МУ-Ф-7 (1003897)

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла

1МГТУ им. Н.Э. БауманаН.И. Юрасов, Б.Е. Винтайкин, Ю.В. Корнев, А.Б. ЗиминИЗУЧЕНИЕ ОПТИЧЕСКИХ И ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СВОЙСТВ p-nПЕРЕХОДА.Методические указания к лабораторной работе Ф-7 по курсу обшей физики.Под ред. Ю.В. Корнева.Москва, 1998.Методические указания к лабораторной работе посвящены изучению свойств полупроводниковых материалов. Рассмотрены теоретические основы физики однородных и неоднородных полупроводников. Изложены экспериментальные методы изучения генерации электромагнитного излучения оптического диапазонаи электрических свойств полупроводниковых диодов. Для студентов 2-го курса всех специальностей.Цель работы - ознакомление с важнейшими понятиями физики неоднородных полупроводников на примере простейшей системы, состоящей из электронного и дырочного полупроводников (p-n-переход); определение понятий уровняФерми, вырожденного полупроводника, инверсной населенности, контактнойразности потенциалов, генерации электромагнитного излучения на p-n-переходе,энергии активации электропроводности; изучение экспериментальных методовопределения порога генерации на p-n-переходе, оценочного измерения вольтамперной характеристики (ΒΑΧ) и контактной разности потенциалов, а также определения энергии активации электропроводности.ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬВведениеВ современных электронных и оптических системах широко используютсявещества, которые чувствительны к внешним воздействиям.

Такие веществасильно изменяют электрическое сопротивление при нагревании или охлаждении,облучении светом, заряженными частицами, под действием давления, электрических и магнитных полей. Составляя из этих веществ многослойные композиции,можно получить электронные элементы с еще более широким набором свойств исоответствующих характеристик. Чтобы разобраться в физических свойствах таких систем, необходимо вспомнить физику однородного полупроводника, который является элементом указанной многослойной системы.Однородный полупроводник.Вещества с высокой чувствительностью к перечисленным внешним воздействиям занимают промежуточное положение по электропроводности или проводимости σ (т.е.

величине, обратной удельному электросопротивлению ρ) междуметаллами и диэлектриками [1]. Значения величины σ у полупроводников заключены в интервале 10-8 … 10-6 (Ом⋅м)-1 [2].К полупроводникам относятся следующие элементы: В, Si, P, S, Ge, As, Sn(серое олово), Sb, Те, J, а также многие бинарные соединения типа АXB8-X, где Аэлемент группы X, а В - элемент группы (8-X) в периодической системе элементов Менделеева.

Примерами таких соединений являются давно известные AgCl,KBr, LiF, CdS, PbTe и многие другие. Известны и более сложные соединения2GaAsP, InGaSb, ZnCdSeTe [2].В отличие от металлов у полупроводников термический коэффициент сопротивления α =1 dρ1 dσ=−, где T - абсолютная температура, является отрицаρ dTσ dTтельной величиной. Часто используют полупроводники с постоянными по объемусоставом и удельным сопротивлением ρ. Тогда α =1 dR, где R - сопротивлениеR dTполупроводника.Опыт показывает, что сопротивление полупроводника с ростом температуры быстро уменьшается [2]. В отдельных интервалах значений температуры для Rможет быть подобрана эмпирическая формулаER = R∞ exp  a kT,(1)где R∞ - сопротивление при бесконечно большой температуре (некоторая постоянная величина); k - постоянная Больцмана; Еa - энергия активации.

Как правило,Еа различна для разных интервалов температуры. В силу известной зависимостиρ=1/σ формулу (1) можно представить в виде Eσ = σ∞ exp  − a kT.(2)В координатах (1/Т, lnR) и (1/T, lnσ) зависимости (1) и (2) представляют собойпрямые. Если совместить оси координат так, чтобы ось lnR совпала с осью lnσ, тоуказанные прямые будут взаимно перпендикулярны.

Если Ea=const, то согласноформуле (1) имеем для термического коэффициента сопротивления α = −Ea 1<0,k T2так как Εa, k, Т положительны.В чистом полупроводнике величина Εa, имеет особенно простой физический смысл. Она равна половине шириEны запрещенной зоны [1].

Зонная картина для чистого полупроводникового кри0сталла при T=0 представлена на рис. 1.ECЗа нуль отсчета энергии Ε для электрона∆EEFв кристалле принят уровень энергии, соEVответствующий энергии электрона наповерхности кристалла; ЕC и ЕV - уровниэнергии, соответствующие дну зоныпроводимости и потолку валентной зоРис. 1ны; ∆E - ширина запрещенной зоны. ПриТ=0 сопротивление чистого полупроводника бесконечно велико.Для создания высокой чувствительности полупроводника к внешним воздействиям его легируют примесными атомами [1].

Их электронные энергетические уровни располагаются в запрещенной зоне. В зависимости от возможностиотдавать электроны в зону проводимости либо извлекать электроны с уровней ввалентной зоне примесные атомы делят на две группы. К первой относят донорные примесные атомы, ко второй - акцепторные. Например, если чистый полу-3проводник - кремний, то атомами донорной примеси могут быть атомы фосфора,а атомами акцепторной примеси - атомы бора [1]. Валентности атомов кремния,фосфора и бора равны соответственно 4, 5 и 3. Если преобладают примеси донорного типа, то полупроводник называется электронным, а если акцепторного типа,то дырочным.С увеличением концентрации атомов донорной примеси уровень Фермиподнимается все выше и выше по энергетической шкале, а при увеличении концентрации акцепторной примеси он опускается все ниже и ниже.

При выполненииусловийEF-EC<5kT или EV-EC>5kT(3)полупроводник приобретает новые свойства [2]. Он называется вырожденным полупроводником. Следовательно, условия (3) соответствуют образованию вырожденных полупроводников электронного и дырочного типов.

Вырожденный полупроводник имеет линейную зависимость удельного сопротивления от температуры при Т>ТС: R=R0(T/T0), где R0 и T0 - постоянные; ТС - критическая температура.При достижении Т=ТС в режиме охлаждения возможен переход в сверхпроводящее состояние [3]. Многие представители высокотемпературных сверхпроводников являются вырожденными полупроводниками [4].

У этих полупроводниковлинейная зависимость R(T) соблюдается с высокой точностью в интервале изменения Т порядка 100 К. В вырожденных полупроводниках концентрация свободных носителей заряда не зависит от температуры, что характерно для металла.Если носители тока - электроны, то их концентрация равна 1 2m ne =  2 2 e  3π 3232( EF − EC ) ,где me - эффективная масса электрона, а если носители тока - дырки, то их концентрация равна 1 2m nh =  2 2 h  3π 32( EV − EF )32где mh эффективная масса дырки валентной зоне [2, 3]; - постоянная Планка,деленная на 2π.Переход от невырожденного полупроводника к вырожденному осуществляется при выполнении условийEV − EFpEFn − EC= −1... + 5 или= −1...

+ 5 [2]. В переkTkTходной области концентрация электронов зависит от температуры по следующему закону [2]:ne =1( 2π )3 12 kTme 2 321.1EFn − EC ) ( + expkT4Концентрация носителей заряда и температура в момент окончания формирования вырожденного полупроводника связаны условиямиEFn − EC = 5kT = 2(nec3π2 )2me23и EV − EFp = 5kT = 2(nhc3π2 )2mh23,которые реализуются в случае электронного или дырочного полупроводников.4На рис.

2 показано положение уровня Ферми в этих случаях: EFh и EFp. ЗдесьЕС(0) и EV(0) - границы запрещенной зоны в беспримесном полупроводнике, а ЕC иЕV - границы запрещенной зоны после легирования донорной или акцепторнойEENeEFnEC(0)EC(0Nh/V=nh>nhCECEV(0)EVEFpNe/V=ne>neCaбРис. 2примесями; V·- объем полупроводника.

Вырожденные полупроводники используются для изготовления туннельных диодов, полупроводниковых квантовых генераторов, а также элементов квантовых интерферометров - приборов для обнаружения чрезвычайно слабых магнитных полей и сверхмалых токов и напряжений.p-n-переходПри приведении в контакт на атомном уровне двух однородных полупроводников с различными типами проводимости (электронной (n) и дырочной (p))возникает простейшая неоднородная система, или неоднородный полупроводник.Обратимся к вольтамперным характеристикам. ΒΑΧ однородного полупроводника линейна.

У p-n-перехода ΒΑΧ имеет более сложную форму (рис. 3). На рис. 3использованы следующие обозначения: - сила тока, - напряжение, φκ контактнаяразность потенциалов, равнаяϕк =EFp − EFne,(4)где ЕFp и ЕFn - энергии Ферми p- и n-проводников; е - заряд электрона. Разностьэнергий Ферми равна высоте потенциального барьера для основных носителей.Ими являются электроны в полупроводнике n-типа и дырки в полупроводнике ртипа. При приложении напряжения в прямом направлении (плюс на полупроводнике р-типа и минус на полупроводнике n-типа) постепенно с его ростом компенсируется контактная разность потенциалов, и при U = ϕk p-n-переход превращается в два последовательно соединенных резистора, сделанных из однородных полупроводников, нелинейная ΒΑΧ переходит в линейную.

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.

Список файлов книги