Электронно-дырочный переход и его свойства

Диоды

Теоретические сведения.

Приборы, макеты, программы

Лабораторная работа №1

ПРИМЕР.

Работу выполнил(и): Cтудент(ы) группы	Оценки по БРС

Дата: _______________

Работу принял:

_______________

^{фамилия преподавателя}

Исследование выпрямительного диода и стабилитрона

1. Цель работы: Ознакомление с принципом работы и получение вольт-амперных характеристик выпрямительного диода и стабилитрона.

- Компьютер ACER;

- Программа Multisim 10.

К полупроводникам относят многие химические элементы (кремний, германий, индий, бор, галлий и др.), большинство окислов и сульфидов (закись меди, окись цинка, сульфид галлия и др.), интерметаллические соединения (арсенид галлия, карбид кремния и др.) Применяются полупроводниковые диоды для преобразования переменного напряжения в пульсирующее напряжкние одной полярности.

Удельное электрическое сопротивление полупроводников лежит в широких пределах от 10^-5 до 10^-6 Ом*м. Для сравнения, например металлы при комнатной температуре имеют удельное сопротивление10^-7 Ом*м, а диэлектрики 10¹²/10¹⁴ Ом*м. Основная особенность полупроводников – возрастание удельной электрической проводимости при увеличении температуры. Проводимость полупроводников значительно зависит от внешних воздействий: нагревания, облучения, электрического и магнитного полей, давления, ускорения, а также от содержания даже незначительного количества примесей.

Свойства полупроводников хорошо объясняются с помощью зонной теории твердого тела. Согласно квантовой механике энергия электрона дискретна (прерывиста) или квантована. Вследствие этого электрон может двигаться только по той орбите, которая соответствует его энергии. Значение энергии электрона называют энергетическим уровнем.Энергетические уровни электронов отделены друг от друга запрещенными интервалами. На одинаковых уровнях по принципу запрета Паули не может находиться более двух электроновВ результате воздействия на электрон не только ядра своего атома, но и соседних атомов, энергетические уровни смещаются и расщепляются и образуются энергетические зоны, называемые разрешенными.Расщепление в кристалле уровней, занятых внутренними электронами мало, заметно расщепляются лишь уровни, занимаемые валентными электронами.

Для полупроводников наиболее важной является валентная зона, образованная уровнями энергии валентных электронов невозбужденных атомов (т.е. при отсутствии внешней энергии) и ближайшая к ней разрешенная зона (см. рис.1). Разрешенная зона, в которой при возбуждении могут находиться электроны, называется зоной проводимости, или свободной зоной.

Рис.1.Образование энергетических зон

С точки зрения зонной теории твердого тела деление твердых тел на металлы, полупроводники и диэлектрики производят, исходя из ширины запрещенной зоны и степени заполнения разрешенных энергетических зон.Ширина запрещенной зоны DW называется энергией активизации собственной проводимости. Считают, что при DW £2эВ (электрон–вольт) кристалл является полупроводником, при – DW >2эВ диэлектриком. Определить вероятность нахождения электрона на том или ином энергетическом уровне при данной абсолютной температуре можно с помощью функции Ферми:

(1)

Функция (1) определяет вероятность нахождения электронов на том или ином энергетическом уровне. В уравнении (1) W- энергия данного уровня;k- постоянная Больцмана; T-абсолютная температура; -параметр, называемый уровнем Ферми. Уровень Ферми – это последний заполненный электронами уровень при Т=0⁰К. Из уравнения(1) видно, что если: 1) Т=0⁰К, W< , то F(W)=1; 2) Т=0⁰К, W< , то F(W)=0; 3) T>0 ⁰К, W= , то F(W)=0,5.

Электроны с верхних уровней энергии валентной зоны при получении энергии извне (тепловой, световой и др.) могут переходить на уровни энергии

Таким образом, в валентной зоне перемещение электронов вызывает перемещение в противоположном направлении дырок. При отсутствии внешнего электрического поля электроны, a следовательно и дырки движутся хаотически. Под воздействием внешнего электрического поля движение электронов станет упорядоченным, при этом электроны будут перемещаться против направления электрического зоны проводимости.При уходе электрона в валентной зоне остаются свободные (вакантные) места, называемые дырками. Дырки так же, как и электроны способны «перемещаться» в кристалле, так как появившиеся свободные места могут быть заняты электронами, энергия которых лежит ниже энергии ушедших из валентной зоны электронов и на их месте также появляются дырки. Таким образом, в полупроводнике носителями заряда являются электроны и дырки.Электропроводность собственного полупроводника, возникающая за счет нарушения валентных связей, называется собственной.Процесс образования пары электрон–проводимости дырка проводимости называется генерацией пары носителей заряда.Процесс воссоединения электрона и дырки называется рекомбинацией.Среднее время существования пары носителей заряда называется временем их жизни.Среднее расстояние, которое проходит носитель заряда за время жизни, называется диффузионной длиной носителя заряда (Lp –для дырок, Ln –для электронов).В проводниках с собственной проводимостью уровень Ферми лежит посредине запрещенной зоны (см. рис.2).

Рис. 2 Расположение уровня Ферми

Примесная проводимость.

Если некоторые атомы полупроводника заменить в узлах кристаллической решетки атомами, валентность которых отличается на единицу от валентности основных атомов, возникает тип проводимости, называемый примесным. Примеси, валентность атомов которых выше валентности основных атомов, называются донорными (или донорами), в этом случае электропроводность будет обусловлена в основном электронами их называют основными носителями заряда, а дырки – не основными.Энергетический уровень свободных электронов будет находиться в запрещенной зоне у дна зоны проводимости. Он называется донорным уровнем. Уровень Ферми сместится от середины запрещенной зоны к дну зоны проводимости (см. рис.3А).

А	Б
Wg донорный уровень энергии	Wa акцепторный уровень энергии
DWg энергия ионизации донора	DWa энергия ионизации акцептора

Рис.3 Акценторные и донорные уровни

Примеси, валентность атомов которых ниже валентности основных атомов, называются акцепторными (акцепторами). В этом случае электропроводность будет обусловлена в основном дырками, которые называются основными носителями заряда, а электроны – неосновными.Энергетический уровень свободных дырок будет находиться в запрещенной зоне у потолка валентной зоны, он называется акцепторным уровнем. Уровень Ферми сместится к потолку валентной зоны (см. рис.3Б).

При контакте двух полупроводников с разным типом примесной проводимости (п – и р– типа) на границе раздела образуется область, которую называют электронно–дырочным переходом или р–п переходом.Свойства р–п перехода положены в основу принципа действия подавляющего большинства полупроводниковых приборов. Контакт p-n перехода осуществляется сложными технологическими приемами. Как только произойдет соприкосновение, в каждой области нарушается равенство концентраций ионов примесей и свободных зарядов. Так как в области p концентрация дырок Рр значительно выше концентрации дырок Рn в области n. (Рр>>Рn), а концентрация электронов nн в области n значительно ниже концентрации их в области р, происходит диффузия дырок в область n–типа и электронов в область р– типа.Вследствие ухода дырки из области p в ней образуется не скомпенсированный отрицательный заряд иона акцепторной примеси, а при уходе электрона из области n в ней образуется положительный заряд иона донорной примеси.Часть электронов и дырок, попавших в смежную область может рекомбинировать, что также нарушает равновесие концентраций между свободными носителями заряда и неподвижными ионами примеси.В результате около границы раздела областей создается объемный двойной слой, обедненный основными носителями заряда. Он обдает большим удельным сопротивлением. Его называют запирающий слоем или р–п переходом. Объемные заряды имеют разные знаки и создают электрическое поле р–п перехода. Напряженность этого поля , направлена в сторону от положительно заряженного слоя к отрицательно заряженному слою (см. рис. 4). Для основных носителей каждой области оно является тормозящим, поэтому будет препятствовать дальнейшему диффузионному перемещению через р–п переход основных носителей. Электрическое поле наряду с напряженностью Е характеризуется потенциалом. Разность потенциалов в р–п переходе называют контактной. Величину контактной разности потенциалов называют высотой потенциального барьера. ()

Рис. 4 Электрическое поле p-n перехода

С точки зрения зонной теории твердого тела потенциальный барьер () образуется следующим образом: при контакте полупроводников р- и n–типа образуется единая система, в которой уровень Ферми является общим для областей р– и n –типа (см. рис.5).

-

Рис.5 Величина потенциального барьера p-n-перехода

На границе раздела уровень Ферми проходит через середину запрещенной зоны. Так как в области р–типа уровень Ферми находится недалеко от потолка валентной зоны, а в области n–типа недалеко от дна зоны проводимости, энергетические зоны смещаются относительно друг друга, и в области рn перехода образуется потенциальный барьер, высота которого будет равна:

Dj = DW/q, (2)

где D W – минимальная энергия (эВ), которую нужно сообщить электрону (или дырке), чтобы они могли перейти в смежную область; q – заряд электрона.

Таким образом, все энергетические уровни области р–типа подняты над энергетическими уровнями области n–типа на высоту, численно равную

DW = q ^. Dj_k

Дата добавления: 2015-05-06