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
