Контактні явища у напівпровідниках: електронно-дірковий перехід

2.2.1. P-n- перехід

Випрямлення струмів і підсилення напруг можна здійснити за допомогою напівпровідникових пристроїв, які називають напівпровідниковими (або кристалічними) діодами і тріодами. Напівпровідникові тріоди називають також транзисторами.

Напівпровідникові пристрої можна підрозділити на дві групи: пристрої з крапковими контактами і пристрої з площинними контактами. Ми обмежимося розглядом площинних діодів і транзисторів. Основним елементом площинних пристроїв є так званий р-n-перехід. Він являє собою тонкий прошарок на межі між двома областями одного і того ж самого кристала, що відрізняються типом домішкової провідності. Для виготовлення такого переходу беруть, наприклад, монокристал із дуже чистого германію з електронним механізмом провідності (обумовленим незначними залишками домішок). У вирізану з кристала тонку платівку вплавляють з однієї сторони шматочок індію. Під час цієї операції, що здійснюється у вакуумі або в атмосфері інертного газу, атоми індію дифундують у германий на деяку глибину. У тій області, у яку проникають атоми індію, провідність германію стає дірковою. На межі цієї області виникає р - n-перехід.

 

 

Мал.8. Концентраціоний профіль донорів та акцепторів у р - n-переході.

 

На мал. 8 показаний хід концентрації домішок у напрямку, перпендикулярному до граничного прошарку. У р-області основними носіями току є дірки, що утворилися в результаті захоплення електронів атомами домішки (акцептори при цьому стають негативними іонами); крім того, у цій області є невеличке число неосновних носіїв - електронів, що виникають внаслідок теплового переміщення електронів із валентної зони безпосередньо в зону провідності (цей процес трохи збільшує і число дірок). У n-області основні носії струму-електрони, віддані донорами в зону провідності (донори при цьому перетворюються в позитивні іони); перехід електронів, внаслідок їх теплового руху, із валентної зони в зону провідності призводить до утворення невеличкого числа, дірок - неосновних носіїв для цієї області. Дірки і електрони дифундують в зустрічних напрямках через прикордонний прошарок, рекомбінуючи при цьому друг з другом. Тому р-n-переход сильно збіднюється носіями току і набуває великий опір. Одночасно на межі між областями виникає подвійний електричний прошарок, утворений негативними іонами акцепторної домішки, заряд котрих тепер не компенсується дірками, і позитивними іонами донорної домішки, заряд котрих тепер не компенсується електронами (рис. 9); кружки-іони, чорні точки - електрони, білі точки-дірки). Електричне поле у цьому прошарку спрямовано так, що протидіє подальшому

 

Мал.9. Область р-n перехід у стані рівноваги.

 

переходові через прошарок основних носіїв. Рівновага досягається при такій висоті потенційного бар'єра, при якій рівні Фермі обох областей

 

Зона провідності Рівень Фермі Заборонена зона   Валентна зона

Мал.10. Енергетична діаграма напівпровідника у стані рівноваги.

 

розташовуються на однаковій висоті (мал. 10). Згинання енергетичних зон в області переходу викликане тим, що потенціал р-області в стані рівноваги нижче, чим потенціал n-області; відповідно потенційна енергія електрона в р-области більша, ніж у n-області. Нижня межа валентної зони дає хід потенційної енергії електрона W_pэ в напрямку, перпендикулярному до переходу. Оскільки заряд дірок протилежний заряду електронів, їхня потенційна енергія W_рд більше там, де менше W_pэ, і навпаки.

Рівновага між р - і п-областями є рухливою. Деякій кількості основних носіїв удається перебороти потенційний бар'єр, внаслідок чого через перехід потече невеличкий струм I_осн. Цей струм компенсується обумовленим неосновними носіями зустрічним током I_неосн. Неосновних носіїв дуже мало, але вони легко проникають через межу областей, «скочуючись» із потенційного бар'єра. Величина I_неоснвизначається числом неосновних носіїв, що народжуються щомиті, і від висоти потенційного бар'єра майже не залежить. Величина I_осн, навпроти, сильно залежить від висоти бар'єра. Рівновага встановлюється саме при такій висоті потенційного бар'єра, при якій обидва токи I_осн і I_неосн компенсують один одного. Подамо на кристал зовнішню напругу такого напрямку, щоб «+» був залучений до р-области, а «-» був залучений до n-області) (таке вмикання називають прямим). Це призведе до зростання потенціалу (тобто збільшенню W_рд і зменшенню W_pэ) р-области і зниженнюпотенціалу (тобто зменшенню W_pд і збільшенню W_pэ) n-області. У результаті висота потенційного бар'єра зменшиться і струм I_осн зросте. Струм же I_неосн залишиться практично без змін (він, як відзначалося, від висоти бар'єра майже не залежить). Отже, струм через р - n-перехід стане відмінним від нуля. Зниження потенційного бар'єра пропорційно прикладеній напрузі. При зменшенні висоти бар'єра струм основних носіїв, а отже і результуючий тік, швидко наростає. Таким чином, у напрямку від p-області до n-області р - n-перехід пропускає струм, сила якого швидко наростає при збільшенні прикладеної напруги. Цей напрямок називається прямим (або пропускним, або прохідним).

 

2.2.2. Вольт – амперна характеристика р - n-переходу

Виникаюче в кристалі при прямій напрузі електричне поле «підгортають» основні носії до межі між областями, унаслідок чого ширина перехідного прошарку, збідненого носіями, скорочується. Відповідно зменшується й опір переходу, причому тим сильніше, чим більше напруга. Таким чином, вольт-амперная характеристика в пропускній області не є прямою лінією (мал. 11).

 

Мал.11. Вольт – амперна характеристика) р - n-переходу.

 

Тепер прикладемо до кристала напругу такого напрямку щоб «+» бувзалучений до n-області, а «-» був залучений до р-області (таке вмикання називають зворотним). Зворотне вмикання призводить до підвищення потенційного бар'єра і відповідного зменшення струму основних носіїв I_осн. Виникаючий при цьому результуючий струм (який називають зворотним) досить швидко досягає насичення (тобто перестає залежати від U, мал. 11) і стає рівним I_неосн. Таким чином, у напрямку від n-області до р-области (який називають зворотним або запірним) р - n-перехід пропускає слабкий струм, цілком обумовлений неосновними носіями. Лише при дуже великій зворотній напрузі сила струму починає різко зростати, що обумовлено електричним пробоєм переходу.

 

Вимірювальна установка

На мал.12 приведена вимірювальна схема для зняття вольт-амперної характеристики діода, яка реалізована в установці ЩХМ2.050.097, що і використовується в даній роботі.

 

Мал.12. Схема виміру ВАХ діода на постійному струмі:

ИД - випробовуваний діод; ГПТ - генератор постійного струму; R₁ - перемінний резистор, за допомогою якого регулюють напругу, що прикладається до ИД від ГПТ; R₂ - резистор, що служить для обмеження струму в ланцюзі у випадку пробою ИД. Вольтметром вимірюють напругу, що прикладається до ИД, а амперметром вимірюють струм, що тече через ИД. У положенні 1 перемикача П вимірюють пряму галузь, а в положенні 2 - зворотну галузь ВАХ діода.

 

Порядок проведення роботи

4.1. Підключити вимірювальну установку до мережі і дати їй прогрітися не менше 10 хвилин.

4.2. Підключити досліджувальний напівпровідниковий діод до вимірювальної установки.

4.3. Установити перемикач П у положення 1 (пряме включення діода), а стрілку вольтметру установки на позначці „0” шкали.

4.4. Послідовно збільшуючи напругу на діоді спочатку на 0,2В, а після 1В на 2В, зняти пряму галузь ВАХ діода.

4.5. Установити перемикач П у положення 2 (зворотне включення діода).

4.6. Послідовно збільшуючи зворотну напругу на 2В, зняти зворотну галузь ВАХ діода.

4.7. Повторити п.п. 4.2 – 4.6 ще для чотирьох діодів.

4.8. По експериментальним точкам побудувати ВАХ діодів.