Краткие теоретические сведения

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 1

Исследование свойств контакта полупроводников n- и p- типа с одинаковой шириной запрещённой зоны

Краткие теоретические сведения

Основным элементом большинства полупроводниковых приборов является электронно-дырочный переход (р-n -переход), представляющий собой переходный слой между двумя областями полупроводника, одна из которых имеет электронную электропроводность, а другая — дырочную.

Образование p-n - перехода. P-n - переход в равновесном состоянии.

Рассмотрим подробнее процесс образования p-n -перехода. Равновесным называют такое состояние перехода, когда отсутствует внешнее напряжение. Напомним, что в р -области имеются два вида основных носителей заряда: неподвижные отрицательно заряженные ионы атомов акцепторной примеси и свободные положительно заряженные дырки; а в n -области имеются также два вида основных носителей заряда: неподвижные положительно заряженные ионы атомов донорной примеси и свободные отрицательно заряженные электроны.

До соприкосновения p- и n- областей электроны, дырки и ионы примесей распределены равномерно. При контакте на границе p- и n- областей возникает градиент концентрации свободных носителей заряда и, вследствие этого, диффузия. Под действием диффузии электроны из n -области переходят в p-область и рекомбинируют там с дырками. Дырки из р -области переходят в n -область и рекомбинируют там с электронами. В результате такого движения свободных носителей заряда в приграничной области их концентрация убывает почти до нуля и, в тоже время, в p -области образуется отрицательный пространственный заряд ионов акцепторной примеси, а в n -области положительный пространственный заряд ионов донорной примеси. Между этими зарядами возникает контактная разность потенциалов j_к и электрическое поле E_к, которое препятствует диффузии свободных носителей заряда из глубины р- и n- областей через р-n- переход. Таким образом область, обеднённая свободными носителями заряда со своим электрическим полем и называется р-n- переходом.

P-n -переход характеризуется двумя основными параметрами:

Высота потенциального барьера. Она равна контактной разности потенциалов j_к. Это разность потенциалов в переходе, обусловленная градиентом концентрации носителей заряда. Это энергия, которой должен обладать свободный заряд, чтобы преодолеть потенциальный барьер:

где k – постоянная Больцмана, q – заряд электрона, T – температура, N_а и N_д – концентрации акцепторов и доноров в дырочной и электронной областях соответственно, p_p и p_n – концентрации дырок в p - и n- областях соответственно, n_i – собственная концентрация носителей заряда в нелегированном полупроводнике, – температурный потенциал. При температуре T = 27⁰С j_T ≈ 0,025 В, для германиевого перехода j_к = 0,6 В, для кремниевого перехода j_к = 0,8 В.

Ширина p-n-перехода (рис.1.1) – это приграничная область, обеднённая носителями заряда, которая располагается в p - и n -областях

где e - относительная диэлектрическая проницаемость материала полупроводника, ε₀ - диэлектрическая постоянная свободного пространства.

Толщина электронно-дырочных переходов имеет порядок (0,1 - 10) мкм. Если и p-n -переход называется симметричным, если > < , то < > и p-n -переход называется несимметричным, причём он в основном располагается в области полупроводника с меньшей концентрацией примеси.

В равновесном состоянии (без внешнего напряжения) через р-n -переход движутся два встречных потока зарядов (протекают два тока). Это дрейфовый ток неосновных носителей заряда и диффузионный ток, который связан с основными носителями заряда. Так как внешнее напряжение отсутствует, и тока во внешней цепи нет, то дрейфовый ток и диффузионный ток взаимно уравновешиваются и результирующий ток равен нулю:

Это соотношение называют условие динамического равновесия процессов диффузии и дрейфа в изолированном (равновесном) p-n -переходе.

Поверхность, по которой контактируют p- и n -области называется металлургической границей. Реально она имеет конечную толщину – δ_м. Если δ_м<< , то p-n -переход называют резким. Если δ_м >> , то p-n -переход называют плавным.

Р-n - переход в неравновесном состоянии (при внешнем напряжении, приложенном к нему).

Внешнее напряжение нарушает динамическое равновесие токов в p-n -переходе. P-n -переход переходит в неравновесное состояние. В зависимости от полярности напряжения приложенного к областям в p-n -перехода возможно два режима работы.

Прямое смещение p-n -перехода. Р-n- переход считается смещённым в прямом направлении, если положительный полюс источника питания подсоединен к р -области, а отрицательный к n -области (рис.1.2)

При прямом смещении, напряжения j_к и U направлены встречно, результирующее напряжение на p-n -переходе убывает до величины j_к - U. Это приводит к тому, что напряженность электрического поля убывает и возобновляется процесс диффузии основных носителей заряда. Кроме того, прямое смещение уменьшает ширину p-n -перехода, т.к. . Ток диффузии, ток основных носителей заряда, становится много больше дрейфового. Через p-n -переход протекает прямой ток:

При протекании прямого тока основные носители заряда р -области переходят в n -область, где становятся неосновными. Диффузионный процесс введения основных носителей заряда в область, где они становятся неосновными, называется инжекцией, а прямой ток – диффузионным током или током инжекции. Для компенсации неосновных носителей заряда накапливающихся в p - и n- областях во внешней цепи возникает электронный ток от источника напряжения, т.е. принцип электронейтральности сохраняется.

При увеличении U ток резко возрастает, температурный потенциал, и может достигать больших величин т.к. связан с основными носителями, концентрация которых велика.

Обратное смещение p-n -перехода возникает когда к p -области приложен минус, а к n -области плюс, внешнего источника напряжения (рис.1.3).

Такое внешнее напряжение U включено согласно j_к. Оно увеличивает высоту потенциального барьера до величины j_к + U, напряжённость электрического поля возрастает; ширина p-n - перехода возрастает, т.к. , процесс диффузии полностью прекращается и через p-n -переход протекает дрейфовый ток, ток неосновных носителей заряда. Такой ток p-n -перехода называют обратным, а поскольку он связан с неосновными носителями заряда, которые возникают за счет термогенерации, то его называют тепловым током и обозначают – I₀, т.е.

Этот ток мал по величине т.к. связан с неосновными носителями заряда, концентрация которых мала. Таким образом, p-n -переход обладает односторонней проводимостью.

При обратном смещении концентрация неосновных носителей заряда на границе перехода несколько снижается по сравнению с равновесной. Это приводит к диффузии неосновных носителей заряда из глубины p - и n -областей к границе p-n -перехода. Достигнув её неосновные носители попадают в сильное электрическое поле и переносятся через p-n- переход, где становятся основными носителями заряда. Диффузия неосновных носителей заряда к границе p-n -перехода и дрейф через него в область, где они становятся основными носителями заряда, называется экстракцией. Экстракция и создает обратный ток p-n- перехода – это ток неосновных носителей заряда.

Величина обратного тока сильно зависит от температуры окружающей среды, материала полупроводника и площади p-n -перехода.

Температурная зависимость обратного тока определяется выражением , где T₀ - номинальная температура, T - фактическая температура, T^* - температура удвоения теплового тока

Тепловой ток кремниевого перехода много меньше теплового тока перехода на основе германия << (на 3-4 порядка). Это связано с j_к материала.

С увеличением площади перехода возрастает его объём, и, следовательно, возрастает число неосновных носителей, появляющихся в результате термогенерации, и тепловой ток растёт.

Итак, главное свойство p-n -перехода – это его односторонняя проводимость. Его ВАХ приведена на рис.1.4.

Цель работы – изучение влияния температуры на функционирование p-n- перехода. В данной работе снимаются вольт-амперные характеристики германиевого и кремниевого переходов при трёх разных температурах.

Ход работы: приступая к выполнению данной лабораторной работы необходимо запустить программу моделирования и анализа электрических схем «Electronics Workbench» («Рабочее место электроника»).После запуска она будет выглядеть следующим образом:

Рис. 1.5

Для работы необходимо собрать схему исследования, представленную на рисунке 1.6.

При нажатии кнопки открывается окно, в котором курсором необходимо выбрать тип исследуемого электронно-дырочного перехода.