Р- n -переход при нарушении равновесия. ВАХ р- n -перехода по Шокли.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 2.

ИССЛЕДОВАНИЕ ФИЗИЧЕСКИХ ПАРАМЕРОВ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ДИОДОВ.

Ц Е Л Ь Р А Б О Т Ы :

определение физических параметров полупроводниковых диодов с p-n-переходом по вольтамперным характеристикам (ВАХ).

 

О Б О Р У Д О В А Н И Е :

прибор для исследования характеристик полупроводниковых приборов Л2-56А (ТР-4718, ТР-4805), источник постоянного напряжения ТЭС-9, вольтметр постоянного тока В7-27, вольтметр постоянного тока В7-7/А, установка для снятия ВАХ диодов в области малых токов.

Примечание: возможно использование других приборов с аналогичными характеристиками.

КРАТКАЯ ТЕОРИЯ ВОПРОСА

 

Образование p-n-перехода и его энергетическая диаграмма.

Электронно-дырочным переходом (p-n-переходом) называют область вблизи контакта полупроводников с различной электропроводимостью (p- и n- типа).

При соединение полупроводников p- и n- типа путём легирования акцепторными (или донорными примесями соответственно) должна происходить диффузия носителей заряда вследствие наличия градиента концентрации: электроны будут диффундировать в p-область из n-области, да из р-области в n-область.

Уход основных носителей заряда нарушит компенсацию ими заряда ионизированных атомов примесей вблизи контакта. Наличие нескомпенсированного заряда вблизи контакта приведёт к появлению электрического поля e_диф, направленного так, что оно препятствует движению носителей заряда вследствие наличия градиента концентрации. При некоторой величине e_диф  установится равновесие между движением носителей через контакт из-за градиента концентрации и дрейфом носителей из-за наличия поля e_диф в противоположном направлении. Таким образом, при равновесии вблизи контакта областей p- и n- типов существует область с электрическим полем e_диф, направленным от n- к p- области, называемая областью объёмного заряда p-n-перехода (ООЗ). Рис 1.1.

                                                                        e_диф       

             Р                                        n

                       

 

               

 

                                                                                               ООЗ                       

 

 

  

Энергетические диаграммы полупроводников р- и n-типа до соединения изображены на рис. 1.2а.

P                                                                                n P               d                  n

                                        E_c

                                  E_Fn                                                                                        e_диф

                                                                                                                                 -qj_k

E_i                                                       E_i

                                                                                                                                          

E_Fp                                                                                                                                     E_F                                                       

                                  E_V                                                                                           E_i

 

 

A)                                                                                                     Б)

                        

                                           Рис. 1.2

По вертикальной оси вниз откладывается энергия электрона – Е (отрицательная, поскольку заряд электрона отрицательная, а его энергия в макроскопическом потенциальном поле qj, j -потенциал), по горизонтальной оси откладывается координата Х (одномерный случай). Е_с – энергия, которую имеет электрон на дне зоны проводимости, Е_v – энергия электрона на потолке валентной зоны, Е_i – центр запрещённой зоны, Е_F, E_Fn , E_Fp – уровень Ферми. При соединении Р- и N- полупроводников, как было отмечено выше, вблизи контакта возникает поле e_диф, приводящее к наклону границ зон в OOЗ. Поскольку e_диф направлено от N- к Р-полупроводнику (от высокого потенциала к низкому) потенциал N-области больше и на диаграмме границы зон N-области расположены ниже. Наклон зон в ООЗ пропорционален e_диф. Высота потенциального барьера на контакте - qj_к, где j_к =e_дифd - контактная разность потенциалов – важнейшая характеристика Р-N-перехода:

 

    n_i – собственная концентрация полупроводника;

n_no, p_no – концентрация электронов и дырок в n-области;

n_po, p_po – концентрация электронов и дырок в р-области.

 

р- n -переход при нарушении равновесия. ВАХ р- n -перехода по Шокли.

При равновесии концентрация электронов и дырок на границах 003 определяется высотой потенциального барьера qj_к и согласно статистике Больцмана

n_no, p_po – концентрация основных носителей;

n_po, p_no– концентрация не основных носителей.

 

При нарушении равновесия путём подачи напряжения на р-n-переход через него начинает протекать ток. Будем называть прямым такое напряжение, которое создаёт поле, напряжённость которого направлена против e_диф   , обратным – напряжённость которого совпадает с e_диф.

При приложении прямого напряжения уменьшается высота потенциального барьера (падает суммарная напряжённость в 003) и носители заряда, имеющие наибольшую энергию, преодолевают его – переходят через 003 и становятся неосновными. Т.о. через р-n-переход при прямых смещениях течёт заметный ток. Неравновесные концентрации неосновных носителей на границах 003:

увеличивается с ростом U. Этот процесс называется инжекцией.

При приложении обратного напряжения высота потенциального барьера увеличивается, что ещё более затрудняет пересечение 003 основными носителями. Для неосновных носителей (дырки в n-области, электроны в р-области) потенциального барьера нет, и они при подходе к 003 втягиваются полем – происходит экстракция неосновных носителей. При экстракции через переход течёт обратный ток, но величина его очень мала из-за малого количества носителей (неосновных).

Концентрация неосновных носителей с ростом обратного напряжения U (U<0) должна очень быстро падать:

однако падение n_р и р_n ограничено тем, что скорость движения носителей заряда в возрастающем в 003 поле растёт до определённого предела и при достижении этого предела падение концентраций существенно замедлится – обратный ток практически не будет расти по величине.

Согласно теории Шокли, считается, что заряд подвижных носителей в 003 при небольших смещениях мал, 003 имеет резкие границы по обе стороны контакта. Кроме того, при малых смещениях падением напряжения на нейтральных областях р-n-перехода (базах) можно пренебречь, а следовательно, можно пренебречь дрейфовой составляющей тока через р-n-переход и считать, что внешнее напряжение падает целиком на 003. Тогда полный ток через р-n-переход имеет диффузионную (дырочную и электронную) составляющую:

    

   S – площадь перехода;

D_p, D_n – коэффициенты диффузии дырок и электронов.

Согласно второму закону диффузии Фика:

Где с(х) – концентрация;

       D – коэффициент диффузии.

 

Положив C = n_p и C = p_n получим уравнение непрерывности для дырочного и электронного тока через р-n-переход, решая которое при известных граничных условиях (концентрация на границах 003) выразим ток через переход:

      

где L_n, L_p - диффузионные длины неосновных носителей;

                 t - время жизни неосновных носителей.

Ток через р-n-переход можно записать в виде:

При  

 

При обратных смещениях полученная зависимость тоже справедлива.

Т.о. при U<0 и достаточно больших U:   I®I₀ , т.е. обратный ток насыщается.

 

---

Дата добавления: 2019-02-26; просмотров: 300; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

---

---

Мы поможем в написании ваших работ!