Теоретические положения.Стр 1 из 2Следующая ⇒
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №6 Исследование свойств р – п перехода Цель работы:изучение проводимости р – п перехода, исследование вольтамперной характеристики полупроводникового диода.
Используемые приборы:модульный учебный комплекс серииМУК-ЭТ.
Теоретические положения.
К полупроводникам относят вещества, обладающие следующими свойствами: 1. Значение удельного электрического сопротивления может изменяться в широком интервале от 10-5 до 108 Ом·м. 2. С повышением температуры электрическое сопротивление таких веществ уменьшается. 3. При контакте с металлом или другим полупроводником наблюдается выпрямляющий эффект (неомическое поведение контакта). Типичными представителями полупроводников являются кремний, германий, теллур. На внешней оболочке атомов кремния и германия находятся четыре валентных электрона, которые ковалентными связями связаны с валентными электронами соседних атомов кристалла. При абсолютном нуле температуры все электроны связаны со своими атомами, и проводимость отсутствует, т.к. отсутствуют свободные носители заряда. При Т > 0 К за счет хаотического теплового движения некоторые электроны могут приобрести энергию, достаточную для разрыва связи со своим атомом. Такие электроны могут перемещаться по всему объему кристалла и становятся электронами проводимости. В оставленных ими местах – вакансиях – образуется избыток положительного заряда. Во внешнем электрическом поле такая вакансия перемещается подобно положительному электрическому заряду – дырке (hole). Электропроводность собственных полупроводников обусловлена двумя типами носителей заряда: отрицательно заряженными электронами и положительными дырками. Практическое применение чаще имеют не собственные полупроводники, а полупроводники, в которых контролируемо созданы дефекты кристаллической структуры за счет введения малых количеств примесей (один атом примеси на миллион – миллиард атомов кремния). Если в собственный полупроводник внедрены атомы пятивалентной примеси (фосфор), то атомы примеси, заместив атомы кремния в кристаллической решетке, также образуют связи с соседними четырьмя атомами кремния, но, при этом, один валентный электрон атома примеси оказывается свободным. Электроны в таком примесном полупроводнике становятся основными носителями заряда. Дырки также участвуют в процессе проводимости, но в гораздо меньшей степени, и являются неосновными носителями. Полупроводник, в который введена пятивалентная или донорная примесь, называется полупроводником n–типа (negative). Если в собственный полупроводник внедрены атомы трехвалентной примеси (индий), то атомы примеси, заместив атомы кремния в кристаллической решетке, также образуют связи с соседними четырьмя атомами кремния, но, при этом, одна связь атома примеси оказывается свободной. Появление дополнительной связи эквивалентно появлению вакансии для электрона, т.е. возникновению положительно заряженной дырки. Дырки в таком примесном полупроводнике становятся основными носителями заряда. Электроны также участвуют в процессе проводимости, но в гораздо меньшей степени, и являются неосновными носителями. Полупроводник, в который введена трехвалентная или акцепторная примесь, называется полупроводником р–типа (positive). Рассмотрим кристалл полупроводника, в некотором месте которого проводимость практически мгновенно изменяется с электронной на дырочную. Такой контакт называется р – п переходом. В момент образования контакта начинается процесс, похожий на диффузию: 1. электроны из п – области (основные носители), где концентрация их выше, чем в р – области, диффундируют в р – область; 2. дырки из р – области (основные носители), где концентрация их выше, чем в п – области, диффундируют в п – область. Процесс продолжается до тех пор, пока за счет перемещения основных носителей из области в область не возникнет запирающее электрическое поле с напряженностью , препятствующее дальнейшему переходу основных носителей (рис.3). Поле существует только в очень тонком слое вблизи контакта. Если к кристаллу приложить внешнее прямое напряжение ((-) к п - области, (+) к р – области), то за счет внешнего напряжения возникнет внешнее электрическое поле, направленное навстречу запирающему полю (рис.4). Напряженность суммарного поля при прямом включении в соответствии с принципом суперпозиции: Уменьшение запирающего поля приводит к увеличению количества основных носителей заряда, способных к переходу из области в область, тогда как количество переносимых неосновных носителей (дырки в п – области и электроны в р – области) остается практически неизменным. Если к кристаллу приложить внешнее обратное напряжение ((+) к п - области, (-) к р – области), то за счет внешнего напряжения возникнет внешнее электрическое поле, направленное параллельно запирающему полю (рис.5). Напряженность суммарного поля при прямом включении в соответствии с принципом суперпозиции: Усиление запирающего поля приводит к уменьшению количества основных носителей заряда, способных пересечь область контакта. Поэтому ток через переход при обратном включении определяется перемещением через контакт только неосновных носителей, концентрация которых очень мала. Свойство односторонней проводимости р – п перехода используется при создании полупроводниковых диодов, используемых чаще всего в качестве выпрямительных (детекторных) устройств. Вольтамперная характеристика р – п перехода и полупроводникового диода описывается уравнением Шокли: q = 1,6·10-19 Кл – заряд электрона; U – напряжение на переходе (положительное при прямом включении и отрицательное при обратном); k = 1,38·10-34 Дж/К – постоянная Больцмана; Т – абсолютная температура; I0 – постоянная, имеющая размерность силы тока (А). Типичная вольтамперная характеристика (ВАХ) кремниевого р – п перехода приведена на рис.6. Поскольку ВАХ р – п перехода нелинейна, постольку электрическое сопротивление диода не является постоянным и имеет дифференциальный характер: Дифференциальное сопротивление равно отношению приращения напряжения на диоде к приращению силы тока вблизи данного значения напряжения. На электрических схемах полупроводниковые диоды обозначаются стрелкой, которая указывает направление прямого тока через диод.
©2015 arhivinfo.ru Все права принадлежат авторам размещенных материалов.
|