Введение. Определение длины диффузии

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЫПРЯМИТЕЛЬНЫХ ПЛОСКОСТНЫХ ДИОДОВ

Определение длины диффузии

1. Выключить ключом К тянущее напряжение, снять зависимость пе­ременного сигнала от положения зонда.

2. Проверить справедливость выражения (3.42), построив зависимость в соответствующих координатах. Определить из графика длину диффузии.

3. Воспользовавшись найденными значениями подвижности, време­ни жизни и длины диффузии, проверить выполнимость соотношения Эйнштейна.

4. Объяснить полученные результаты.

Литература

1. Ю.А. Байков, В.М. Кузнецов “Физика конденсированного состояния” М, Бином, 2011.

2. Г.И. Епифанов “Физика твёрдого тела” СП. б. Лань. 2009.

3. В.Л. Матухин, В.Л. Ермаков “ Физика твёрдого тела ” СП. б. Лань. 2009.

Целью работы является исследование вольт-амперных характеристик германиевого и кремниевого выпрямительных плоскостных диодов при различных температурах, экспериментальная проверка основных закономерностей теории выпрямления р-n-перехода, определение ширины запрещенной зоны.

Основой большинства полупроводниковых диодов является р-n-переход, который представляет собой переходный слой меду двумя областями полупроводника с разной электропроводимостью и в котором существует диффузное электрическое поле.

Рассмотрим р-n-переход с однородным распределением примесей в р- и n-областях, называемый резким р-n-переходом. Из-за наличия градиента концентрации носителей заряда возникает их диффузия в области с противоположным типом электропроводимости: электроны перемещаются из n-области в р-область, а дырки - в обратном направлении. В результате диффузии носителей заряда нарушается электрическая нейтральность примыкающих к границе раздела частей полупроводника. В р-области, вследствие ухода из нее дырок, остается нескомпенсированной отрицательный заряд ионов акцепторной примеси, а в n-области - нескомпенсированный положительный заряд ионов донорной примеси. Образующаяся при этом обедненная свободными носителями область двойного объемного заряда называется запирающим слоем. Ширина этого слоя зависит от концентрации примесей - чем больше концентрация, тем тоньше слой объемного заряда. Наличие объемного заряда в приконтактной области вызывает появление электрического поля, направленного от n-области в р-области и называемого диффузным. Это поле препятствует дальнейшей диффузии основных носителей заряда через границу раздела, однако вызывает ток неосновных носителей, который направлен противоположно диффузионному току. В состоянии термодинамического равновесия результирующий ток через переход равен нулю и между р- и n-областями перехода устанавливается некоторая разность потенциалов, которую называют контактной

(4.1)

где - концентрации основных, а - концентрации неосновных носителей заряда в равновесном состоянии, -тепловой потенциал.

Распределение концентрации примесей и носителей тока, плотности объемного заряда, электрического поля, потенциала и энергетическая диаграмма р-n-перехода приведены на рис.4.1.

Если к p-n-переходу приложено внешнее напряжение, то термодинамическое равновесие нарушается и сумма токов, протекающих через него, уже не остается равной нулю.

При подаче прямого напряжения (к р-области подключен положительный полюс источника) высота потенциального барьера понижается, что приводит к резкому возрастанию диффузного тока основных носителей заряда, который растет экспоненциально с уменьшением высоты потенциального барьера, т.е. с ростом приложенного внешнего напряжения.

При подаче обратного напряжения (минус источника подключен к р-области) увеличивается высота потенциального барьера, диффузионный ток также резко падает, переход основных носителей через границу раздела становится практически невозможным. Ток в этом случае обусловлен только неосновными носителями, а поскольку число этих носителей относительно невелико, то и обратный ток через переход будет невелик по сравнению с прямыми токами. Таким образом, р-n-переход обладает несимметричной вольтамперной характеристикой.

(4.2)

Выражение для ВАХ р-n-перехода имеет вид

где - ток насыщения, определяемый физическими свойствами полупроводника, из которого изготовлен р-n-переход;

U - приложенное к p-n-переходу напряжение.

С увеличением температуры прямые токи выпрямительных диодов растут вследствие уменьшения высоты потенциального барьера и перераспределения носителей заряда по энергиям.

Наряду с током насыщения, обусловленного генерацией носителей вне области перехода, через обратносмещенный р-n-переход может протекать ток, связанный с генерацией в р-n-переходе. Отличительной особенностью этого тока (I_g) является зависимость его от напряжения. Поскольку ширина перехода увеличивается с ростом напряжения, то возрастает и ток генерации. С увеличением температуры обратные токи выпрямительных диодов растут вследствие увеличения тепловой генерации носителей заряда как в р-n-переходе (I_g), так и в прилегающих к нему областях полупроводника (I_s).

Дата добавления: 2014-11-20