Лабораторная работа № 8
Изучение работы p-n перехода
Цель работы: Изучить физические процессы в р-n переходе.
Требуемое оборудование, входящее в состав модульно учебного комплекса МУК-ТТ1:
1. Блок амперметра-вольтметра АВ1
2. Блок генератора напряжений ГН1
3. Стенд с объектами исследования С3-ТТ1
4. Соединительные провода с наконечниками Ш4-Ш1.6
Краткое теоретическое введение
Р-n переход и его энергетическая зонная диаграмма в состоянии равновесия
P-n переход (рис. 1) представляет собой контакт двух областей полупроводника с различными типами проводимости (n- и р -типа).
Рис. 1
Сечение полупроводника постоянно и настолько велико, что влияние поверхностных эффектов по сравнению с объемными несущественно. Между n- и р- областями находится переходная область шириной l 0= lp + ln ≈0,5 мкм, в которой происходит изменение типа проводимости. Физические явления, происходящие в этой переходной области и прилегающих областях обеспечивают работу перехода и определяют связь между током через структуру и напряжением на контактах Э и Б.
Примем следующие обозначения:
Концентрация основных носителей тока: Pp - дырки в р -слое, Nn - свободные электроны в n -слое.
Концентрация неосновных носителей тока: Np - свободные электроны в р -слое, Pn - дырки в n -слое.
Диффузионные потоки: Δ Pp - поток дырок из р- слоя,Δ Nn - поток электронов из n -слоя.
Дрейфовые потоки: Δ Np - поток электронов из р -слоя, Δ Pn - поток дырок из n -слоя, Δφ0- контактная разность потенциалов на р-n -переходе.
В рабочем диапазоне температур Pp» Np, Nn» Pn.
Рассмотрим несимметричный р-n -переход, при котором концентрация акцепторов N Aи концентрация доноров NД неодинаковы. Такой переход обычно формируют в полупроводниковых диодах. Например, пусть N A = 100 - 1000 NД. Тогда при активации примеси Pp» Nn. Низкоомный р -слой, содержащий много основных носителей тока, называют эмиттером (Э), а более высокоомный n -слой называют базой (Б).
Из «закона действующих масс» следует, что PpNp=NnPn. Так как Pp» Nn, то Pn» Np. Общее соотношение концентраций носителей тока Pp» Nn»Pn» Np.
На границе между р -слоем и n -слоем имеется большая разность концентрации и дырок, и свободных электронов. Вследствие теплового движения этих частиц происходит спонтанный процесс диффузии и дырок, и электронов через границу между слоями.
Диффузионный поток Δ Pp дырок из р -слоя, проходя в n -слой, на участке ln встречается со свободными электронами. Процесс рекомбинации уничтожает эти носители тока. Остаются донорные ионы, создающие объемный заряд qn =qeNДlтS, где S - площадь поперечного сечения полупроводника. Аналогично после рекомбинации диффузионного потока Δ Nn электронов из n -слоя и дырок р -слоя на участке lp этого слоя остаются акцепторные ионы, создающие заряд qp=–qeNAlpS. Так образуется р-n -переход шириной l 0= lp + ln, лишенный носителей тока и содержащий объемные заряды ионов qp и qn. Он обладает очень большим сопротивлением.
Так как qp=–qn,то N A lpo=NДln При несимметричном р-n -переходе (N A» NД) имеем lp «ln. Таким образом l0 ~ ln и р-n -переход размещен в основном в высокоомной базе.
При некоторой постоянной температуре р -слой, n -слой и переход между ними приходят в состояние равновесия. Особенность этого состояния рассматриваемой системы определяется тем, что для всего объема полупроводника в равновесном состоянии уровень Ферми EF имеет одинаковое значение. Исходя из этого «принципа горизонтальности уровня Ферми» строится энергетическая зонная диаграмма системы, показанная на рис. 2. При построении ее учитывается, что в р -слое уровень Ферми всегда находится вблизи валентной зоны, а в n -слое он расположен вблизи зоны проводимости.
Относительно «горизонтального», общего для всего объема уровня Ферми, строятся валентная зона и зона проводимости, которые в области р-n -перехода оказываются «наклонными».
«Наклонная» В.З. для дырок p -слоя создает при их переходе в n -слой потенциальный барьер Δ E 0. Такой же барьер в ЗП создается для электронов n -слоя. Энергия дырок на диаграмме увеличивается «вниз», а электронов – «вверх». переход дырок из p -слоя в n -слой требует увеличения их энергии. Дырки же n -слоя, оказавшись у границы p - n -перехода, беспрепятственно, уменьшая свою энергию, направленно движутся (дрейфуют) в p -слой.
Потенциальный барьер определяется в равновесном состоянии контактной разностью потенциалов Δφ0, создаваемой объемными зарядами qp и qn ионов в р-n -переходе. Высота барьера Δ E 0 = qe Δφ0, ширина (р-n -перехода) - l0 ≈ 
.
Так как дырочный газ в валентной зоне - невырожденный, его концентрация при Т = const распределяется по закону Больцмана
где k = 1,38·10-23 Дж/ К. Следовательно, равновесная концентрация дырок Pp в р -слое и Pn в n- слое неодинакова.
Из предыдущей формулы получим
(1)
При Т = 300К Δ E 0≈0,35 эВ (Δφ0=0,35 В) для Ge и Δ E 0≈0,65 эВ (Δφ0=0,65 В) для Si.
В равновесном состоянии вследствие Рр » Pn диффузионный поток дырок Δ Pp0 не исчезает, но компенсируется встречно направленным дрейфовым потоком Δ Pn дырок: Δ Pp0 =Δ Pn. Величина дрейфового потока не зависит от потенциального барьера Δ E 0, но определяется концентрацией Pn дырок - неосновных носителей тока в n -слое. Она существенно зависит от температуры полупроводника. При постоянной температуре Δ Pn = const.
Для зоны проводимости картина диффузионного и дрейфового потоков электронов аналогична рассмотренной. Ввиду малости этих потоков при несимметричном р-n -переходе в дальнейшем их можно не рассматривать.
