Изучение электрических свойств p-n перехода
МИНИСТЕРСТВО
ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
БАШКИРСКИЙ
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
Математический
факультет
Лабораторная
работа №5
Изучение
электрических свойств p-n
перехода
Выполнила:
студентка гр. 47а
Нигматьянова
В. Д.
Проверила:
Сагдаткиреева
М. Б.
Уфа
– 2010
Изучение свойств p-n перехода
Приборы и
принадлежности: измерительное устройство, объекты исследования (диоды).
Цель работы: 1) Изучение свойств p-n перехода.
2)Получение вольтамперной
характеристики.
3)Получение вольтфарадной
характеристики.
4)Определение
концентрации примеси.
Краткая теория.
Полупроводники могут
иметь два типа примесной проводимости: электронную (n-тип), обусловленную донорными примесями, и дырочную (p-тип), обусловленную акцепторными
примесями. В n-полупроводнике основные носители
заряда – электроны, а в p-полупроводнике-дырки.
Кроме основных носителей заряда в каждом веществе в значительно меньшем
количестве содержатся и неосновные носители заряда противоположного знака. Они
возникают за счет разрушения ковалентных связей.
Граница соприкосновения
двух полупроводников, один из которых имеет электронную, а другой – дырочную
проводимость, называется p-n переходом. Практически p-n переход создается не механическим контактом двух
полупроводников, а внесением донорных и акцепторных примесей в различные части
чистого полупроводника. Эти переходы являются основной большинства современных
полупроводниковых приборов.
По своему характеру p-n переходы бывают резкие и плавные, симметричные и
несимметричные. В резких p-n переходах концентрация доноров и
акцепторов меняются скачкообразно на границе раздела. В симметричных p-n переходах концентрация основных носителей по обе стороны перехода
равны, в несимметричных – резко различаются.
Рассмотрим резкий p-n переход (рис 1), в котором концентрация дозорной ND и акцепторной NA примесной изменяются скачком на
границе раздела. Будем считать, что переход является несимметричным, например NA>ND. Обозначим концентрацию основных носителей
в p-n области через pp, в n- области через nn, а концентрацию неосновных носителей
соответственно через np и pn соответственно. При комнатной температуре
обычно все примесные уровни ионизованы, тогда справедливо pp=NA и nn=ND.
а)
б)
Рис 1. Структура p-n перехода (а), распределение примесной (б)
В состоянии термодинамическое
равновесия концентрации основных и неосновных носителей связаны законом действующих
масс:
(1)
где - концентрация собственных носителей
тока.
Электроны из n-области, где их концентрация выше
будут диффундировать в p-область.
Диффузия дырок будет происходить в обратном направлении. За счет ухода дырок в
слое p- области, примыкающем к границе
раздела появится отрицательный объёмный заряд, обусловленный некомпенсированными
отрицательными ионами акцепторной примеси. Аналогично диффузия электронов из n- и p- область будет сопровождаться образованием положительного
заряда ионами донорной примеси в n-области.
Наличие заряда в приконтактной облети вызывает появление электрического поля.
Следовательного, на границе раздела имеется разность потенциалов , называемая контактной. Это поле
называется дрейфовый ток неосновных носителей, направленный противоположно
диффузионному току. При равновесии дифузинный и дрейфовый токи раны друг другу
по величине. Физическим условием равновесия p-n перехода
являются постоянство уровня Ферми для системы.
Уровнем Ферми называется энергия уровня, отделяющего
занятые уровни от свободных. Среднее число электронов на уровне с энергией E определяется формулой квантого
распределения Ферми-Дирака
(2)
Следовательно уровень
Ферми можно определить как уровень, вероятность заполнения которого равна 1/2.
Энергетическая диаграмма p-n перехода в условиях равновесия приведена на рис 2.
Рис 2. Энергетическая
диаграммы p-n перехода в условиях равновесия.
Величина контактной
разности потенциалов на переходе будет равна
где e- заряд электрона.
Рис 3. Запирающее
включение внешнего поля.
Высота потенциального
барьера p-n перехода определяется отношением концентраций однотипных
носителей на границах перехода и тем выше, чем сильнее легированы
полупроводники. Ее максимальное значение определяется шириной запрещенной зоны
полупроводникив
(4)
Если приложить к
полупроводнику внешнее поле, направление которого совпадает с полем контактного
слоя, основные носители тока уходят от границы p-n перехода. В
результате запирающий слой расширяется и его сопротивление возрастает. Ток в
полупроводике создается за счет неосновных носителей и практически отсутствуют
Такое включение называется обратным или запирающим(Рис.3).
Если внешнее поле
направлено в противоположную сторону, то оно вызывает движение носителей
навстречу друг другу к границе прехеода. В этой области они рекомендуют, ширина
контактного слоя и его сопротивление уменьшается. В цепи возникает прямой ток,
созданный основными носителями.
Рис.4. прямое включение p-n перехода
Ширина p-n перехода при приложенном внешнем поле описывается выражением
, (5)
где V>0 соответствует прямому
включению, а V<0 – обратному. Отсюда следует,
что при прямом включении ширина перехода уменьшается, а при обратном –
увеличивается.
Таким образом, p-n переход обладает односторонней проводимостью. В прямом
включении сила тока быстро возрастает с ростом напряжения носителями и резко
возрастает при электрическом пробое.
На Рис.6 представлена
вольтамперная характеристика (ВАХ) p-n- перехода.
Рис6 Вольтамперная
характеристика p-n перехода
Когда к n-облети присоединяют положительный
полюс источника, p-n переход пропускают только малый ток
неосновных носителей. Лишь при очень большом напряжении сила тока резко
возрастает, что обусловлено электрическим пробоем перехода(обратное
направление, левая ветвь ВАХ).
При включении в цепь
переменного тока p-n переходы действуют как выпрямители.
Устройство в цепь
пременного тока p-n переход, называется полупроводниковым(кристаллическим)
диодом. Условное обозначение полупроводникового диода(рис 7).
Рис7 Условное обозначение
полупроводникового диода
Простейшие схемы
выпрямления переменного тока показаны на рис8. Им соответсвует графики
зависимости (силы тока через нагрузку R от времени) на рис9.
Рис8. Схемы простейших
выпрямителей на полупроводниковых диодах
Вследствии односторонней
проводимости полупроводникового диода ток в нагрузочном сопротивлении R(Рис8 а) протекает только в те
полупериоды, когда p-n переход работает в пропускном
направлении.
Для уменьшения пульсации
в схему на рис8б включен сглаживающтй фильтр, представляющий собой конденсатор
емкостью С, включен параллельно нагрузке R.
От приложенного
напряжения зависит не только проводимостью но и электрическая емкость p-n перехода.
Для барьерной емкости
резкого симметричного p-n перехода имеем:
Для резкого
несимметричного перехода при NA>>ND
На рис 10 приведена
зависимость от напряжения (вольтфарадная
характеристика) для резкого p-n перехода. При V>0 емкость резко возрастает, однако
в этом случае расчеты барьерной емкости, проведенные для объединенного
перехода, не совсем адекватны.
Рис 10 Вольтфарадная
характеристика p-n перехода.
Рис11 Определение
концентрации примесей по вольтфарадной характеристике.
По характеру зависимости C=f(V) на основе
выражения10 можно судить также о распределении примесей на p-n переходе.
(11)
Ход работы
Схема КД 521.
Значения напряжения и тока
для прямого режима.
N
|
U, B
|
A,mkA
|
|
|
1
|
0.35
|
0.001
|
1.641
|
2.692
|
2
|
0,40
|
0.014
|
1.628
|
1.276
|
3
|
0.45
|
0.047
|
1.595
|
2.544
|
4
|
0.50
|
0.151
|
1.491
|
2.223
|
5
|
0.55
|
0.412
|
1.230
|
1.512
|
6
|
0.60
|
1.370
|
0.272
|
0.074
|
7
|
0.65
|
2.870
|
1.228
|
1.507
|
8
|
0.70
|
8.260
|
6.610
|
43.790
|
|
|
1.642
|
|
6.952
|
По полученным данным
построили вольтамперную характеристику диода, используя программу EXCEL из Microsoft Office.
Построим линию тренда для
прямой ветви ВАХ и получим уравнение этой линии для всех типов диодов.
; =0.124
Схема КД 226.
N
|
U, B
|
A,mkA
|
|
|
0.35
|
0.023
|
2.051
|
4.210
|
2
|
0,40
|
0.090
|
1.984
|
2.936
|
3
|
0.45
|
0.306
|
1.768
|
3.125
|
4
|
0.50
|
1.060
|
1.014
|
1.028
|
5
|
0.55
|
2.820
|
0.745
|
0.555
|
6
|
0.60
|
8.150
|
6.075
|
36.905
|
|
|
2.075
|
|
8.126
|
Линия тренда.
; =0.271.
=12.56;
Схема ПД.
N
|
U, B
|
A,mkA
|
|
|
1
|
0.20
|
0.392
|
1.202
|
1.444
|
2
|
0,25
|
0.791
|
0.803
|
0.645
|
3
|
0.30
|
1.400
|
0.194
|
0.037
|
4
|
0.35
|
2.330
|
0.736
|
0.541
|
5
|
0.40
|
3.660
|
2.066
|
6
|
0.45
|
6.250
|
4.656
|
21.678
|
7
|
0.50
|
9.740
|
8.145
|
66.341
|
|
|
1.594
|
|
13.472
|
Линия тренда
; =0.320
Вывод: Полученные ВАХ
наглядно показывают что p-n переход обладает односторонней
проводимостью. В прямом включении сила тока быстро возрастает с ростом
напряжения.
Для КД 521 линия тренда
имеет уравнение y = 18,172x - 7,8998.
Для КД 226 линия тренда
имеет уравнение y = 28,331x - 11,382
Для ПД линия тренда имеет
уравнение y = 29,444x - 6,7965