Использование полупроводникового диода для измерения е полупроводника

Основой любого полупроводникового диода является р-n- переход. который образуется при контакте двух полупроводников n- и p-типа.

Электронная (n-типа) проводимость образуется при введении в собственный полупроводник донорной примеси. Донорами являются атомы пятой группы таблицы Менделеева (например, доноры для ПП Ge – Р, As, Sb). Уровень энергии, соответствующей донорной примеси (Е_d), лежит в запрещенной зоне «ниже» Е_с на 0,01 эВ для германия и на 0,05 эВ для кремния (рис. 6.2). Поэтому уже при комнатных температурах все доноры будут ионизированы, т.е. «лишние» электроны атомов донорной примеси перейдут в зону проводимости. Концентрация электронов (n_e) в зоне проводимости примерно равна концентрации атомов примеси. Электроны для полупроводника n-типа – основные носители заряда. Ионизированные атомы-доноры становятся положительными ионами.

Положение уровня Ферми (Е_F) определяется температурой (Т) и концентрацией атомов донорной примеси. О качественной зависимости положения Е_F от температуры для полупроводника n-типа можно судить по диаграмме, (рис. 6.2). При 50% ионизации примесных атомов Е_F совпадает с E_d, при 100% ионизации Е_F расположен «ниже» E_d примерно на величину, равную Е_с – E_d, т.е. на 0,02 эВ для германия. Это состояние и соответствует примерно комнатным температурам.

При увеличении температуры выше 40–50С (для Ge) начинается интенсивный переход электронов из валентной зоны в зону проводимости. При этом концентрация электронов в зоне проводимости резко возрастает, но на столько же возрастает и концентрация дырок в валентной зоне. Когда Е_F достигнет середины запрещенной зоны, происходит компенсация типа проводимости – примесный полупроводник становится похожим на собственный: n_e = n_p. Для Ge это происходит при Т = 150С.

Дырочная проводимость (или проводимость p-типа) образуется при введении в полупроводник акцепторной примеси. Акцепторная примесь – атомы трехвалентных элементов, например для Ge – Al, Zn, Ga. На зонной диаграмме уровень энергии акцепторов (Е_А) находится тоже внутри запрещенной зоны, но вблизи потолка валентной зоны.

Для большинства акцепторов в Ge разность Е_А – Е_V = 0,01 эВ. Вследствие малости этой энергии акцепторы при комнатных температурах будут все ионизированы, что соответствует положению уровня Ферми в легированных полупроводниках вблизи верхней границы валентной зоны в зависимости от температуры.

Е_d – Энергетический уровень Е_A - Энергетический уровень

донорной примеси акцситорной примеси

Рис. 6.2. Зонная диаграмма примесного полупроводника

При переходе электронов из валентной зоны на акцепторный уровень (акцепторы при этом превращаются в отрицательные ионы) в валентной зоне образуются дырки, концентрация их примерно равна концентрации акцепторов: n_p = n_A. Дырки являются основными носителями заряда для полупроводника р-типа. При комнатных температурах в зоне проводимости имеется небольшое число электронов, попавших туда из валентной зоны. Электроны для полупроводника р-типа – неосновные носители.

Положение Е_F в полупроводнике р-типа изменяется в зависимости от температуры совершенно так же, как и в полупроводнике n-типа. И все остальные рассуждения, связанные с изменением положения Е_F, аналогичны приведенным выше для n-типа.

Итак, независимо от типа проводимости германиевого полупроводника, при комнатных температурах интервал энергий Е_F – Е_V (для n-типа) или Е_С – Е_F (для р-типа) всего на 0,02 эВ меньше ширины запрещенной зоны полупроводника Е. Это обстоятельство позволяет использовать стандартные Ge-диоды для определения Е.

p-n-переход образуется при соединении полупроводников р- и n-типа. Вблизи границы контакта на длине свободного пробега электроны и дырки, встречаясь друг с другом, рекомбинируют. Оставшиеся нескомпенсированными ионы примеси (положительные в n-типе) и отрицательные в p-типе образуют область пространственного заряда (ОПЗ), которая своим электрическим полем препятствует диффузии основных носителей: дырок из р-области, электронов из n-области (условия равновесия).

Состояние динамического равновесия характеризуется тем, что уровень Ферми будет одинаков для p- и n-областей, как это показано на рис. 6.3, а.

В состоянии равновесия электроны в зоне проводимости полупроводников p- и n-типа имеют разную энергию, и чтобы электрону из n-области перейти в p-область, ему необходимо преодолеть потенциальный барьер Е_ПБ. Именно высота этого барьера и определяет состояние равновесия.

При прямом включении высота потенциального барьера Е_ПБ становится меньше (рис. 6.3, б) (так как поле источника и поле перехода Е_п направлены противоположно, результирующее поле уменьшается).

При обратном включении поле источника и поле перехода Е_n суммируются и высота потенциального барьера возрастает, (рис. 6.3, в). Обратный ток диода на один-два порядка меньше прямого тока и его легко замерить.

Рис. 6.3. Уровень Ферми в полупроводниках различного типа

Если на торцы p-иn-областей нанести металлизированные слои и к ним припаять выводы для подключения внешнего источника питания, то получается полупроводниковый диод (рис. 6.4), у которогоp-область называется анодом, аn-область – катодом.

Внешний источник к диоду можно подключить двумя способами:

1. «Плюс» источника к аноду, а «минус» к катоду – это прямое включение.

2. «Минус» к аноду, а «плюс» к катоду – это обратное включение.

Рис. 6.4. Стандартное изображение диода

Неосновные носители в легированных полупроводниках появляются лишь при переходе электронов из валентной зоны в зону проводимости. Вероятность такого перехода пропорциональна дляр-области; для n-области  . Поскольку величины (Е_С – Е_F) и (Е_F – E_V) в соответствующих областях мало отличаются от Е (для германия не более чем на 0,02 эВ), то используя (6.1) можно записать обратный ток диода:

(6.4)

где I₀ – постоянная для данного диода.

Примечание. Выражение (6.4) справедливо для резких р-n-переходов при небольшом запирающем напряжении, когда генерацией носителей заряда в области перехода можно пренебречь.