнить пункты 2 и 3 для акцепторного полупроводника.
Лабораторная работа №3. Исследование неравновесных носителей заряда в полупроводниках.
Цель работы: Исследовать изменение распределения неравновесных носителей и фотопроводимости полупроводника во времени.
Порядок выполнения работы
1. Используя кнопки панели задать интенсивность излучения, период следования световых импульсов, время релаксации, скорость поверхностной рекомбинации по заданию преподавателя.
2. Изменяя интенсивность световых импульсов, построить зависимость стационарной фотопроводимости от интенсивности излучения.
3. На построенной зависимости определить участки, соответствующие малому и большому уровню оптической генерации.
4. Установить значение интенсивности световых импульсов, соответствующее малому уровню оптической генерации. Задать время релаксации фотопроводимости. Получить временные зависимости фотопроводимости при периоде следования импульсов, превышающем заданное время релаксации.
5. По наклону линейных участков спада фотопроводимости определить время релаксации и сравнить с заданным.
Лабораторная работа №4. Эффект Холла и применение для определения параметров полупроводников.
Порядок выполнения работы
Лабораторная работа №5. Исследование вольтамперной характеристики идеализированного р-п перехода.
Цель работы. Экспериментально исследовать вольтамперную характеристику идеального электронно-дырочного перехода и его основные параметры.
Порядок выполнения работы
1. Снять вольтамперную характеристику р-п перехода при прямом смещении,
2. Изменяя напряжение на входе от 0,5 В до 6 В измерить значения напряжения на переходе и тока в цепи.
3. Рассчитать динамическое сопротивление перехода, используя результаты измерений.
4. Подключить р-п переход в обратном направлении.
5. Изменяя напряжение на входе от 0,1 В до 4 В измерить значения напряжения на переходе и тока в цепи.
6. Рассчитать сопротивление перехода обратному току, используя результаты измерений.
7. Построить вольтамперную характеристику перехода. Замечание: прямую и обратную ветви ВАХ следует строить в разных масштабах.