МУ-Ф-6А, Ф-6Б (Изучение свойств p-n перехода)

Московский государственный технический Университет им. Н.Э.БауманаС.П. БАБЕНКОИЗУЧЕНИЕ СВОЙСТВ p – n ПЕРЕХОДОВМетодические указания к лабораторной работеФ-6 а,б по курсу общей физикиПод редакцией Л.К. Мартинсона1989г.В работе изучаются выпрямляющие и туннельные свойства p-n переходов, излагаетсятеория этих свойств и описываются экспериментальные методы определения характерных параметров полупроводниковых диодов.

Работа предназначена для студентов в качестве методического указания к выполнению лабораторной работы.Цель работы - ознакомиться с теорией выпрямляющих и туннельных свойств полупроводниковыхдиодов, освоить экспериментальные методы определения некоторых параметров р -n-переходов.Введениер-n-переход образуется на контакте двух полупроводников с различными типами проводимости - электронного и дырочного. Он является основным элементом огромного класса полупроводниковых приборов. Такое широкое применение связано с многообразием ценных для практического использования свойств р-n -перехода.

Ими можно управлять, выбирая параметры полупроводников и меняя технологию изготовления р-n-перехода. Это позволяет наиболее подходящие для выбранной цели свойства делать основными свойствами устройства. В частности, нелинейность активного сопротивления перехода является основным свойством выпрямительных диодов, используемых для преобразования частоты, детектирования, выпрямления и ограничениясигналов.Нелинейным является и реактивное (емкостное) сопротивление р-n -перехода. Это свойство основное для диодов, используемых для генерации гармоник, модуляции и преобразования частоты, усиления СВЧ (сверхвысокочастотных) сигналов (параметрические усилители с малыми шумами), генерации и формирования импульсов.Некоторые p–n -переходы имеют очень широкую область пространственного заряда (сотнимикрометров).

Проводимость таких диодов почти пропорциональна количеству накопленных неосновных носителей. Получающаяся структура накопленного заряда реагирует только на низкиечастоты, что объясняется ее инерционностью. Поэтому такой диод на СВЧ будет представлять собой практически линейное сопротивление, значение которого регулируется внешним постояннымили низкочастотным напряжением. Диоды с управляемым сопротивлением могут успешно использоваться в СВЧ - переключателях, модуляторах СВЧ - мощности и аттенюаторах для управления амплитудой сигналов.Некоторые p–n -переходы имеют на вольт-амперной характеристике (ВАХ) участок с отрицательным сопротивлением (с ростом напряжения уменьшается ток или с ростом тока уменьшаетсянапряжение).

Его возникновение связано с такими физическими явлениями, как туннельный эффект, лавинные и пролетные явления в полупроводниковых структурах, высокочастотные неустойчивости в твердотельной плазме. Устройства с такими p–n -переходами используются в качестве усилителей и генераторов сверхвысоких частот.В данной работе изучаются свойства выпрямительных и туннельных диодов.1Теоретическая часть.Объяснение электропроводимости полупроводников дается квантовой теорией электропроводимости. Решение уравнения Шредингера для электрона, движущегося в потенциальном полекристаллической решётки, приводит к зонной теории. Сущность ее сводится к следующему:1. Совокупность уровней энергии, разрешенных для электронов в кристалле, образует энергетические зоны.

Внутри разрешенных зон уровни располагаются друг относительно друга на расстоянии, значительно меньшем средней энергии теплового движения электронов:∆E ≈ 10-22 эВ.2. Между зонами разрешенных уровней располагаются запрещенные зоны. Ширина запрещенныхзон обычно много больше средней энергии теплового движения электронов.3. С ростом энергии ширина разрешенных зон возрастает, а ширина запрещенных зон уменьшается.4. Электроны заполняют разрешенные зоны, начиная с нижней в соответствии с принципом Паули, и числом возможных состояний в каждой зоне.5.

Последняя (по энергетической шкале) зона, в которой при Т=0 имеются электроны, называетсядля полупроводников валентной. Следующая разрешенная зона называется зоной проводимости.При Т=0 в полупроводниках валентная зона заполнена электронами полностью, а зона проводимости - пустая. При этом ширина запрещенной зоны между валентной и зоной проводимости ∆E=0,7÷ 3 эВ.Электроны полностью заполненных зон на проводимость электрического тока влияния неоказывают. Это объясняется тем, что для участия в токе электрон должен непрерывно менятьэнергию и переходить с одного энергетического уровня на другой, что в заполненной зоне запрещено принципом Паули.Под действием энергии теплового движения часть электронов переходит из валентной зоныв зону проводимости.

Обе зоны становятся частично заполненными электронами. Так как степеньзаполнения их различна, то различны и условия движения электронов в них. Расчёты показывают,что результат движения всех электронов валентной зоны, с точки зрения электропроводности, эквивалентен результату движения в ней положительных зарядов, число которых совпадает с числом вакантных мест в валентной зоне.

Этот положительный заряд получил название "дырка". Условия ее движения при участии в токе близки к условиям движения электрона в зоне проводимости. Поэтому физические характеристики электронов и дырок практически совпадают. При переходе электронов из валентной зоны в зону проводимости образуется равное число носителей обоих знаков (электронов и дырок), участвующих в проводимости.p-n -переход образуется на контакте двух примесных полупроводников - электронного (nтипа) и дырочного (p -типа). Примесными называются такие полупроводники, у которых носители, принимающие участие в проводимости тока, образуются двумя способами:1) за счет перехода электронов из зоны в зону (собственные носители); 2) за счет переходов суровня, обеспечиваемого примесью (в n-типе), или на него (в p -типе).

Примесь, поставляющая взону проводимости электроны, называется донорной; примесь, поставлявшая дырки в валентнуюзону - акцепторной.Е1Е1ЕдЕаЕ2Е2а)б)Рис.12Технологически p–n -переход получают введением акцепторной (донорной) примеси с одного конца слаболегированного образца n-(p)-типа. Энергетический уровень донорной примеси Eдлежит в запрещенной зоне вблизи дна зоны проводимости E1 (см.рис.1.а).Энергетический уровень акцепторной примеси Еа расположен в запрещённой зоне вблизи потолкавалентной зоны Е2 (рис. 1,б). Уровень Ферми ЕF в примесном полупроводнике при Т=0 лежит посередине между примесным уровнем и краем ближайшей зоны.

С ростом температуры он перемещается к середине запрещенной зоны..Для материалов, образующих p–n -переход, обычно уровень Ферми при Т=300 К лежит вблизи энергетического примесного уровня Ед или Еа Для полупроводника с донорной примесью полная концентрация носителей складывается из концентрациисобственных носителей n0 и p0 (n0=p0) и концентрации примесных электронов nпр. Обычно прикомнатной температуре nпр>>n0, поэтому проводимость практически полностью обеспечиваетсяпримесными электронами. Полупроводники, у которых проводимость определяется в основномэлектронами, называются полупроводниками n -типа, или электронными. Электроны полупроводников n -типа называются основными носителями, а дырки - неосновными.Полупроводники, у которых проводимость определяется в основном дырками, - это полупроводники р -типа, или дырочные. Дырки полупроводников р -типа называются основными носителями, а электроны - неосновными.Рассмотрим контакт полупроводников n– и р -типов.

Концентрация электронов в полупроводнике n-типа выше, чем в полупроводнике р -типа. Поэтому в процессе теплового движениявозникает их преимущественный переход, т.е. возникает диффузионный ток основных носителей.Этот процесс приводит к образованию вблизи контакта двойного слоя объемного заряда ионизированных атомов доноров в полупроводнике n-типа и акцепторов в полупроводнике p-типа. Накопление заряда сопровождается возникновением контактного электрического поля, напряженностькоторого направлена от положительного заряда к отрицательному (рис.2). Это поле препятствуетдальнейшему преимущественному перемещению основных носителей. В равновесном состояниипреимущественное перемещение прекращается.