Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
Санкт-Петербургский государственный горный институт
(технический университет)
Лаборатория физики твердого тела и квантовой физики
Исследование p-n перехода
Санкт-Петербург
2008
Цель работы – изучение контактных явлений на примере р-n перехода диода.
Основные теоретические сведения.
1. Образование р-n перехода
Рассмотрим полупроводник, в одну часть которого ввели примесь n-типа, а во вторую – примесь р-типа, соответственно в первой части будет много электронов, а во второй части – много дырок. Из-за градиента концентраций носителей заряда возникает их диффузия в область с противоположным типом электропроводности через плоскость металлургического контакта (плоскость, где изменяется тип примесей, преобладающих в полупроводнике). В результате диффузии носителей заряда нарушается электрическая нейтральность областей, примыкающих к контакту. В р-области вблизи контакта после ухода из нее дырок остаются нескомпенсированные ионизированные акцепторы (отрицательные неподвижные заряды), а в n-области остаются нескомпенсированные ионизированные доноры (положительные неподвижные заряды). Образуется область объемного заряда, состоящая из двух разноименно заряженных слоёв (рис.1).
Рис.1. Образование р-n перехода. Металлургическая граница показана сплошной линией. - донор, - акцептор, - дырка, - электрон.
Между этими слоями возникает электростатическое поле, направленное из n-области в р-область и называемое диффузионным электрическим полем. Это поле препятствует дальней диффузии основных носителей заряда через металлургический контакт - устанавливается равновесное состояние. Между р- и n-областями при этом существует разность потенциалов, называемая контактной разностью потенциалов φконт. Потенциал n-области положителен по отношению к потенциалу р-области. Таким образом, электронно-дырочный переход (р-n переход) – это переходный слой между двумя областями полупроводника с разной электропроводностью, в котором существует диффузионное электрическое поле.
Двойной электрический слой p-n перехода, обедненный носителями заряда (область объемного заряда), можно рассматривать как электрический конденсатор, емкость которого равна
.
Здесь S – площадь p-n перехода, ε – диэлектрическая проницаемость полупроводника, δ – толщина p-n перехода.
2. Энергетическая диаграмма р-n перехода.
Вдали от металлургической границы электрическое поле отсутствует или относительно мало по сравнению с полем в р-n переходе. Поэтому взаимное расположение энергетических зон и уровня Ферми за пределами р-n перехода остается таким же, как и с соответствующих полупроводниках. Так как полупроводник является единой системой, то уровень Ферми должен быть единым во всех областях. Поэтому энергетические зоны областей двигаются так, чтобы уровень Ферми в них сравнялись EFn=EFp (рис.2а).
а б в
Рис.2. Энергетическая диаграмма электронно-дырочного перехода: а – внешнее напряжение отсутствует (U=0); б – внешнее напряжение прямое (U>0); в – внешнее напряжение обратное (U<0).
Величина сдвига зон соответствует высоте потенциального барьера qφконт электронно-дырочного перехода:
,
где nn0 и pp0 – равновесные концентрации основных примесей, pn0 и np0 – равновесные концентрации неосновных примесей, ni – концентрация собственных носителей зарядов.
Для высоты потенциального барьера справедливо:
1) при одних и тех же концентрациях примесей высота потенциального барьера больше в р-n переходах, созданных в материале с большей шириной запрещенной зоны;
2) высота потенциального барьера возрастает при увеличении концентрации примесей в соответствующей областях;
3) с повышением температуры высота потенциального барьера уменьшается.
3. Диод во внешнем электрическом поле.
При приложении внешнего электрического поля через р-n переход начинает течь ток. Если созданное внешним источником электрическое поле в р-n переходе совпадает по направлению с диффузионным, то высота потенциального барьера для основных носителей увеличивается (рис.2в). Однако для неосновных носителей, т.е. для дырок в n-области и электронов в р-области, потенциальный барьер в р-n переходе вообще отсутствует. Неосновные носители заряда будут втягиваться электрическим полем в р-n переход и переходить через него в соседнюю область. Такой ток через р-n переход будет мал из-за малой концентрации неосновных носителей заряда в прилегающих к р-n переходу областях. Напряжение, имеющее такую полярность, называют обратным и считают отрицательным. При этом толщина р-n перехода увеличивается, так как при этом увеличивается суммарная напряженность электрического поля в р-n переходе и увеличивается глубина проникновения этого поля в прилегающие к контакту области.
Величина потока неосновных носителей заряда не зависит от величины обратного напряжения Uобр. Она определяется только скоростью их тепловой генерации в объеме полупроводника и скоростью их диффузии к p-n переходу (к области объемного заряда), пересекая который они и дают вклад в электрический ток, текущий через p-n переход. Однако достичь перехода могут не все неосновные носители, а только те, которые родились достаточно близко от него (на расстоянии диффузионной длины). Остальные неосновные носители не доходят до перехода и не дают вклада в ток. Таким образом, при U<0 ток через p-n переход не зависит от напряжения U. Этот ток I0 называется током насыщения (рис. 3).
Рис. 3. Вольт-амперная характеристика выпрямляющего диода.
Факторы, влияющие на ток насыщения:
1) С увеличением температуры ток насыщения увеличивается, т.к. экспоненциально увеличивается собственная концентрация носителей заряда.
2) В диодах на основе материалов с большей шириной запрещенной зоны плотность тока насыщения будет больше, так как собственная концентрация экспоненциально уменьшается.
3) С увеличением концентрации примесей плотность тока насыщения уменьшается (меньше время жизни из-за усиления рекомбинации с основными носителями).
Если внешнее напряжение приложено так, что создаваемая им напряженность электрического поля противоположна направлению диффузионной напряженности поля, то суммарная напряженность поля в р-n переходе падает, высота потенциального барьера уменьшается (рис.2б). Часть основных носителей, имеющих небольшие энергии, может теперь преодолевать барьер, проходя через р-n переход. Это приводит к появлению сравнительно большого тока через переход (прямой ток на три порядка больше тока насыщения). Напряжение такой полярности называется прямым и считается положительным. Преодолевшие потенциальный барьер носители заряда оказываются в соседней области неосновными носителями. С увеличением внешнего прямого напряжения уменьшается суммарная напряженность электрического поля в р-n переходе, соответственно уменьшается и глубина проникновения этого поля в области полупроводника, прилегающего к контакту. Поэтому уменьшается толщина р-n перехода (ширина области объемного заряда).
Так как высота потенциального барьера qU уменьшается пропорционально приложенному напряжению, а носители заряда распределены по энергиям по экспоненциальному закону (в соответствии со статистикой Ферми-Дирака или Максвелла-Больцмана), то величина прямого тока через p-n переход определяется формулой
.
где I0 – ток насыщения. q – заряд носителя, U – приложенное напряжение, k – постоянная Больцмана, T – абсолютная температура.
а б в
Рис. 4. Влияние температуры (а), ширины запрещенной зоны (б) и концентрации примесей (в) на прямую ветвь вольт-амперной характеристики полупроводникового диода.
Факторы, влияющие на прямой ток диода (рис. 4):
1) При увеличении температуры а) уменьшается высота потенциального барьера и б) изменяется распределение носителей заряда по энергиям – электроны занимают все более высокие уровни в зоне проводимости. Из-за этих двух причин прямой ток через диод увеличивается с ростом температуры при неизменном приложенном напряжении (рис. 4а).
2) У диода с большей шириной запрещенной зоны больше высота потенциального барьера, поэтому прямой ток через диод из материала с большей шириной запрещенной зоны будет меньше при том же напряжении (рис. 4б).
3) С увеличением концентрации примесей в прилегающих к p-n переходу областях будет увеличиваться высота потенциального барьера, а значит, будет меньше прямой ток при неизменном напряжении (рис. 4в).
4. Пробой диодов
При достижении обратным напряжением некоторого критического для данного диода значения происходит резкое увеличение обратного тока через диод. Это явление называется пробоем диода. В зависимости от физических явлений, приводящих к пробою, различают лавинный, туннельный и тепловой пробои.
Лавинный пробой. Под действием сильного электрического поля, при котором носители заряда приобретают энергии, достаточные для образования новых электронно-дырочных пар в результате ударной ионизации атомов полупроводника, возникает лавины носителей заряда. Пробивное напряжение определяется концентрацией примеси в слаболегированной области, т.к. она определяет ширину p-n перехода. С повышением температуры уменьшается длина свободного пробега носителей заряда, а значит, уменьшается и энергия, которую носитель заряда может приобрести на длине свободного пробега в электрическом поле. Следовательно, повышение температуры приводит к увеличению пробивного напряжения при лавинном пробое (рис.5). При возникновении лавинного пробоя возникают шумы. Вначале этот процесс неустойчив: он возникает, срывается, возникает снова. С увеличением тока процесс ударной ионизации становится устойчивым, и шумы исчезают. Это характерная особенность лавинного пробоя.
Рис.5. Зависимость Uпроб от температуры при лавинном пробое.
Туннельный пробой. Если ширина потенциального барьера δ становится достаточно малой, то возможно туннелирование электронов сквозь запрещенную зону полупроводника без изменения их энергии. Внешне туннельный эффект проявляется как пробой диода, при этом пробивное напряжение обратно пропорционально концентрации примесей. При одной и той же ширине запрещенной зоны (для одного и того же материала) ширина потенциального барьера определяется напряженностью электрического поля, т.е. наклоном энергетических уровней и зон. Значение критической напряженности электрического поля составляет примерно 8·105 В/м для Si и 3·105 В/м для Ge. С повышением температуры ширина запрещенной зоны большинства полупроводников убывает. Следовательно, при этом уменьшается и толщина барьера при той же напряженности поля, что приводит к увеличению вероятности туннелирования сквозь потенциальный барьер, поэтому пробивное напряжение при туннельном пробое уменьшается с увеличением температуры (рис. 6). Так как при туннельном пробое необходима малая толщина p-n перехода, он наблюдается в диодах, изготовленных из полупроводников с большой концентрацией примесей.
Рис.6. Зависимость Uпроб от температуры при туннельном пробое.
Тепловой пробой. Тепловой пробой в диодах происходит с образованием так называемого «шнура» или канала высокой проводимости, температура в котором превышает среднюю температуру остальной части p-n перехода. Образование шнура обычно вызвано дефектами в p-n переходе. Если плотность обратного тока в каком-нибудь месте p-n перехода оказалась больше плотности тока в остальной части перехода, то температура этого места будет еще выше из-за выделяющегося тепла Джоуля-Ленца. Локальное увеличение температуры приводит к дальнейшему росту плотности тока, что вызывает локальное повышение температуры и т.д. Тепловой пробой может возникнуть и при малых обратных токах и напряжениях.
5. Туннельный диод.
Туннельный диод – это диод на основе вырожденного полупроводника, в котором туннельный эффект приводит к появлению на вольт-амперной характеристике при прямом напряжении участка отрицательной дифференциальной проводимости.
Туннельные диоды изготовляются из материалов с очень большой концентрацией примесей (1018–1020 см-3). Благодаря этому толщина p-n перехода оказывается очень маленькой: около 10-2 мкм, т.е. на два порядка меньше, чем в других полупроводниковых диодах. Другим следствием большой концентрации примесей является расщепление примесных энергетических уровней с образованием примесных энергетических зон, которые примыкают к дну зоны проводимости в n-области и к потолку валентной зоны в р-области. Уровни Ферми при этом оказываются расположенными в разрешенных зонах (пунктирные линии на рис.7).
В диоде без внешнего напряжения существует туннелирование электронов из n-области в р-область и обратно. Встречные потоки электронов равны, поэтому ток через диод равен нулю (рис.7а).
При небольшом прямом напряжении на туннельном диоде происходит уменьшение высоты потенциального барьера или смещение энергетической диаграммы n-области относительно энергетической диаграммы р-области. Свободные энергетические уровни р-области (занятые дырками), расположенные непосредственно над уровнем Ферми, оказываются на одной высоте по энергетической диаграмме или при тех же энергиях, что и электроны в n-области (рис. 7б). Поэтому будет происходить преимущественное туннелирование электронов из n-области в р-область.
При прямом напряжении на диоде, когда свободные энергетические уровни валентной и примесной зон р-области окажутся на одной высоте с занятыми электронами энергетическими уровнями зоны проводимости и примесной зоны n-области, туннельный ток через диод будет максимальным (рис. 7в).
Рис.7. Вольт-амперная характеристика и энергетические диаграммы туннельного диода.
При дальнейшем увеличении прямого напряжения на диоде туннельный ток через диод будет уменьшаться, так как из-за смещения энергетических диаграмм будет уменьшаться количество электронов, способных туннелировать из n-области в р-область (рис. 7г).
Туннельный ток окажется равным нулю при некотором, еще большем напряжении, когда из-за относительного смещения энергетических диаграмм n- и р-областей для свободных электронов n-области не будет свободных энергетических уровней в р-области (рис. 7д). Однако при этом через диод будет проходить прямой ток, обусловленный переходом носителей через понизившийся потенциальный барьер электронно-дырочного перехода, т.е. инжекционный ток. С дальнейшим увеличением прямого напряжения прямой ток через диод будет возрастать, как и в обычных полупроводниковых диодах (рис. 7е).
При обратном напряжении на туннельном диоде опять возникают условия для туннелирования электронов (рис. 7ж). Только теперь электроны туннелируют из валентной зоны р-области в зону проводимости n-области. Возникающий при этом обратный ток будет расти с увеличением обратного напряжения по абсолютному значению. Таким образом туннельный диод обладает относительно большой проводимостью при обратном напряжении. Можно считать, что у туннельного диода при ничтожно малых обратных напряжений происходит туннельный пробой.
Таким образом, туннельный диод обладает отрицательным дифференциальным сопротивлением в некотором диапазоне прямых напряжений. Поэтому он может быть использован для генерации и усиления электромагнитных колебаний, а также в переключающих схемах.
Основными параметрами туннельных диодов являются (рис.7):
Изменение температуры может по-разному влиять на туннельную составляющую тока и на составляющую, связанную с инжекцией.
1) С повышением температуры уменьшается ширина запрещенной зоны, что приводит к уменьшению толщины потенциального барьера, сквозь который туннелируют электроны, при этом вероятность туннелирования растет. Соответственно увеличивается туннельная составляющая тока и, в частности, растет пиковый ток.
2) С ростом температуры изменяется распределение электронов по энергетическим уровням – количество электронов под уровнем Ферми в зоне проводимости n-области уменьшается, так как часть свободных электронов переходит на более высокие энергетические уровни, а уровень Ферми смещается вниз. Поэтому уменьшается число электронов, которые могут туннелировать из n-области в р-область. Туннельная составляющая прямого тока уменьшается.
Инжекционная составляющая прямого тока растет из-за уменьшения высоты потенциального барьера и перераспределения носителей заряда по энергетическим уровням. Поэтому ток впадины у туннельного диода растет с увеличением температуры.
Экспериментальная установка.
Измерить вольт-амперные характеристики диодов можно с помощью установки, схема которой приведена на рис.8.
Рис.8. Электрическая схема для исследования ВАХ характеристик диодов.
Здесь E – источник тока, R - -сопротивление, A – амперметр,V – вольтметр. В качестве амперметра и вольтметра используются мультиметры, с автоматическим отключением питания. Если это произошло, то необходимо просто заново включить мультиметр.
Порядок выполнения работы.
1. Включить источник тока с помощью переключателя на задней панели прибора. Включить мультиметры, проверить правильность подключения соединительных проводов и выбранных пределов измерений. Подключить диод D1.
2. Плавно изменяя напряжение от 0 до 500 мВ с шагом приблизительно 100 В, затем от 500 мВ до 800 мВ с шагом 50 мВ, снять вольт-амперную характеристику (ВАХ), т.е. зависимость тока через диод от напряжения, диода D1. Данные занести в табл. 1.
Табл.1. Прямая ветвь ВАХ диода D1.
|
Uпр, мВ |
Iпр, мА |
3. Поменять полярность на источнике тока. Плавно изменяя напряжение от 0 до 7 В с шагом 1 В, а затем от 7 до 8,5 В с шагом 0,1 В снять обратную ветвь ВАХ диода. Данные занести в табл.2.
Табл.2.
|
Uобр, В |
Iобр, мкА |
4. Повторить пункты 2 и 3 для диода D2 и пункт 2 для диода D3.
5. Выключить мультиметры и источник тока.
Обработка результатов.
1. Построить прямые ветви ВАХ диодов D1 и D2 (на одном графике).
2. Построить обратные ветви ВАХ диодов D1 и D2 (на одном графике). Определить Uпр для диода D2.
3. Построить прямую ветвь ВАХ диода D3. Определить параметры туннельного диода: Iп, Iв, Iп/Iв, Uп, Uв.
D
V
0
R
E
A
T1
T2>T1
Iобр
Uобр
Uпроб1
Uпроб2
I0
Uпроб
0
I
Uпр
N1
N2<N1
I
Uпр
Eg1
Eg2<Eg1
I
Uпр
T1
T2>T1
I
T1
T2<T1
Iобр
Uпроб2
Uпроб1
Uобр
0
ж
а
б
в
г
U
е
д
p
n
p
n
p
n
p
n
p
n
p
n
p
n
Uп
Uв
Iп
I
Iп
0
δ, область
объемного заряда
Едиф
p
n
E
qφконт
EF
q(φконт-Uпр)
q(φконт+Uобр)
CBM
VBM
Eg