МІНІСТЕРСТВООСВІТИ І НАУКИ РОСІЙСЬКОЇ ФЕДЕРАЦІЇ
БАШКИРСЬКАДЕРЖАВНИЙ УНІВЕРСИТЕТ
Математичнийфакультет
Лабораторнаробота № 5
Вивченняелектричних властивостей p - n переходу
Виконала:студентка гр. 47а
НігматьяноваВ. Д.
Перевірила:
СагдаткірееваМ. Б.
Уфа- 2010
Вивчення властивостей p - n переходу
Прилади йприналежності: вимірювальний пристрій, об'єкти дослідження (діоди).
Мета роботи: 1) Вивчення властивостей pn переходу.
2) Отримання вольтампернойхарактеристики.
3) Одержання вольтфараднойхарактеристики.
4) Визначенняконцентрації домішки.
Коротка теорія.
Напівпровідники можутьмати два типи домішкової провідності: електронну (n-тип), обумовлену донорними домішками, і діркову (p-тип), обумовлену акцепторнимидомішками. В n-напівпровіднику основні носіїзаряду - електрони, а в p-напівпровіднику-дірки.Крім основних носіїв заряду в кожному речовині в значно меншомукількості містяться і неосновні носії заряду протилежного знаку. Вонивиникають за рахунок руйнування ковалентних зв'язків.
Кордон дотикудвох напівпровідників, один з яких має електронну, а інший - дірковупровідність, називається pn переходом. Практично pn перехід створюється не механічним контактом двохнапівпровідників, а внесенням донорних і акцепторних домішок в різні частиничистого напівпровідника. Ці переходи є основною більшості сучаснихнапівпровідникових приладів.
За своїм характером pn переходи бувають різкі і плавні, симетричні інесиметричні. У різких pn переходах концентрація донорів таакцепторів міняються стрибкоподібно на межі розділу. У симетричних pn переходах концентрація основних носіїв по обидві сторони переходурівні, в несиметричних - різко розрізняються.
Розглянемо різкий pn перехід (рис 1), в якому концентрація дозорної N D і акцепторної N A домішкової змінюються стрибком намежі розділу. Будемо вважати, що перехід є несиметричним, наприклад N A > N D . Позначимо концентрацію основних носіївв pn області через p p , в n-області через n n , а концентрацію неосновних носіїввідповідно через n p і p n відповідно. При кімнатній температурізазвичай всі домішкові рівні ионизованного, тоді справедливо p p = N A і n n = N D .
а)
б)
Рис 1. Структура pn переходу (а), розподіл домішкової (б)
У стані термодинамічнарівноваги концентрації основних і неосновних носіїв пов'язані законом діючихмас:
(1)
де - концентрація власнихносіїв струму.
Електрони з n-області, де їх концентрація вищебудуть дифундувати в p-область.Дифузія дірок буде відбуватися у зворотному напрямку. За рахунок відходу дірок вшарі p-області, що примикає до кордонурозділу з'явиться негативний об'ємний заряд, обумовлений некомпенсованиминегативними іонами акцепторної домішки. Аналогічно дифузія електронів з n-і p-область буде супроводжуватися утворенням позитивногозаряду іонами донорної домішки в n-області.Наявність заряду в приконтактной обльоту викликає появу електричного поля.Отже, на межі розділу є різниця потенціалів, яка називається контактної.Це поле називається дрейфовий струм неосновних носіїв, спрямованийпротилежно дифузійному струму. При рівновазі діфузінний і дрейфовий струмирани один одному по величині. Фізичним умовою рівноваги pn переходу є сталість рівня Фермі для системи.
Рівнем Фермі називається енергія рівня,отделяющего зайняті рівні від вільних. Середнє число електронів на рівні зенергією E визначається формулою Квантрозподілу Фермі-Дірака
(2)
Отже рівеньФермі можна визначити як рівень, ймовірність заповнення якого дорівнює 1/2.
Енергетична діаграма pn переходу в умовах рівноваги наведена на рис 2.
Рис 2. Енергетичнадіаграми pn переходу в умовах рівноваги.
Величина контактноїрізниці потенціалів на переходібуде дорівнює
де e-заряд електрона.
Рис 3. Замикаючавключення зовнішнього поля.
Висота потенційногобар'єру pn переходу визначається відношенням концентрацій однотипнихносіїв на кордонах переходу і тим вище, чим сильніше легованінапівпровідники. Її максимальне значення визначається шириною забороненої зонинапівпровідників
(4)
Якщо прикласти донапівпровіднику зовнішнє поле, напрямок якого збігається з полем контактногошару, основні носії струму йдуть від кордону pn переходу. ВВнаслідок замикаючий шар розширюється і його опір зростає. Струм вполупроводіке створюється за рахунок неосновних носіїв і практично відсутніТаке включення називається зворотнім або замикаючим (Рис.3).
Якщо зовнішнє поленаправлено в протилежну сторону, то воно викликає рух носіївназустріч один одному до кордону прехеода. У цій галузі вони рекомендують, ширинаконтактного шару і його опір зменшується. У ланцюзі виникає прямий струм,створений основними носіями.
Рис.4. пряме включення pn переходу
Ширина pn переходу при доданому зовнішньому полі описується виразом
, (5)
де V> 0 відповідає прямомувключенню, а V <0 - зворотного. Звідси випливає,що при прямому включенні ширина переходу зменшується, а при зворотному -збільшується.
Таким чином, pn перехід володіє односторонньою провідністю. У прямомувключенні сила струму швидко зростає зі зростанням напруги носіями і різкозростає при електричному пробої.
На Рис.6 представленавольтамперних характеристика (ВАХ) pn-переходу.
Ріс6 Вольтампернаяхарактеристика pn переходу
Коли до n-обльоту приєднують позитивнийполюс джерела, pn перехід пропускають тільки малий струмнеосновних носіїв. Лише при дуже великій напрузі сила струму різкозростає, що зумовлено електричним пробоєм переходу (зворотненапрямок, ліва гілка ВАХ).
При включенні в ланцюгзмінного струму pn переходи діють як випрямлячі.
Пристрій в ланцюгпременни струму pn перехід, називається напівпровідниковим (кристалічним)діодом. Умовне позначення напівпровідникового діода (рис 7).
Ріс7 Умовне позначеннянапівпровідникового діода
Найпростіші схемивипрямлення змінного струму показані на ріс8. Їм соответсвует графікизалежності (сили струму через навантаження R від часу) на ріс9.
Ріс8. Схеми найпростішихвипрямлячів на напівпровідникових діодах
Вследствии односторонньоїпровідності напівпровідникового діода струм в нагрузочном опорі R (Ріс8 а) протікає тільки в тінапівперіоди, коли pn перехід працює в пропускномунапрямку.
Для зменшення пульсаціїв схему на ріс8б включений сглажівающтй фільтр, являє собою конденсаторємністю С, включений паралельно навантаженні R.
Від прикладеноїнапруги залежить не тільки провідністю але і електрична ємність pn переходу.
Для бар'єрної ємностірізкого симетричного pn переходу маємо:
Для різкогонесиметричного переходу при N A >> N D
На рис 10 наведеназалежність від напруги(Вольтфарадная характеристика) для різкого pn переходу. При V> 0 ємність різко зростає, однакв цьому випадку розрахунки бар'єрної ємності, проведені для об'єднаногопереходу, не зовсім адекватні.
Рис 10 Вольтфараднаяхарактеристика pn переходу.
Ріс11 Визначенняконцентрації домішок по вольтфарадной характеристиці.
За характером залежності C = f (V) на основівираженія10 можна судити також про розподіл домішок на pn переході.
(11)
Хід роботи
Схема КД 521.
Значення напруги та...
