Порядок виконання роботи

1. Ввімкнути нагрівач напівпровідника (рис.2).

2. Нагрівати напівпровідник до температур: , , , , , , , і відповідно реєструвати струм через зразок і напругу на ньому .

3. За допомогою закону Ома визначити опір напівпровідника .

4. З а отриманими значеннями побудувати графік залежності (рис.3) i (рис.4).

5. За формулою (3) розрахувати власної і домішкової провідності для різних пар і . Результати вимірів занести в таблицю.

Таблиця

№	Т	U	І	R	ІnR	1/Т

Контрольні питання та завдання

1. Чому опір напівпровідників зменшується із зростанням температури?

2. В чому відміна напівпровідника від провідників І і II роду?

3. Які типи напівпровідників відомі?

4. Які речовини відносяться до напівпровідників?

5. Назвіть головні області використання напівпровідників.

6. Назвіть носії заряду в напівпровіднику.

7. Що таке власна провідність напівпровідника?

8. Який напівпровідник називається донорним?

9. Який напівпровідник називається акцепторним?

10. В якій енергетичні зоні зростає кількість носіїв заряду при нагріванні?

Лабораторна робота № 68 Дослідження вольт-амперної характеристики р - n переходу

Прилади та обладнання Напівпровідниковий діод, джерело постійного струму на 2В, випрямляч з вихідною напругою до 100В, амперметр, вольтметр.

Теоретичні дані

До напівпровідникових матеріалів відносяться не тільки кремній, германій, селен , але і бінарні сполучення елементів II і ІУ, III і У груп періодичної таблиці Менделєєва. З них виготовляють джерела світла , тунельні діоди, лазери, термоелементи і ряд інших приладів. Характерною особливістю напівпровідників є нелінійна залежність їх провідності від температури :

де зміна потенціальної енергії електронів, зумовлена переходом їх в зону провідності; стала Больцмана; температура; величина, яка залежить від природи напівпровідника і , менше , від температури.

Провідність у напівпровідниках, зумовлену рухом власних електронів, називають власною провідністю. Величина її незначна, але із збільшенням температури вона зростає , що погіршує роботу деяких напівпровіднико­вих приладів. Другою особливістю напівпровідників є їх висока чутли­вість до зовнішніх впливів (опромінювання у-променями , освітлення, нагрівання , магнітне та електричне поле і т.д.), пов'язаними з передачею енергії.

Властивості напівпровідників можуть бути пояснені на основі квантової теорії твердих тіл. Відповідно до цієї теорії, електрони у твердому тілі не можуть мати довільну енергію, її значення повинні бути чітко визначеними, дискретними . Іншими словами , електрони у твердому тілі мають енергію, яка у енергетичній діаграмі відповідає визначеним енергетичним рівням. Атоми різних хімічних елементів відрізняю­ться один від одного системами енергетичних рівнів. Енергетичні рівні групуються у зони дозволених енергій, які розділені зонами заборонених енергій. Зони дозволених енергій для зовнішніх валентних електронів достатньо широкі і можуть складати декілька електрон-вольт. Кількість рівнів в енергетичній зоні кристала визначається добутком кількості енергетичних рівнів у атомі на кількість атомів у кристалічній решітці. У відповідності з принципом Паулі , на кожному рівні енергії може знаходитися не більше двох електронів. Дозволена зона, енергетичні рівні якої повністю заповненні зовнішніми валентними електронами, називається валентною зоною.

З оною провідності напівпровідника називається дозволена зона, енергетичні рівні якої при у чистому напівпровіднику повністю вільні від електронів (рис. 1).

Забороненою зоною називається інтервал енергії, яку не можуть мати електрони даного кристала. Якщо в кристалі валентна зона повністю заповнена і відокремлена від зони провідності забороненою зоною шириною , то при відсутності зовнішнього збудження (нагрівання, опромінювання, накладання електричного поля) кристал не електропровідний.

Прийнято умовно вважати напівпровідниками речовини, у яких ширина забороненої зони менше . Більшість процесів у кристалі (електричні, магнітні, оптичні) пояснюються станом валентних (зовніш­ніх) електронів, тому на схемі зображають тільки дві дозволені енергетичні зони: валентну зону і найближчу до неї зону провідності. При температурі напівпровідника, відмінної від нуля, частина електронів під дією теплового руху із валентної зони може перейти в зону провідності і утворити деяку електропровідність. У валентній зоні залишаться вільні місця - дірки.

Електрони в зоні провідності будуть переміщатися під дією зовнішнього електричного поля (електронна провідність напівпровідника), а електрони в валентній зоні будуть переходити на вільні місця, тобто будуть переміщуватися дірки у напрямку, зворотному від руху електронів (діркова провідність напівпровідників). Така провідність напівпровідника називається власною провідністю. У чистому напівпровіднику число електронів у зоні провідності дорівнює числу дірок у валентній зоні. Велику роль в електропровідності напівпровідників відіграють домішки, їх атоми входять у кристалічну решітку речовини і, в залежності від роду домішки , змінюють характер провідності. Введення домішок приводить до утворення в енергетичному спектрі кристала додаткових рівнів, які називаються локальними , домішковими рівнями. Якщо атом германію буде заміщений елементом III групи періодичної системи Менделєєва, наприклад, індієм, то в цьому випадку станеться збільшення діркової провідності . Це пояснюється тим , що у напівпровіднику виникає нестача електронів, що зумовлено наявністю у атома індію тільки трьох вал ентних електронів, а для утворення зв'язку з чотирма сусідніми атомами германію їх необхідно чотири . Тому існує вакантне місце , тобто дірка. Домішку, утворюючу у напівпровіднику дірки , називають акцепторною, а напівпровідник з такою домішкою називається дірковим або напівпровідником типу .

П ри заміщенні атому германію елементом V групи (наприклад, миш'яком) виникає збільшення електронної провідності. Миш'як має п'ять валентних електронів, а для утворення зв’язку з чотирма сусідніми атомами германію необхідно чотири , таким чином , виникає залишок електронів. Домішка, що віддає електрони, одержала назву донорної, а напівпровідники з донорною домішкою називають електронними , або напівпровідниками типу. Домішки змінюють і енергетичну схему електронних рівнів кристала. Між валентною зоною і зоною провідності виникають енергетичні рівні електронів домішки.

Рівні акцептора розміщуються поблизу валентної зони, а рівні донора поблизу зони провідності (рис.2,3). Тоді з рівнів донора електронам домішки легше перейти у зону провідності, ніж електронам основної речовини з валентної зони (тому що енергія, необхідна для переходу .

Рис. 4

Напівпровідник типу буде мати електронну провідність (електрони будуть основними носіями , а дірки - неосновними). У напівпровіднику типу (домішка акцептор) електронам з валентної зони легше перейти на незаповнені ріши акцепторної тому у валентній зоні з'являться дірки, тобто виникне діркова провідність (дірки - основні носії , електрони - неосновні) . Контакт двох напівпровідників з провідністю різного типу має різний опір у залежності від напрямку протікання струму. Струм легко проходить в одному напрямку і майже не проходить у зворотному, тобто має місце так звана уніполярна провідність. Такий контакт називається перехід і має вольтамперну характеристику (ВАХ), що зображена на рис. 4,ж .

У відсутності напруги на структурі ( , рис. 4,б) електрони будуть дифундувати з напівпровідника типу , де їх більшість , в напівпровідник типу . При цьому прилегла до переходу частина напівпровідника типу набуває позитивний заряд, тому що в ній залишається неском-пенсований позитивний заряд нерухомих донорів. До такого ж ефекту приведе й дифузія дірок з в область . Цей процес приводить до того , що прилегла до межі область типу буде заряджатися негативно (тому що залишається нескомпенсований негативний заряд нерухомих акцепторів). Таким чином, поблизу переходу утворюється подвійний заряджений шар.

На електрон, який потрапив у цей шар , буде діяти сила, яка прагне виштовхнути електрон назад у область. А дірку, яка потрапила у подвійний шар, електричне поле навпаки, буде прагнути виштовхнути в область. Наявність подвійного шару еквівалентна існуванню енергетичного (потенціального) бар'єра (рис. 4,д). Висота цього бар'єру при дорівнює ширині забороненої зони . Подвійний заряджений шар заважає проходженню основних носіїв (електронів з в область, а дірок -з в область). Для неосновних носіїв перешкод проходженню в і іншу область не має. Електрони, рухаючись з області та дірки з області, створюють невеликий струм струм насичення , рис.4,б). Загальний струм скрізь перехід дорівнює нулю (точка 0 на ВАХ, рис.4,ж) дому що струм насичення повністю компенсується струмом «гарячих» носіїв , тобто основних носіїв у яких енергія більше висоти бар'єра.

Якщо подати на структуру негативну напругу (зворотне зміщення) , бар'єр починає зростати (рис. 4 а,г). Однаковість струму насичення та прямого струму «гарячих» електронів порушується і починається зростання зворотного струму. Досить дуже невеликої зворотної напруги, щоб практично повністю стримати зустрічний струму насичення потік «гарячих» основних носіїв, а на струм насичення (тобто, потік неосновних носіїв) напруга не впливає (ділянка ОА ВАХ, рис.4ж). Якщо на структуру подати позитивну напругу (рис.4в), то висота бар'єра знижується . Електрони , які уже не затримуються полем бар'єра вриваються (інжектуються) в область, а дірки - в область діода. Слабкий зворотній струм насичення вже не може компенсувати великий потік основних носіїв і прямий струм різко зростає (ділянка ОВ ВАХ, рис.4ж).

Таким чином , структура має уніполярну (однобічну) провідність, оскільки . Це дозволяє на її основі створювати напівпровідникові випрямляючі діоди. Відношення зміни прямого струму до зміни зворотного при однаковій зміні прямої і зворотної напруги на діоді, називається коефіцієнтом випрямлення и .

Для виготовлення площинного германієвого діода до пластини германію з електронною провідністю типу з однієї сторони домішують кульку індію з дірковою провідністю типу, а з іншої - кульку олова , яке потрібне для ввімкнення діода у електричне коло (рис. 5). При зварюванні індій дифундує в германій і на деякій глибині утворюється перехід. Германієві діоди мають прямий струм до 1 А, а зворотній декілька мікроампер.