Изучение электрических свойств p-n перехода
СОДЕРЖАНИЕ: Теоретические сведения о свойствах полупроводников. Предоставление энергетических диаграмм p-n перехода в условиях равновесия. Получение вольтамперной и вольтфарадной характеристик по заданным значениям напряжения и тока. Расчет концентрации примеси.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-nпереход 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-nобласти 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 V0 соответствует прямому включению, а V0 – обратному. Отсюда следует, что при прямом включении ширина перехода уменьшается, а при обратном – увеличивается.
Таким образом, p-nпереход 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 V0 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 MicrosoftOffice.
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