МИНИСТЕРСТВООБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
БАШКИРСКИЙГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
Математическийфакультет
Лабораторнаяработа №5
Изучениеэлектрических свойств p-nперехода
Выполнила:студентка гр. 47а
НигматьяноваВ. Д.
Проверила:
СагдаткирееваМ. Б.
Уфа– 2010
Изучение свойств p-nперехода
Приборы ипринадлежности: измерительное устройство, объекты исследования (диоды).
Цель работы: 1) Изучение свойств p-n перехода.
2)Получение вольтампернойхарактеристики.
3)Получение вольтфараднойхарактеристики.
4)Определениеконцентрации примеси.
Краткая теория.
Полупроводники могутиметь два типа примесной проводимости: электронную (n-тип), обусловленную донорными примесями, и дырочную (p-тип), обусловленную акцепторнымипримесями. В n-полупроводнике основные носителизаряда – электроны, а в p-полупроводнике-дырки.Кроме основных носителей заряда в каждом веществе в значительно меньшемколичестве содержатся и неосновные носители заряда противоположного знака. Онивозникают за счет разрушения ковалентных связей.
Граница соприкосновениядвух полупроводников, один из которых имеет электронную, а другой – дырочнуюпроводимость, называется p-n переходом. Практически p-n переход создается не механическим контактом двухполупроводников, а внесением донорных и акцепторных примесей в различные частичистого полупроводника. Эти переходы являются основной большинства современныхполупроводниковых приборов.
По своему характеру p-n переходы бывают резкие и плавные, симметричные инесимметричные. В резких p-n переходах концентрация доноров иакцепторов меняются скачкообразно на границе раздела. В симметричных p-n переходах концентрация основных носителей по обе стороны переходаравны, в несимметричных – резко различаются.
Рассмотрим резкий p-n переход (рис 1), в котором концентрация дозорной NDи акцепторной NA примесной изменяются скачком награнице раздела. Будем считать, что переход является несимметричным, например NA>ND. Обозначим концентрацию основных носителейв p-n области через pp, в n- области через nn, а концентрацию неосновных носителейсоответственно через np и pnсоответственно. При комнатной температуреобычно 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 термодинамическоеравновесия концентрации основных и неосновных носителей связаны законом действующихмасс:
/> (1)
где /> — концентрация собственныхносителей тока.
Электроны из n-области, где их концентрация вышебудут диффундировать в p-область.Диффузия дырок будет происходить в обратном направлении. За счет ухода дырок вслое p- области, примыкающем к границераздела появится отрицательный объёмный заряд, обусловленный некомпенсированнымиотрицательными ионами акцепторной примеси. Аналогично диффузия электронов из n- и p- область будет сопровождаться образованием положительногозаряда 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, направленныйпротивоположно диффузионному току. При равновесии дифузинный и дрейфовый токираны 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 сэнергией E определяется формулой квантогораспределения Ферми-Дирака
/> (2)
Следовательно уровеньФерми можно определить как уровень, вероятность заполнения которого равна 1/2.
Энергетическая диаграмма p-n перехода в условиях равновесия приведена на рис 2.
/>
Рис 2. Энергетическаядиаграммы p-n перехода в условиях равновесия.
Величина контактнойразности потенциалов /> на переходебудет равна
/>
где e- заряд электрона.
/>
Рис 3. Запирающеевключение внешнего поля.
Высота потенциальногобарьера p-n перехода определяется отношением концентраций однотипныхносителей на границах перехода и тем выше, чем сильнее легированыполупроводники. Ее максимальное значение определяется шириной запрещенной зоныполупроводникив
/> (4)
Если приложить кполупроводнику внешнее поле, направление которого совпадает с полем контактногослоя, основные носители тока уходят от границы p-n перехода. Врезультате запирающий слой расширяется и его сопротивление возрастает. Ток вполупроводике создается за счет неосновных носителей и практически отсутствуютТакое включение называется обратным или запирающим(Рис.3).
Если внешнее поленаправлено в противоположную сторону, то оно вызывает движение носителейнавстречу друг другу к границе прехеода. В этой области они рекомендуют, ширинаконтактного 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 прямомувключению, а V
Таким образом, p-n переход обладает односторонней проводимостью. В прямомвключении сила тока быстро возрастает с ростом напряжения носителями и резковозрастает при электрическом пробое.
На Рис.6 представленавольтамперная характеристика (ВАХ) p-n- перехода.
/>
Рис6 Вольтампернаяхарактеристика p-n перехода
Когда к n-облети присоединяют положительныйполюс источника, p-n переход пропускают только малый токнеосновных носителей. Лишь при очень большом напряжении сила тока резковозрастает, что обусловлено электрическим пробоем перехода(обратноенаправление, левая ветвь ВАХ).
При включении в цепьпеременного тока p-n переходы действуют как выпрямители.
Устройство в цепьпременного тока p-n переход, называется полупроводниковым(кристаллическим)диодом. Условное обозначение полупроводникового диода(рис 7).
/>
Рис7 Условное обозначениеполупроводникового диода
Простейшие схемывыпрямления переменного тока показаны на рис8. Им соответсвует графикизависимости />(силы тока через нагрузку R от времени) на рис9.
/> /> />
Рис8. Схемы простейшихвыпрямителей на полупроводниковых диодах
Вследствии одностороннейпроводимости полупроводникового диода ток в нагрузочном сопротивлении R(Рис8 а) протекает только в теполупериоды, когда p-n переход работает в пропускномнаправлении.
Для уменьшения пульсациив схему на рис8б включен сглаживающтй фильтр, представляющий собой конденсаторемкостью С, включен параллельно нагрузке R.
От приложенногонапряжения зависит не только проводимостью но и электрическая емкость p-n перехода.
Для барьерной емкостирезкого симметричного p-n перехода имеем:
/>
Для резкогонесимметричного перехода при NA>>ND
/>
На рис 10 приведеназависимость /> от напряжения(вольтфарадная характеристика) для резкого p-n перехода. При V>0 емкость резко возрастает, однаков этом случае расчеты барьерной емкости, проведенные для объединенногоперехода, не совсем адекватны.
/>
Рис 10 Вольтфараднаяхарактеристика p-n перехода.
/>
Рис11 Определениеконцентрации примесей по вольтфарадной характеристике.
По характеру зависимости C=f(V) на основевыражения10 можно судить также о распределении примесей на p-n переходе.
/> (11)
/>
Ход работы
Схема КД 521.
Значения напряжения и токадля 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 даннымпостроили вольтамперную характеристику диода, используя программу EXCEL из Microsoft Office.
Построим линию тренда дляпрямой ветви ВАХ и получим уравнение этой линии для всех типов диодов.
/>
/>; />=0.124
/>
/>
Схема КД 226. N U, B A,mkA
/>
/> 1 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 4.268 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 ВАХнаглядно показывают что p-n переход обладает одностороннейпроводимостью. В прямом включении сила тока быстро возрастает с ростомнапряжения.
Для КД 521 линия трендаимеет уравнение y = 18,172x — 7,8998.
Для КД 226 линия трендаимеет уравнение y = 28,331x — 11,382
Для ПД линия тренда имеетуравнение y = 29,444x — 6,7965