КОРОТКІ ТЕОРЕТИЧНІ ВІДОМОСТІ

ЛАБОРАТОРНА РОБОТА №1

ДОСЛІДЖЕННЯ НАПІВПРОВІДНИКОВИХ ДІОДІВ

Мета роботи – вивчити принцип дії напівпровідникових діодів; експериментально зняти вольт-амперні характеристики германієвого і кремнієвого діодів.

КОРОТКІ ТЕОРЕТИЧНІ ВІДОМОСТІ

Напівпровідниковим діодом називається електро-перетворюючий напівпровідниковий прилад з одним p-n переходом і двома виводами. Виникає p-n перехід при контакті напівпровідників p- і n- типу. Контакт утворений не простим зіткненням двох зразків напівпровідника з різними типами електропровідності; ідеальний перехід здійснюється в монокристалі напівпровідника, в якому певним технологічним способом отримана різка межа між p- і n- областями.

Припустимо, що напівпровідники n- і p- типа, створені введенням в безсумішний напівпровідник, який мав власну концентрацію носіїв заряду донорів і акцепторів, причому концентрація донорів дорівнює концентрації акцепторів і складає Як правило, при кімнатній температурі атоми донорів і акцепторів можна вважати повністю іонізованими, тому концентрацію електронів в області вдалі від переходу можна вважати рівною концентрації донорів а концентрацію дірок в області - рівною концентрації акцепторів Відповідно концентрації неосновних носіїв - дірок в області та електронів в області визначаються на підставі співвідношення

Так як електрони і дірки являють собою вільні рухомі носії заряду, то їх концентрація не може мінятися стрибкоподібно. Частина дірок дифундує з області в область, а частина електронів з області в об­ласть. Концентрація електронів і дірок буде плавно мінятися від значення до значення (рис. 1.1). На межі розділу з'явиться шар, збіднений носіями заряду, який називається переходом.

Рисунок 1.1

Направлений рух основних носіїв заряду - електронів з в область і дірок з в область за рахунок дифузії представляє собою дифузійну складову струму; напрямок якого збігається з напрямком переміщення дірок.

Електрична нейтральність напівпровідника порушиться; дірки і електрони, переходячи через кордон розділу, залишають на своєму місці нерухомі іони донорів і акцепторів. Крім того, за рахунок дифузії збільшується концентрація електронів в області і дірок в області (рис. 1,2, а). В результаті в області утворюється позитивний об'ємний заряд, а в області - негативний об'ємний заряд, що обумовлені, в основному, нерухомими іонами донорів і акцепторів. Між і областю виникає електричне поле, створене двома шарами об'ємних зарядів. Тепер будь-який електрон, що переходить за рахунок дифузії з в область, потрапляє в електричне поле, що прагне повернути його в область. Подолати дію сил електричного поля і перейти в область можуть тільки електрони, що володіють досить високою власної енергією. Точно так само і дірки, що володіють високою енергією, в змозі проникнути в область (рис. 1.2, б). Так як струм в ізольованому обсязі напівпровідника повинен бути рівним нулю, то дифузійна складова струму повинна бути урівноважена якоюсь іншою складовою, яка обумовлена рухом неосновних носіїв: електрони в області і дірки в області, здійснюючи тепловий рух (дрейфуючи), потрапляють на кордон збідненого шару, підхоплюються електричним полем і під дією сил цього поля переносяться в сусідню область (рис. 1.2, в). Ця складова струму називається дрейфовою складовою.

Таким чином, через ізольований перехід протікають дві складові струму: дифузійна складова струму , обумовлена дифузією основних носіїв заряду через перехід, і дрейфова складова струму , обумовлена рухом неосновних носіїв заряду, які компенсують один одного.

а)

б) в)

г) д)

Рисунок 1.2

Перехід від області позитивного об'ємного заряду до області негативного об'ємного заряду супроводжується зміною потенціалу. Якщо взяти потенціал області за нуль, то потенціал області буде рівний . Цю величину називають контактною різницею потенціалів (рис. 1.2, г). Контактна різниця потенціалів однозначно пов'язана з зонною діаграмою переходу (рис. 1.2, д). При відсутності зовнішнього електричного поля рівень Фермі є спільним для всього обсягу напівпровідника. Основні носії заряду, наприклад електрони, можуть перейти за рахунок дифузії з в область тільки в тому випадку, якщо вони володіють власною енергією, більшою, ніж , де і - значення енергій, що відповідають дну зони провідності відповідно і областей. Якщо розділити значення енергії , виражену в електрон-вольтах, на заряд електрона , отримаємо значення контактної різниці потенціалу, B:

де - температурний потенціал; - постійна Больцмана; - температура, К.

Таким чином, при відсутності зовнішнього електричного поля і фіксованій температурі, висота потенційного бар'єра, визначається відношенням концентрацій носіїв заряду одного знака на межі переходу. У більшості кремнієвих переходів В, а у германієвих 0,3... 0,4 В.

Якщо до переходу підключити джерело зовнішньої напруги такої полярності, що електричне поле, створюване цим джерелом, збігатиметься з внутрішнім електричний полем переходу (назвемо цю напругу зворотною), то висота потенційного бар'єру між і областю збільшиться (рис. 1.3) на величину, яка визначається прикладеною напругою . Збільшення висоти потенційного бар'єру не появиться на дрейфовій складовій струму, бо неосновні носії заряду, як і раніше будуть переноситися через перехід під дією сил електричного поля, а кількість неосновних носіїв, що з'являються в одиницю часу на кордоні збідненого шару, визначається їх концентрацією. Кількість же основних носіїв заряду, здатних перейти з однієї області в іншу за рахунок дифузії, зменшиться, тому що чим вище потенційний бар'єр, тим менша кількість основних носіїв заряду володіє енергією, достатньою для подолання цього бар'єру. По мірі збільшення зворотної напруги потенційний бар'єр виявляється таким, що жоден з основних носіїв заряду не зможе його подолати. Дифузійна складова струму при цьому звертається в нуль, а струм, що протікає через перехід, буде визначатися тільки струмом неосновних носіїв.

Якщо зовнішня напруга, прикладена до переходу, зменшує потенційний бар'єр (рис. 1.4) (таку напругу називають прямою ), то дрейфова складова струму так само, як і в попередньому випадку, залишиться незмінною. Дифузійна складова струму буде зростати в міру збільшення (чим менша висота потенційного бар'єра, тим більша кількість основних носіїв володіє енергією, достатньою для його подолання). Основні носії, які подолали потенційний бар'єр, потрапляють в об’єм, для якого вони є неосновними, в результаті чого в кожній з областей появляються нерівноважні неосновні носії. Явище введення неврівноважених носіїв називається інжекцією. З в область інжектуються дірки, з в область - електрони.

Рисунок 1.3 Рисунок 1.4

Залежність струму через перехід від прикладеної до переходу напруги являє собою вольт-амперну характеристику переходу. Для ідеалізованого діода ця характеристика описується виразом

,

де - зворотний струм діода (струм неосновних носіїв); - температурний потенціал.

Характеристика реального діода відрізняється від ідеальної. Головна причина відмінності реальної зворотного характеристики полягає в термогенерації носіїв в області переходу, поверхневих витоках, а також явищах, що при достатньо великих зворотних напругах призводять до пробою переходу (рис. 1.5).

Рисунок 1.5

Пряма гілка вольт-амперної характеристики реального діода також відрізняється від ідеальної. Так як реальні діоди створюються у вигляді несиметричного переходу, можна вважати, що інжекція неосновних носіїв в такому діоді відбувається в одному напрямку - з напівпровідника з більш високою концентрацією домішок (емітера) в напівпровідник з більш низькою (базу). Саме впливом високоомного шару - бази і обумовлена, в основному, вказана відмінність; при досить великих прямих струмах наявність переходу стає все менш суттєвою і діод перетворюється в двошарову напівпровідникову пластину, в якій головну роль грає шар бази.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: