Изучение электрических свойств p-n перехода

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

БАШКИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

Математический факультет



















Лабораторная работа №5

Изучение электрических свойств p-n перехода









Выполнила: студентка гр. 47а

Нигматьянова В. Д.

Проверила:

Сагдаткиреева М. Б.











Уфа – 2010




Изучение свойств p-n перехода



Приборы и принадлежности: измерительное устройство, объекты исследования (диоды).

Цель работы: 1) Изучение свойств p-n перехода.

2)Получение вольтамперной характеристики.

3)Получение вольтфарадной характеристики.

4)Определение концентрации примеси.

Краткая теория.

Полупроводники могут иметь два типа примесной проводимости: электронную (n-тип), обусловленную донорными примесями, и дырочную (p-тип), обусловленную акцепторными примесями. В n-полупроводнике основные носители заряда – электроны, а в p-полупроводнике-дырки. Кроме основных носителей заряда в каждом веществе в значительно меньшем количестве содержатся и неосновные носители заряда противоположного знака. Они возникают за счет разрушения ковалентных связей.

Граница соприкосновения двух полупроводников, один из которых имеет электронную, а другой – дырочную проводимость, называется p-n переходом. Практически p-n переход создается не механическим контактом двух полупроводников, а внесением донорных и акцепторных примесей в различные части чистого полупроводника. Эти переходы являются основной большинства современных полупроводниковых приборов.

По своему характеру p-n переходы бывают резкие и плавные, симметричные и несимметричные. В резких p-n переходах концентрация доноров и акцепторов меняются скачкообразно на границе раздела. В симметричных p-n переходах концентрация основных носителей по обе стороны перехода равны, в несимметричных – резко различаются.

Рассмотрим резкий p-n переход (рис 1), в котором концентрация дозорной ND и акцепторной NA примесной изменяются скачком на границе раздела. Будем считать, что переход является несимметричным, например NA>ND. Обозначим концентрацию основных носителей в p-n области через pp, в n- области через nn, а концентрацию неосновных носителей соответственно через np и pn соответственно. При комнатной температуре обычно все примесные уровни ионизованы, тогда справедливо pp=NA и nn=ND.



а) 

б) 

Рис 1. Структура p-n перехода (а), распределение примесной (б)



В состоянии термодинамическое равновесия концентрации основных и неосновных носителей связаны законом действующих масс:



 (1)



где - концентрация собственных носителей тока.

Электроны из n-области, где их концентрация выше будут диффундировать в p-область. Диффузия дырок будет происходить в обратном направлении. За счет ухода дырок в слое p- области, примыкающем к границе раздела появится отрицательный объёмный заряд, обусловленный некомпенсированными отрицательными ионами акцепторной примеси. Аналогично диффузия электронов из n- и p- область будет сопровождаться образованием положительного заряда ионами донорной примеси в n-области. Наличие заряда в приконтактной облети вызывает появление электрического поля. Следовательного, на границе раздела имеется разность потенциалов , называемая контактной. Это поле называется дрейфовый ток неосновных носителей, направленный противоположно диффузионному току. При равновесии дифузинный и дрейфовый токи раны друг другу по величине. Физическим условием равновесия p-n перехода являются постоянство уровня Ферми для системы.

Уровнем Ферми называется энергия уровня, отделяющего занятые уровни от свободных. Среднее число электронов на уровне с энергией E определяется формулой квантого распределения Ферми-Дирака



 (2)



Следовательно уровень Ферми можно определить как уровень, вероятность заполнения которого равна 1/2.

Энергетическая диаграмма p-n перехода в условиях равновесия приведена на рис 2.





Рис 2. Энергетическая диаграммы p-n перехода в условиях равновесия.






Величина контактной разности потенциалов  на переходе будет равна







где e- заряд электрона.





Рис 3. Запирающее включение внешнего поля.



Высота потенциального барьера p-n перехода определяется отношением концентраций однотипных носителей на границах перехода и тем выше, чем сильнее легированы полупроводники. Ее максимальное значение определяется шириной запрещенной зоны полупроводникив



 (4)



Если приложить к полупроводнику внешнее поле, направление которого совпадает с полем контактного слоя, основные носители тока уходят от границы p-n перехода. В результате запирающий слой расширяется и его сопротивление возрастает. Ток в полупроводике создается за счет неосновных носителей и практически отсутствуют Такое включение называется обратным или запирающим(Рис.3).

Если внешнее поле направлено в противоположную сторону, то оно вызывает движение носителей навстречу друг другу к границе прехеода. В этой области они рекомендуют, ширина контактного слоя и его сопротивление уменьшается. В цепи возникает прямой ток, созданный основными носителями.





Рис.4. прямое включение p-n перехода



Ширина p-n перехода при приложенном внешнем поле описывается выражением



, (5)



где V>0 соответствует прямому включению, а V<0 – обратному. Отсюда следует, что при прямом включении ширина перехода уменьшается, а при обратном – увеличивается.

Таким образом, p-n переход обладает односторонней проводимостью. В прямом включении сила тока быстро возрастает с ростом напряжения носителями и резко возрастает при электрическом пробое.

На Рис.6 представлена вольтамперная характеристика (ВАХ) p-n- перехода.





Рис6 Вольтамперная характеристика p-n перехода



Когда к n-облети присоединяют положительный полюс источника, p-n переход пропускают только малый ток неосновных носителей. Лишь при очень большом напряжении сила тока резко возрастает, что обусловлено электрическим пробоем перехода(обратное направление, левая ветвь ВАХ).

При включении в цепь переменного тока p-n переходы действуют как выпрямители.

Устройство в цепь пременного тока p-n переход, называется полупроводниковым(кристаллическим) диодом. Условное обозначение полупроводникового диода(рис 7).





Рис7 Условное обозначение полупроводникового диода



Простейшие схемы выпрямления переменного тока показаны на рис8. Им соответсвует графики зависимости (силы тока через нагрузку R от времени) на рис9.






  

Рис8. Схемы простейших выпрямителей на полупроводниковых диодах



Вследствии односторонней проводимости полупроводникового диода ток в нагрузочном сопротивлении R(Рис8 а) протекает только в те полупериоды, когда p-n переход работает в пропускном направлении.

Для уменьшения пульсации в схему на рис8б включен сглаживающтй фильтр, представляющий собой конденсатор емкостью С, включен параллельно нагрузке R.

От приложенного напряжения зависит не только проводимостью но и электрическая емкость p-n перехода.

Для барьерной емкости резкого симметричного p-n перехода имеем:







Для резкого несимметричного перехода при NA>>ND







На рис 10 приведена зависимость  от напряжения (вольтфарадная характеристика) для резкого p-n перехода. При V>0 емкость резко возрастает, однако в этом случае расчеты барьерной емкости, проведенные для объединенного перехода, не совсем адекватны.








Рис 10 Вольтфарадная характеристика p-n перехода.





Рис11 Определение концентрации примесей по вольтфарадной характеристике.



По характеру зависимости C=f(V) на основе выражения10 можно судить также о распределении примесей на p-n переходе.



 (11)





Ход работы



Схема КД 521.

Значения напряжения и тока для прямого режима.



 N 

 U, B

 A,mkA

 

 

 1

 0.35

 0.001

 1.641

 2.692

 2

 0,40

 0.014

 1.628

 1.276

 3

 0.45

 0.047

 1.595

 2.544

 4

 0.50

 0.151

 1.491

 2.223

 5

 0.55

 0.412

 1.230

 1.512

 6

 0.60

 1.370

 0.272

 0.074

 7

 0.65

 2.870

 1.228

 1.507

 8

 0.70

 8.260

 6.610

 43.790

 



 1.642



 6.952



По полученным данным построили вольтамперную характеристику диода, используя программу EXCEL из Microsoft Office.

Построим линию тренда для прямой ветви ВАХ и получим уравнение этой линии для всех типов диодов.







; =0.124










Схема КД 226.

 N 

 U, B

 A,mkA

 

 

 1

 0.35

 0.023

 2.051

 4.210

 2

 0,40

 0.090

 1.984

 2.936

 3

 0.45

 0.306

 1.768

 3.125

 4

 0.50

 1.060

 1.014

 1.028

 5

 0.55

 2.820

 0.745

 0.555

 6

 0.60

 8.150

 6.075

 36.905

 

 

 2.075



 8.126







Линия тренда.





; =0.271.

=12.56;





Схема ПД.

 N 

 U, B

 A,mkA

 

 

 1

 0.20

 0.392

 1.202

 1.444

 2

 0,25

 0.791

 0.803

 0.645

 3

 0.30

 1.400

 0.194

 0.037

 4

 0.35

 2.330

 0.736

 0.541

 5

 0.40

 3.660

 2.066

 4.268

 6

 0.45

 6.250

 4.656

 21.678

 7

 0.50 

 9.740

 8.145

 66.341

 



 1.594

 

 13.472







Линия тренда






; =0.320







Вывод: Полученные ВАХ наглядно показывают что p-n переход обладает односторонней проводимостью. В прямом включении сила тока быстро возрастает с ростом напряжения.

Для КД 521 линия тренда имеет уравнение y = 18,172x - 7,8998.

Для КД 226 линия тренда имеет уравнение y = 28,331x - 11,382

Для ПД линия тренда имеет уравнение y = 29,444x - 6,7965