Теоретичні дані

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.

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.

Зоною 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 ва лентних 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.

При 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 .

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.

Дата добавления: 2015-05-24