МУ-Ф-2А (Изучение электронно-дырочного перехода)

1Московский государственный технический университетим. Н.Э.БауманаИ.Н.ФетисовИЗУЧЕНИЕ ЭЛЕКТРОННО-ДЫРОЧНОГО ПЕРЕХОДАМетодические указания к лабораторной работе Ф-2апо курсу общей физики.Под редакцией Л.К.МартинсонаИздательство МГТУ им.Н.Э.Баумана 1999Описаны основные процессы, происходящие в р-н переходе.

Рассмотрены вольтамперныехарактеристики диодов из германия и кремния, их зависимость от ширины запрещенной зоныгермания, работа р-н перехода в качестве приемника света (фотодиода).Для студентов 2-го курса.2ВВЕДЕНИЕОбласть полупроводника, в которой имеется пространственное изменение типапроводимости от электронной (n-типа) к дырочной (p-типа) называется электронно-дырочнымпереходом (ЭДП), или р-n-переходом. ЭДП составляет основу многих полупроводниковыхприборов - диодов, транзисторов, солнечных батарей и т.д.Цель работы - ознакомление с физическими процессами в ЭДП, изучение вольтамперныххарактеристик диодов из германия и кремния и их зависимости от ширины запрещенной зоныполупроводника и температуры, определение ширины запрещенной зоны германия, изучение р-nперехода как приемника света (фотодиода).ЭЛЕКТРОНЫ И ДЫРКИ В ПОЛУПРОВОДНИКАХВ твердом теле атомы находятся друг от друга на расстоянии порядка атомного размера,поэтому в нем валентные электроны могут переходить от одного атома к другому.

Однако этотпроцесс не приводит непосредственно к электропроводности, так как в целом распределениеэлектронной плотности жестко фиксировано, Например, в германии и кремнии два электронаосуществляют ковалентную связь между двумя соседними атомами в кристалле. Чтобы создатьпроводимость, необходимо разорвать хотя бы одну из связей, удалить с нее электрон иперенести его в какую-либо другую ячейку кристалла, где все связи заполнены, и этот электронбудет лишним. Такой электрон в дальнейшем переходит из ячейки в ячейку. Являясь лишним, онпереносит с собой излишний отрицательный заряд, т.е. становится электроном проводимости.Разорванная связь становится блуждающей по кристаллу дыркой, поскольку электронсоседней связи быстро занимает место ушедшего.

Недостаток электрона у одной из связейозначает наличие у пары атомов единичного положительного заряда, который переноситсявместе с дыркой. Электроны и дырки - свободные носители заряда в полупроводниках. Видеальных кристаллах, не имеющих ни примесей, ни дефектов, возбуждение одного из связанныхэлектронов и превращение его в электрон проводимости неизбежно вызывает появление дырки,так что концентрации обоих типов носителей равны между собой.Для образования электронно-дырочной пары необходимо затратить энергию, превышающуюширину запрещенной зоны Еg ,- например, для германия Еg = 0,66 эВ, для кремния Еg = 1,11 эВ(электронвольт равен 1,6-10Дж).

Разрыв электронной связи может происходить за счет тепловойэнергии колебаний атомов в кристалле, энергии электромагнитного излучения или быстрыхзаряженных частиц.С помощью примесей можно целенаправленно изменять тип и значение проводимостиполупроводников. Примеси бывают донорные и акцепторные.Донорные атомы легко отдают электрон, создавая проводимость n-типа. Для германия икремния, валентность которых равна четырем, донорами является фосфор, мышьяк и другиеатомы с пятью валентными электронами. Такой примесный атом замещает атом германия. Приэтом четыре из пяти его валентных электронов образуют с четырьмя соседними атомами германияковалентные связи, а пятый электрон легко отрывается за счет энергии колебаний атомов. Прикомнатной температуре практически все примесные атомы ионизированы, т.е. в полупроводникепоявляются электроны проводимости с концентрацией, зависящей от концентрации примеси.Донорные атомы не образуют дырок, а сами после потери электрона превращаются вположительные ионы, не способные перемещаться по кристаллу.

При определенном количестведонорной примеси электронов проводимости будет много больше, чем дырок. В этомполупроводнике (n-типа) электроны основные носители, а дырки - не основные.Трехвалентные атомы примеси (бор, алюминий и др.) являются акцепторами. Легко захватываяодин из валентных электронов германия, они образуют четыре ковалентные связи с ближайшимиатомами германия. В месте, из которого "ушел" захваченный электрон, образуется дырка.Примесный атом, захвативший лишний электрон, прев- ращается в отрицательный ион.3Акцепторы, порождая дырки, не создают электронов проводимости. В таком материале (р-типа) основными носителями тока будут дырки.Помимо процесса образования электронов и дырок идет обратный процесс - их исчезновение,или рекомбинация.

Электрон проводимости, оказавшись рядом с дыркой, восстанавливаетразорванную связь. При этом исчезает один электрон проводимости и одна дырка. Приотсутствии внешних воздействий, например света, устанавливается динамическое равновесиепроцессов, протекающих в обоих направлениях. Равновесные концентрации электронов и дырокопределяются абсолютной температурой Т, шириной запрещенной зоны Еg, концентрациейпримесей и другими факторами. Однако произведение концентраций электронов и дырок (n и pсоответственно) не зависит от количества примесей и определяется для данного полупроводникатемпературой и величиной Еg:n∙p=А∙ехр∙(-Еg /k∙Т)), (1)где k - постоянная Больцмана; А- коэффициент пропорциональности.Рассмотрим два следствия из Формулы (1). В собственном (беспримесном) полупроводникеодинаковые концентрации электронов и дырок будут равныn=p=А 1/2 ехр(-Еg /(2k∙Т)) .В примесных полупроводниках при достаточно большом количестве примеси концентрацияосновных носителей примерно равна концентрации примеси.

Например, в полупроводнике n-типаконцентрация электронов равна концентрации донорных атомов n=Nd, тогда концентрация дырок(неосновных ноcителей) равнар=(А/Nd)ехр(-Еg/(k∙Т) ) . (2)Формула (2) описывает температурную зависимость концентрации неосновных носителей впримесных полупроводниках.ЭЛЕКТРОННО-ДЫРОЧНЫЙ ПЕРЕХОД В РАВНОВЕСНОМ СОСТОЯНИИВ монокристалле можно создать резкий переход от полупроводника n-типа к полупроводникур-типа. На рис.1а левая от линии ММ часть кристалла, р-типа, содержит основные носители дырки, примерно такое же количество отрицательных акцепторных ионов и незначительноеколичество электронов. Правая часть, n-типа, содержит соответственно электроны проводимости(основные носители), положительные донорные ионы и небольшое количество дырок. Дляпримера положим, что основных носителей в 106 раз больше, чем неосновных.Для большей ясности объяснения допустим, что электронно-дырочный переход получили,прижав пластину n-типа к пластине р-типа.

Вследствие хаотического движения основныеносители устремятся в другую пластину - электроны из n-области в р-область, дырки - в обратномнаправлении. Если бы эти частицы не имели заряда, то произошло бы полное перемешивание.Этому препятствует электрическое поле, возникающее в области контакта. Электроны,перешедшие из n-области в р-область, рекомбинируют с дырками вблизи границы раздела.Аналогично рекомбинируют дырки, перейдя из р-области в n-область.

В результате этого вблизиконтакта практически не остается свободных носителей (электронов и дырок), а тольконеподвижные ионы. Они создают вблизи контакта двойной слой зарядов - слева отрицательных,справа - положительных, как показано на рис. 1а.4Рис. 1Неподвижные заряды создают в р-n-переходе контактное электрическое поле с разностьюпотенциалов Uк порядка одного вольта. На рис.1б кривые изображают зависимость потенциальнойэнергии электронов и дырок от координаты Х (ось Х направлена перпендикулярно плоскостиперехода). Потенциальная энергия электрона, изображенная сплошной линией, выше в р-области;для дырок, заряд которых положительный, энергия выше в n-области (штриховая линия). Высотапотенциального энергетического барьера равна произведению элементарного заряда ( q = 1,6 10-19Кл) на контактную разностьпотенциалов:∆Е = q ∙ Uk .Вне контактной области, где поля нет, свободные частицы движутся хаотично, и количествоих, наталкивающихся за единицу времени на контакт, зависит от его площади, концентрациичастиц и их скорости.