- •202-2007 Методические указания
- •1.Теоретическое введение к лабораторным работам по полупроводникам
- •1.1. Образование энергетических зон
- •1.2. Заполнение энергетических зон электронами и электрические свойства твердых тел
- •1.3. Собственные полупроводники
- •1.4. Примесные полупроводники
- •2. Определение энергии активации примеси в полупроводнике
- •2.1 Теоретическое введение
- •2.2 Описание установки
- •3. Исследование вольт - амперной характеристики термосопротивления
- •3.1 Теоретическое введение
- •3.2 Описание установки
- •3.3 Порядок выполнение работы
- •3.4 Теоретический минимум
- •4. Изучение фотопроводимости в полупроводниках
- •4.1 Теоретическое введение
- •4.2 Описание установки
- •4.3 Порядок выполнение работы
- •4.4 Теоретический минимум
- •5.2 Описание установки
- •5.3 Порядок выполнения работы
- •5.4 Теоретический минимум
- •6. Определение закона затухания кристаллофосфора
- •6.1. Теоретическое введение
- •6.2 Описание установки
- •6.3 Порядок выполнения работы
- •6.4 Теоретический минимум
- •394026 Воронеж, Московский просп., 14
4.4 Теоретический минимум
Зонная теория твердых тел. Собственная и примесная проводимость полупроводников. Фотопроводимость полупроводников. Красная граница собственной и примесной фотопроводимости. Фотосопротивления и их характеристики. Светодиод. Излучение светодиодов. Применение светодиодов.
5. ИЗУЧЕНИЕ ВЫПРЯМЛЯЮЩИХ СВОЙСТВ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ДИОДОВ
Лабораторная работа 3.10
Цель работы: снятие вольт - амперной характеристики диода, определение коэффициента выпрямления.
Принадлежности: установка для исследования полупроводниковых диодов.
5.1. Теоретическое введение
Контакт двух примесных полупроводников с различным типом проводимости называют электронно-дырочным переходом, или p-n – переходом. Создаются p-n-переходы методами сплавления, диффузии, эпитаксии и ионного легирования.
Равновесное состояние p-n-перехода.
Пусть внутренней границей раздела двух областей полупроводника с различным типом проводимости является плоскость МN (рис.1,а): слева от нее находится полупроводник p-типа с концентрацией акцепторов NА, справа-полупроводник n-типа с концентрацией доноров NД. Для простоты будем считать, что NА = NД. Энергетическая схема p- и n-областей в момент их мысленного соприкосновения представлена на рис.1,б.
Дляn-области основными носителями являются электроны, для p-области-дырки. Основные носители возникают почти целиком вследствие ионизации донорных и акцепторных примесей. При не слишком низких температурах эти примеси ионизированы практически полностью, вследствие чего концентрацию электронов в n-области можно считать практически равной концентрации донорных атомов NД, а концентрацию дырок в p-области можно считать равной концентрации акцепторных атомов NА.
а) б)
Рис.1.
Помимо основных носителей эти области содержат неосновные носители: n-область – дырки, p-область – электроны. Концентрация неосновных носителей на несколько порядков ниже, чем основных.
Р
Рис.1.
а)
б)
в)
Рис.2.
Объемные заряды простираются в n – область на глубину dn и в p - область на глубину dp (рис.1а.) Между заряженными слоями возникает контактная разность потенциалов, создающая потенциальный барьер, препятствующий переходу электронов из n- в p- область и дырок из p- в n- область. При этом все энергетические уровни, в том числе и уровень Ферми, в n-области понижаются, а в p-области повышаются. Состояние динамического равновесия устанавливается при условии, когда уровни Ферми оказываются на одной высоте (рис.2а). Высота потенциального барьера 0 равна разности уровней Ферми.
В равновесном состоянии через p-n-переход проходят токи основных in и ip и неосновных ins и ips носителей. Полный ток, текущий через равновесный p-n-переход, равен нулю:
i = (in + ip) – (ins + ips) = 0. (1)
Замечательным свойством p-n-перехода, которое лежит в основе работы большинства полупроводниковых приборов, является его способность выпрямлять переменный электрический ток. Рассмотрим это свойство более подробно.
Прямой ток. Приложим к p-n-переходу, находившемуся в равновесии, внешнюю разность потенциалов U в прямом направлении, подключив к p-области положительный полюс источника напряжения, а к n-области – отрицательный (рис.2, б). Эта разность потенциалов вызывает понижение потенциального барьера для основных носителей на величину qU, что приведет к увеличению в eqU/kT раз токов основных носителей in и ip, которые станут соответственно
in = ins eqU/kT, ip = ips eqU/kT . (2)
В то же время токи неосновных носителей ins и ips, величина которых не зависит от потенциального барьера p-n-перехода, остаются неизменными. Поэтому полный ток, текущий через p-n-переход, будет равен
inp = (ins + ips) (eqU/kT- 1) (3)
Этот ток называют прямым, так как он соответствует внешней разности потенциалов U, приложенной в прямом направлении. Прямой ток, обусловленный основными носителями, называют диффузионным.
Обратный ток. Приложим теперь к p-n-переходу внешнюю разность потенциалов U в обратном направлении, подключив к p-области отрицательный полюс источника напряжения, а к n-области – положительный. Под действием этой разности потенциалов потенциальный барьер p-n-перехода повысится на величину qU (рис.2,в), что вызовет уменьшение в eqU/kT раз тока основных носителей
in = ins e-qU/kT, ip = ips e-qU/kT . (4)
Токи неосновных носителей сохраняются прежними. Результирующий обратный ток будет равен
iобр = (ins + ips) (e-qU/kT - 1). (5)
Обратный ток, обусловленный неосновными носителями, называют дрейфовым.
Вольт - амперная характеристика (ВАХ).
Объединяя (3) и (5), получим
i = (ins + ips) (e±qU/kT- 1) (6)
Это соотношение представляет собой уравнение вольт-амперной характеристики (ВАХ) p-n-перехода, выражающее количественную связь между током, текущим через переход, и разностью потенциалов, приложенной к переходу; знак “+” относится к прямому направлению U, знак “-” – к обратному (запорному).
Произведем анализ этой формулы. При приложении внешней разности потенциалов в запорном (обратном) направлении с увеличениемU экспонента e-qU/kT→ 0, а iобр – к предельному значению - (ins + ips), абсолютную величину которого называют током насыщения
iнас= ins + ips. (7)
Практически она достигается
Рис.3
уже при qU ≈ 4kT, т.е. при U ≈0,1 В. Из (7) видно, что iнас определяется потоком через p-n-переход неосновных носителей.
Так как концентрация последних невысокая, то iнас является небольшой величиной.
При приложении к p-n-переходу внешней разности потенциалов U в прямом направлении сила тока через переход растет по экспоненте и уже при незначительных напряжениях достигает большого значения.
Подставляя (7) в (6), получим
i = iнас (e±qU/kT- 1) (8)
На рис.3 показан график вольт - амперной характеристики p-n-перехода, отвечающий уравнению (8). Он вычерчен в разном масштабе для прямой и обратной ветвей, так как в масштабе, в котором нанесен прямой ток, график для обратного тока слился бы с осью абсцисс. Отношение прямого тока к обратному при одном и том же значении напряжения называется коэффициентом выпрямления
k = Iпр /Iобр. (9)
Коэффициент выпрямления может достигать значений 109, что свидетельствует о том, что p-n-переход обладает практически односторонней (униполярной) проводимостью, проявляя высокие выпрямляющие свойства.
С ростом температуры выпрямляющая способность p-n-перехода уменьшается и при некоторой температуре исчезает совсем. Это объясняется тем, что концентрация основных носителей определяется концентрацией примесей и от температуры практически не зависит, а концентрация неосновных носителей резко увеличивается с повышением температуры. Таким образом, при нагревании можно достичь такой температуры, при которой концентрация неосновных носителей станет равной концентрации основных и потенциальный барьер исчезнет.