Изучение электрических свойств p-n перехода

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ БАШКИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ Математический факультет Лабораторная работа № 5

Изучение электрических свойств p-n перехода

Выполнила: студентка гр. 47а Нигматьянова В. Д.

Проверила:

Сагдаткиреева М. Б.

Уфа — 2010

Изучение свойств p-n перехода

Приборы и принадлежности: измерительное устройство, объекты исследования (диоды).

Цель работы: 1) Изучение свойств p-n перехода.

2)Получение вольтамперной характеристики.

3)Получение вольтфарадной характеристики.

4)Определение концентрации примеси.

Краткая теория.

Полупроводники могут иметь два типа примесной проводимости: электронную (n-тип), обусловленную донорными примесями, и дырочную (p-тип), обусловленную акцепторными примесями. В n-полупроводнике основные носители заряда — электроны, а в p-полупроводнике-дырки. Кроме основных носителей заряда в каждом веществе в значительно меньшем количестве содержатся и неосновные носители заряда противоположного знака. Они возникают за счет разрушения ковалентных связей.

Граница соприкосновения двух полупроводников, один из которых имеет электронную, а другой — дырочную проводимость, называется p-n переходом. Практически p-n переход создается не механическим контактом двух полупроводников, а внесением донорных и акцепторных примесей в различные части чистого полупроводника. Эти переходы являются основной большинства современных полупроводниковых приборов.

По своему характеру p-n переходы бывают резкие и плавные, симметричные и несимметричные. В резких p-n переходах концентрация доноров и акцепторов меняются скачкообразно на границе раздела. В симметричных p-n переходах концентрация основных носителей по обе стороны перехода равны, в несимметричных — резко различаются.

Рассмотрим резкий p-n переход (рис 1), в котором концентрация дозорной N_D и акцепторной N_A примесной изменяются скачком на границе раздела. Будем считать, что переход является несимметричным, например N_A>N_D. Обозначим концентрацию основных носителей в p-n области через p_p, в nобласти через n_n, а концентрацию неосновных носителей соответственно через n_p и p_n соответственно. При комнатной температуре обычно все примесные уровни ионизованы, тогда справедливо p_p=N_A и n_n=N_D.

а)

б)

Рис 1. Структура p-n перехода (а), распределение примесной (б) В состоянии термодинамическое равновесия концентрации основных и неосновных носителей связаны законом действующих масс:

(1)

где — концентрация собственных носителей тока.

Электроны из n-области, где их концентрация выше будут диффундировать в p-область. Диффузия дырок будет происходить в обратном направлении. За счет ухода дырок в слое pобласти, примыкающем к границе раздела появится отрицательный объёмный заряд, обусловленный некомпенсированными отрицательными ионами акцепторной примеси. Аналогично диффузия электронов из nи pобласть будет сопровождаться образованием положительного заряда ионами донорной примеси в n-области. Наличие заряда в приконтактной облети вызывает появление электрического поля. Следовательного, на границе раздела имеется разность потенциалов, называемая контактной. Это поле называется дрейфовый ток неосновных носителей, направленный противоположно диффузионному току. При равновесии дифузинный и дрейфовый токи раны друг другу по величине. Физическим условием равновесия p-n перехода являются постоянство уровня Ферми для системы.

Уровнем Ферми называется энергия уровня, отделяющего занятые уровни от свободных. Среднее число электронов на уровне с энергией E определяется формулой квантого распределения Ферми-Дирака

(2)

Следовательно уровень Ферми можно определить как уровень, вероятность заполнения которого равна ½.

Энергетическая диаграмма p-n перехода в условиях равновесия приведена на рис 2.

Рис 2. Энергетическая диаграммы p-n перехода в условиях равновесия.

Величина контактной разности потенциалов на переходе будет равна где eзаряд электрона.

Рис 3. Запирающее включение внешнего поля.

Высота потенциального барьера p-n перехода определяется отношением концентраций однотипных носителей на границах перехода и тем выше, чем сильнее легированы полупроводники. Ее максимальное значение определяется шириной запрещенной зоны полупроводникив

(4)

Если приложить к полупроводнику внешнее поле, направление которого совпадает с полем контактного слоя, основные носители тока уходят от границы p-n перехода. В результате запирающий слой расширяется и его сопротивление возрастает. Ток в полупроводике создается за счет неосновных носителей и практически отсутствуют Такое включение называется обратным или запирающим (Рис.3).

Если внешнее поле направлено в противоположную сторону, то оно вызывает движение носителей навстречу друг другу к границе прехеода. В этой области они рекомендуют, ширина контактного слоя и его сопротивление уменьшается. В цепи возникает прямой ток, созданный основными носителями.

Рис. 4. прямое включение p-n перехода Ширина p-n перехода при приложенном внешнем поле описывается выражением

(5)

где V>0 соответствует прямому включению, а V<0 — обратному. Отсюда следует, что при прямом включении ширина перехода уменьшается, а при обратном — увеличивается.

Таким образом, p-n переход обладает односторонней проводимостью. В прямом включении сила тока быстро возрастает с ростом напряжения носителями и резко возрастает при электрическом пробое.

На Рис. 6 представлена вольтамперная характеристика (ВАХ) p-nперехода.

Рис6 Вольтамперная характеристика p-n перехода Когда к n-облети присоединяют положительный полюс источника, p-n переход пропускают только малый ток неосновных носителей. Лишь при очень большом напряжении сила тока резко возрастает, что обусловлено электрическим пробоем перехода (обратное направление, левая ветвь ВАХ).

При включении в цепь переменного тока p-n переходы действуют как выпрямители.

Устройство в цепь пременного тока p-n переход, называется полупроводниковым (кристаллическим) диодом. Условное обозначение полупроводникового диода (рис 7).

Рис7 Условное обозначение полупроводникового диода Простейшие схемы выпрямления переменного тока показаны на рис8. Им соответсвует графики зависимости (силы тока через нагрузку R от времени) на рис9.

Рис8. Схемы простейших выпрямителей на полупроводниковых диодах Вследствии односторонней проводимости полупроводникового диода ток в нагрузочном сопротивлении R (Рис8 а) протекает только в те полупериоды, когда p-n переход работает в пропускном направлении.

Для уменьшения пульсации в схему на рис8б включен сглаживающтй фильтр, представляющий собой конденсатор емкостью С, включен параллельно нагрузке R.

От приложенного напряжения зависит не только проводимостью, но и электрическая емкость p-n перехода.

Для барьерной емкости резкого симметричного p-n перехода имеем:

Для резкого несимметричного перехода при N_A>>N_D

На рис 10 приведена зависимость от напряжения (вольтфарадная характеристика) для резкого p-n перехода. При V>0 емкость резко возрастает, однако в этом случае расчеты барьерной емкости, проведенные для объединенного перехода, не совсем адекватны.

Рис 10 Вольтфарадная характеристика p-n перехода.

Рис11 Определение концентрации примесей по вольтфарадной характеристике.

По характеру зависимости C=f (V) на основе выражения10 можно судить также о распределении примесей на p-n переходе.

(11)

Ход работы

Схема КД 521.

Значения напряжения и тока для прямого режима.

По полученным данным построили вольтамперную характеристику диода, используя программу EXCEL из Microsoft Office.

Построим линию тренда для прямой ветви ВАХ и получим уравнение этой линии для всех типов диодов.

; =0.124

Схема КД 226.

Линия тренда.

; =0.271.

=12.56;

Схема ПД.

Линия тренда

; =0.320

Вывод: Полученные ВАХ наглядно показывают что p-n переход обладает односторонней проводимостью. В прямом включении сила тока быстро возрастает с ростом напряжения.

Для КД 521 линия тренда имеет уравнение y = 18,172x — 7,8998.

Для КД 226 линия тренда имеет уравнение y = 28,331x — 11,382

Для ПД линия тренда имеет уравнение y = 29,444x — 6,7965