МУ-Ф-2А (1003889)
Текст из файла
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.
Характеристики
Тип файла PDF
PDF-формат наиболее широко используется для просмотра любого типа файлов на любом устройстве. В него можно сохранить документ, таблицы, презентацию, текст, чертежи, вычисления, графики и всё остальное, что можно показать на экране любого устройства. Именно его лучше всего использовать для печати.
Например, если Вам нужно распечатать чертёж из автокада, Вы сохраните чертёж на флешку, но будет ли автокад в пункте печати? А если будет, то нужная версия с нужными библиотеками? Именно для этого и нужен формат PDF - в нём точно будет показано верно вне зависимости от того, в какой программе создали PDF-файл и есть ли нужная программа для его просмотра.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
