Дослідження температурної залежності електропровідності напівпровідників і визначення енергії активації. Вивчення ефекту Холла в напівпровідниках

Размещено на http://www.allbest.ru//

Размещено на http://www.allbest.ru//

Лабораторна робота № 8-1

Дослідження температурної залежності електропровідності напівпровідників і визначення енергії активації

Мета роботи: ознайомитись з одним із методів визначення ширини забороненої зони в напівпровідниках.

Прилади і матеріали: установка для вивчення температурної залежності електропровідності напівпровідників.

Теоретичні відомості

При відсутності зовнішніх полів носії струму в тілах, які проводять струм, перебувають лише в тепловому русі Якщо ж зразок провідного тіла розмістити в зовнішньому полі Е, то характер руху носіїв зміниться, поряд з тепловим рухом виникне направлений рух позитивних зарядів поля і негативних зарядів -- проти напрямку поля. Таке переміщення електричних зарядів під дією електричного поля називається дрейфом.

Скориставшись другим законом Ньютона можна показати, що середня дрейфова швидкість пропорційна напруженості , тобто:

(1)

причому величина U називається рухливістю (це середня швидкість, набута частинкою в електричному полі напруженістю 1 В/м).

Розглянемо зразок провідного тіла, концентрація носіїв струму в якому n. Виділимо в зразку два перерізи площею S на відстані , як це показано на рис. 8-1 1.

Всі носії перетинають заштрихований переріз за t=l с, в результаті чого через цей переріз проходить заряд q = enSVД. Сила струму в цьому зразку:

(2)

де е -- елементарний заряд, рівний 1,610-19 Кл.

Рис. 8-1 1

Поділивши (2) на площу перерізу S, одержимо густину струму:

j=enUE (3)

де враховано співвідношення (1).

Порівнюючи вираз (3) з законом Ома в диференціальній формі j = СТЕ, одержимо зв'язок питомої електропровідності з концентрацією носіїв струму:

=enU (4)

Власна провідність напівпровідників

Власна електропровідність напівпровідників зумовлена переміщенням електронів власних атомів, які входять до складу структурних елементів кристалічної ґратки. Вона буває електронною і дірковою. Пояснимо її механізм.

Під дією зовнішніх факторів (опромінення, нагрів і т. п.) в якомусь атомі нейтрального напівпровідника порушився ковалентний зв'язок. При цьому якийсь електрон залишив своє місце і перейшов до іншого іона. Тоді атом, який віддав свій електрон, стає позитивним іоном. Говорять, що на місці електрона виник надлишок позитивного заряду або «позитивна дірка». Ця дірка поводить себе, як елементарний заряд, що чисельно дорівнює заряду електрона. На місце дірки перейде електрон від іншого атома, і дірка виникне в іншому місці. Цей процес переходу електронів і утворення нових дірок відбувається безладно в усій масі напівпровідника: дірки переходять від одного атома до іншого.

Власну провідність напівпровідників можна пояснити на основі зонної теорії. За рахунок додаткової енергії частина електронів переходить з валентної зони в зону провідності -- ці електрони стають вільними (рис. 8-1 2).

Рис. 8-1 2

Енергія, потрібна електрону для міжзонального переходу, називається енергією активації (Ед). Для германію вона дорівнює 0,72 еВ, для кремнію -- 1,1 еВ.

Відстань між рівнями в зоні провідності і валентній зоні 10-28 еВ. Електрони, що перейшли зону провідності під впливом електричного поля, утворюють струм з переходом електрона у верхню зону провідності, у валентній зоні з'являються вільні енергетичні рівні, або позитивні дірки. Електрони, які залишились у валентній зоні, під впливом поля переходять з нижчих енергетичних рівнів цієї зони на вищі, де були вільні місця. При цьому виникають нові дірки, які рухаються в напрямі, протилежному до напряму переміщення електронів.

Отже, в чистих напівпровідниках (в яких немає дефектів кристалічної решітки) електричний струм зумовлений двома провідностями; електронною і дірковою.

Досліди показують значне зростання електропровідності напівпровідника з ростом температури. Позначивши рухливості електронів і дірок Un і Up, співвідношення (4) для власної провідності запишеться так:

=e(Un+Up)n(5)

де враховано, що концентрації електронів і дірок однакові. Рухливості носіїв струму Un і Up залежать від температури, однак ця залежність досить слабка і в значній мірі не впливає на результати дослідів. Оскільки розрив ковалентних зв'язків обумовлений тепловим рухом, то слід очікувати значного росту концентрації при зростанні температури. При звичайних температурах (300 К) концентрація носіїв струму в германії nGe1019 м-3 і кремнії nSi1016 м-3. При інших температурах концентрації носіїв знаходять, використовуючи статистику Больцмана, згідно з якою:

(6)

Перехід електрона в зону провідності потребує додаткової енергії Ед. Оскільки в результаті цього з'являються два носії, то енергія Е, яка необхідна для генерації (утворення) одного носія дорівнює .

Відповідно

(7)

Підставивши (7) в (5) одержимо вираз для температурної залежності електропровідності власного напівпровідника:

(8)

що узгоджується з експериментом.

Домішкова провідність напівпровідників

Якщо у власному напівпровіднику деякі атоми замінити атомами з іншою валентністю (наприклад, атоми Ge замінити атомами As), одержимо домішковий напівпровідник. Навіть незначна кількість домішкових атомів (1 домішковий атом на ІО5 атомів основного напівпровідника) суттєво змінює фізичні властивості напівпровідників. Домішки відіграють подвійну роль. В одних випадках вони є додатковими постачальниками електронів у кристалі (атоми таких домішок називаються донорами), а в інших -- центрами захоплення електронів у кристалах (атоми таких домішок називаються акцепторами -- одержувачами). Домішкова провідність напівпровідників буває електронна і діркова.

1. Розглянемо домішкову електронну провідність на прикладі германію з домішками атомів миш'яку. Германій -- чотиривалентний елемент, а миш'як -- п'ятивалентний. Коли в кристалічній гратці атом германію заміщується атомом миш'яку, чотири електрони миш'яку утворюють міцний ковалентний зв'язок з чотирма сусідніми атомами германію, а п'ятий електрон миш'яку слабо зв'язаний із своїм атомом, легко робиться вільним навіть при кімнатній температурі. Домішкові атоми миш'яку є донорами електронів. Тому електропровідність такого напівпровідника називається електронною, а напівпровідник -- n -- типу.

На основі зонної теорії домішкова електронна провідність пояснюється так. Енергія домішкових електронів менша від енергії нижчого рівня зони провідності напівпровідника. Тому енергетичні рівні домішкових електронів (донорні рівні) лежать у забороненій зоні напівпровідника, причому ближче до зони провідності (рис. 8-1 3). Оскільки енергія Е'д дуже мала (наприклад, для кремнію з домішками Asa;0,054 eB), то за рахунок теплової енергії електрони домішок з донорного рівня переходять у зону провідності напівпровідника.

Рис. 8-1 3

Рис. 8-1 4

2. Домішкову діркову провідність германій матиме тоді, коли домішковий елемент буде тривалентний, наприклад, індій. Коли атом германію замішується атомом індію, останній утворює мінний зв'язок тільки з трьома валентними електронами германію і для утворення повного ковалентного зв'язку не вистачає одного електрона. Тому один з електронів сусіднього атома германію заповнює в атомі індію валентний четвертий зв'язок. Атоми індію при цьому стають центрами захоплення електронів. На місці електрона, який відірвався від германію, з являється «позитивна дірка». Ця дірка заповнюється електронами від сусіднього атома германію. Процес повторюється: дірки безладно перемішуються в об'ємі напівпровідника. Під впливом електричного поля дірки утворюватимуть струм.

За зонною теорією домішкові акцепторні атоми вносять додаткові незайняті енергетичні рівні, які лежать в області забороненої зони ближче до верхнього рівня валентної зони напівпровідника (рис. 8-1 4). Раніше заповнена валентна зона напівпровідника стає зоною діркової провідності. Такий тип провідності напівпровідника називається дірковою домішковою провідністю або провідністю р -- типу.

При низьких температурах провідність напівпровідників здійснюється за рахунок домішок, тобто Ед»Е'д і Еа»Е'а і для цього потрібна менша енергія.

З ростом температури іонізується все більша кількість атомів домішок. Настає температура, при якій всі домішкові атоми іонізовані (область виснаження). При більш високих температурах Т зростання електропровідності пояснюється власною провідністю. Характер залежності електропровідності о від Т подано на рис. 8-1 5.

Рис. 8-1 5

Практично при дослідженні температурної залежності електропровідності напівпровідників часто користуються не провідністю а просто опором напівпровідника. Для тих температур, для яких формули (7) і (8) мають місце, можна записати:

а) для власного напівпровідника

(9)

де Е -- ширина забороненої зони;

б) для напівпровідника n -- типу

(10)

де Ед -- енергія іонізації донорів;

в) для напівпровідника р-типу

(11)

де Е, -- енергія іонізації акцепторів;

г) для домішкового напівпровідника з обома видами домішок

(12)

де Е -- ширина забороненої зони.

Хід роботи

Термоелектричний напівпровідниковий прилад, опір якого залежить від температури і який може бути використаний для фіксування зміни температури навколишнього середовища, називається терморезистором або термістором. Напівпровідникові терморезистори, як правило, містять обидва види домішок

Для одержання температурної характеристики терморезистор розміщують в термостаті або в нагрівній пічці на одному рівні з термопарним датчиком, з'єднаним з вимірювальним містком. Опір напівпровідника при цьому вимірюється мультиметром. Після ознайомлення з лабораторною установкою вимірюють опір терморезистора і відповідну температуру в пічці починаючи від кімнатної температури і закінчуючи температурою 75-80°С. Результати вимірювань заносять в окрему таблицю.

T°C	20	25	30	35	40	45	50	55	60	65	75	80
T, K
R, Ом
lnR

За одержаним значенням R будують графік R=f(T), а також lnR=f(l/T). Коефіцієнт температурної чутливості В визначають із даних вимірювання опору терморезистора при будь-яких двох температурах Т1 і Т2:

Розділивши почленно ці вирази, одержують

Звідки

Енергію активації знаходять за формулою:

Е=кВ,

де к -- стала Больцмана, рівна 1,38-10'23 Дж/К.

Обробка експериментальних даних

1. З графіка залежності In R = f -- визначити енергію активації. В цьому випадку

Одержані результати звіряють із значеннями, відомими з теорії.

2. Визначають коефіцієнт температурної чутливості В терморезистора.

3. Всі розрахунки виконують з допомогою мікроЕОМ.

Контрольні запитання

1. Власна і домішкова провідності напівпровідників з точки зору зонної теорії.

2. Температурна залежність провідності напівпровідників.

3. Концентрація вільних носіїв у верхній частині валентної зони і нижній частині зони провідності.



Лабораторна робота № 8-2

Вивчення ефекту Холла в напівпровідниках

Мета роботи: ознайомитися з одним із методів визначення концентрації вільних носіїв струму в напівпровідниках та встановити їх природу.

Прилади і матеріали: установка для дослідження ефекту Холла в напівпровідниках.

Теоретичні відомості

Сукупна дія магнітного і електричного полів істотно ускладнює картину руху носіїв струму в провідних тілах порівняно з дією лише електричного поля. Якщо в другому випадку має місце їх направлений рух -- дрейф -- з швидкістю, пропорційною , то в першому випадку на дрейфовий рух накладається рух під дією сили Лоренца. У цьому випадку виникають гальваномагнітні явища, найважливішими з яких є ефект Холла.

Явище ефекту Холла полягає в тому, що в провіднику з струмом, розміщеному в зовнішньому магнітному полі виникає електричне поле, напруженість якого перпендикулярна площині, в якій лежать вектори густини струму і індукції магнітного поля.

Зупинимось дещо детальніше на механізмі явища ефекту Холла. На рис. 8-2 1 схематично зображений однорідний ізотропний зразок, через який вздовж осі Х протікає струм І.

У додатному напрямку осі Z діє магнітне поле індукції . При відсутності магнітного поля вектор напруженості електричного поля направлений вздовж осі X. У цьому випадку різниця потенціалів між точками А і В рівна 0, оскільки точки А і В лежать на одній еквіпотенціальній поверхні. Під дією магнітного поля в напрямку, перпендикулярному до , та вздовж осі У виникає електричне поле, напруженість якого позначимо через Еу. Напруженість результуючого поля визначається вектором . Поскільки еквіпотенціальні поверхні перпендикулярні до силових ліній, тобто до , то еквіпотенціальна поверхня, яка проходить через точку О, повернеться на кут (р, що зветься кутом Холла. Точки А і В у даному випадку не лежатимуть на одній еквіпотенціальній поверхні, тому між цими точками виникне різниця потенціалів U», яку звуть холлівською.

Рис. 8-2 1

Рис. 8-2 2

Розглянемо зразок напівпровідника у вигляді пластинки, розміри якої подано на рис. 8-2 2. Нехай відомо, що провідність напівпровідника монополярна, для прикладу -- діркова. При вибраному напрямку с груму вздовж додатного напрямку осі Х швидкість дірок v при відсутності магнітного поля співпадає з цим напрямком. При наявності магнітного поля на дірку діятиме сила Лоренца, в результаті чого дана дірка, й також всі інші дірки змістяться в сторону верхньої грані напівпровідника. Оскільки напівпрвідник у будь-якому випадку буде електронеитральним, то з протилежної сторони розмістяться від'ємні заряди. У результаті перерозподілу електричних зарядів виникне поперечна різниця потенціалів Ux і поле . Перерозподіл електричних зарядів у напівпровіднику буде здійснюватись до тих ігір, доки електрична сила не стане рівною силі Лоренца Fд:

Fд= F (1)

Посильні Fa=qvB, a F=qE, то після підстановки цих значень у рівність (1) знаходимо напруженість холлівського поля:

E=vB (2)

При достатньо великій довжині пластинки крайовими ефектами можна знехтувати, тому, вважаючи, що це поле однорідне, холлівська різниця потенціалів запишеться:

Ux = Еb(3)

Або

Uх = vbB(4)

В одержану рівність (4) входить середнє значення дрейфової швидкості носіїв заряду, яку можна визначити з електронної теорії дослідним шляхом:

J = nqv(5)

Звідки

(6)

Де

(7)

Підстановкою (7) в (5) одержуємо:

(8)

Звідки

(9)

Виключивши із співвідношень (4) і (9) швидкість v, одержуємо кінцевий результат:

(10)

У співвідношенні (10) вираз

(11)

називають сталою Холла.

Стосовно викладеної вище найпростішої теорії ефекту Холла; слід зробити такі зауваження:

у більш строгій теорії співвідношення (11) слід помножити на число , яке звуть холлівським фактором і яке залежить від особливостей розсіювання дірок і електронів на теплових коливаннях кристалічної ґратки

У випадку розсіювання на заряджених домішках:

При великих концентраціях носіїв заряду =1.

У багатьох випадках, де немає необхідності мати справу з високоточними розрахунками, як і в цій роботі, можна прийняти =1.

Для напівпровідників із змішаною, тобто електронною і дірковою провідністю, під дією сили Лоренца відхиляються як електрони, так і дірки. Кількісне описування цього явища суттєво ускладнюється. Постійна Холла в цьому випадку залежить від концентрації і рухливості носіїв обох знаків, причому вклади електронів і дірок в сукупний ефект -- різного знаку.

Використання ефекту Холла

1. Вимірюючи знак і значення постійної Холла (11), можна встановити тип носіїв заряду і їх концентрацію. Одночасно вимірюючи питому електропровідність, є можливість визначити цілий ряд фундаментальних характеристик напівпровідників: ступінь чистоти, енергію активації домішок і ширину забороненої зони, відношення рухливості дірок і електронів і їх ефективні маси.

2.

Рис. 8-2 3

2. Поява холлівської ЕРС використовується в більшості вимірювальних пристроїв і схем автоматики: в магнітометрах (для вимірювання індукції магнітного поля), струмомірах (для вимірювання сили струму, який протікає в кабелях), ватметрах, для перетворення постійного струму в змінний, генерування, модуляції і демодуляції електромагнітних коливань. Для виготовлення холлівських датчиків успішно використовують Ge і Si, однак найкращі результати одержані при * використанні InSb, InAs, InAsxP1-x тощо.

Хід роботи

1. Ознайомтесь з лабораторною установкою і приведіть й в робочий стан, При цьому кремнієвий напівпровідник розміщується між полюсами постійного магніту з індукцією, яка вказується на лабораторній установці. Там же ви знайдете розміри кремнієвого зразка. Електрична схема установки подана на рис. 3.

2. Проведіть вимірювання холлівського струму для трьох значень струму через напівпровідник. Ці та інші необхідні параметри, які є на лабораторній установці, занести до таблиці.

І1.2, МА	Іх,мкА	r1.2, Ом	r,0м	а, м	Ь,м	d,M	В.Тл
3
5
7

Обробка експериментальних результатів

1. Для трьох значень струмів через напівпровідник розрахувати відповідні значення холлівської різниці потенціалів між точками (3,,, 6) напівпровідника, скориставшись законом Ома:

Ux=Іх(r+ r3.6)

3. Скориставшись співвідношенням (10), обчислите значення сталої Холла. У цьому випадку:

3. Середнє значення сталої Холла дає можливість визначити концентрацію носіїв струму в напівпровіднику:

дe q=l,610-19 Кл.

4. Розрахувати значення питомої електропровідності напівпровідника У цьому випадку:

де a, b, d -- розміри кремнієвого зразка в м;

r1,2 -- опір зразка між точками 1 і 2.

5. Оцінити величину рухливості носіїв (наш напівпровідник має діркову провідність). Тому

де q -- елементарний заряд; n -- концентрація носіїв

Контрольні запитання

1. Електропровідність металів. Надпровідність, магнітні властивості надпровідників.

2. Енергетичні зони в кристалах, розщеплення енергетичних рівнів. Розподіл електронів по енергетичних зонах.

3. Валентна зона, зона провідності в металах, напівпровідниках і діелектриках.



Лабораторна робота № 8-3

Вивчення фотоелектричних явищ в напівпровідниках та характеристик напівпровідникового фотоелемента

Мета роботи: вивчити закони внутрішнього фотоефекту на прикладі одержання вольт-амперної і світлової характеристик напівпровідникового фотоопору та знаходження його питомої чутливості.

Припади і матеріали: досліджуваний фотоопір, установка для зняття вольт-амперної і світлової характеристик.

Теоретичні відомості

Суттєва різниця електронного спектра металів і напівпровідників, що описана раніше, визначає специфіку поглинання світла напівпровідниками. Розглянемо власний напівпровідник з шириною забороненої зони Eg, енергетична діаграма якого показана на рис. 8-3 1.

Рис. 8-3 1

Тут Еv -- верхній енергетичний рівень заповненої валентної зони. Ев --нижній енергетичний рівень вільної зони або зони провідності. ЕF -- рівень Фермі

Очевидно, що Eg=Eв-Ev. При Т0 в зоні провідності є деяка кількість вільних електронів, а в валентній зоні -- така ж кількість дірок. Нехай на зразок ладає світло частотою v. Енергія його квантів E=hv. Якщо E<Eg, то кванти світла поглинаються як електронами, так і дірками. Таке поглинання носить назву поглинання вільними носіями. Оскільки ширина забороненої зони велика в порівнянні з тепловою енергією кТ, то концентрація вільних носіїв мала, що обумовлює також малу інтенсивність поглинання. У цьому випадку більш суттєвим є відбивання світла.

Із зростанням частоти стає можливим ще один механізм ослаблення інтенсивності світла, а саме, при енергіях квантів hvS Eg фотон поглинається електроном, який знаходиться в валентній зоні. Це супроводжується переходом електронів у зону провідності і називається внутрішнім фотоефектом. В результаті внутрішнього фотоефекту концентрація вільних носіїв зростає. А оскільки питома електропровідність пропорційна концентрації носіїв, то внутрішній фотоефект викликає зростання електропровідності. Збільшення електропровідності під дією світла носить назву фотопровідності.

У власних напівпровідниках фотопровідність має біполярний характер, тобто поглинання світла приводить до появи електронів в зоні провідності, так і рівної їм кількості дірок у валентній зоні.

Можлива також монополярна фотопровідність. Розглянемо домішковий напівпровідник, енергетична діаграма якого зображена на рис. 8-2 2, де Еd -- домішковий донорний рівень, розташований у верхній половині забороненої зони. При hvEв-Ed поглинання фотона приводить до збудження електрона, зв'язаного з домішкою, та перехід його в зону провідності. Якщо частота задовольняє умову hvEd-Ev, то енергії фотонів не вистачає для збудження електронів з валентної зони на домішковий рівень. Таким чином, при Ed-EvhvEв-Ed генерується певна кількість вільних носіїв одного знаку -- електронів, а фотопровідність має монополярний характер. Очевидно, що при hvEd-Ev генеруються як електрони провідності, так і дірки, тоді домішкова фотопровідність буде біполярна. Аналогічні міркування можна провести також і для акцепторного напівпровідника.

Рис. 8-3 2

Поряд з генерацією носіїв квантами світла відбувається і зворотний процес, тобто перехід електронів у валентну зону, що називається рекомбінацією. Розрізняють кілька механізмів рекомбінації. Оскільки рекомбінація визначає суттєві риси фотопровідності, слід враховувати два найважливіші з них:

1. Пряма рекомбінація або рекомбінація зона -- зона, при якій з'єднання електрона з діркою відбуваються завдяки переходові електрона із зони. провідності в пустий стан валентної зони. При цьому надлишок енергії електрон розсіює, здебільшого випромінюючи фотон;

2. Рекомбінація за участю домішок і дефектів. У цьому випадку вільні електрони рекомбінують з зв'язаними дірками на домішках і дефектах, а вільні дірки -- з зв'язаними електронами. У результаті процесів фотогенерації та рекомбінації в зразкові при неперервному освітленні встановлюється стабільне значення концентрації нерівноважннх носіїв, яке й визначає собою фотопровідність.

У даній роботі вивчаються фотоелектричні явища в напівпровідниках на прикладі фотоопору. Будова фотоопору та принцип дії показані на рис. 8-3 3. де 1 -- ізолююча підкладка, 2 -- фоточутливий шар напівпровідникового матеріалу (здебільшого PbS, CdS, CaAs), 3 -- металеві контакти.

Рис. 8-3 3

При опроміненні шару напівпровідника світлом завдяки внутрішньому фотоефектові опір зразка зменшується, а струм у коді відповідно зростає. Ця властивість фотоопорів обумовлює іх широке застосування в схемах автоматики як приймачів так і датчиків випромінювання.

Порядок виконання роботи

Завдання 1. Зняття вольт -- амперної характеристики, тобто залежності сили фотоструму Іф від напруги U.

1. Ввімкнути установку в міську мережу.

2. Встановити віддаль R джерела світла від фотоопору 10...15 см.

3. Змінюючи напругу від нуля до максимального значення, через кожні 10В фіксувати значення струму Іф.

4. Дослід повторити для R=25...30 cm.

5. Всі дані вимірювань занести в таблицю.

Завдання 2. Зняття світлової характеристики, тобто залежності сили фотоструму від величини освітленості фотоопору.

1. Встановити постійну напругу 80 В.

2. Змінюючи віддаль R від максимального до мінімального значення, через кожні 5 см фіксувати величину фотоструму.

3. Дослід повторити для U=150 В.

4. Всі дані вимірювань занести в таблицю.

Завдання 3. Визначення питомої чутливості фотоопору, тобто величини сили фотоструму при одиничних значеннях напруги та світлового потоку Ф.

(1)

Враховуючи, що світловий потік Ф, який падає на поверхню площею S, може бути знайдений через величину освітленості Е цієї поверхні за формулою:

Ф=ES (2)

а освітленість визначається через силу світла І джерела співвідношенням:

(3)

з формули (1) одержимо остаточний вираз для розрахунку питомої чутливості фотоопору:

(4)

Обробка результатів експерименту та їх аналіз

1. За даними таблиці завдання 1 побудувати залежність Іф =f(U) для різних R на одному графіку. Незалежну змінну U відкладати вздовж горизонтальної осі.

2. За формулою (3) обчислити освітленість відповідно всім значенням R. таблиці завдання 2, взявши силу світла лампочки І рівною 1,8 кандели.

3. За даними таблиці завдання 2 побудувати залежність Іф =f(E). Незалежну змінну Е відкладати вздовж горизонтальної осі.

4. За формулою (4) для певного значення R вирахувати не менше трьох разів К0 при різних U і відповідних їх Іф. Знайти абсолютну та відносну похибки. напівпровідник ефект холл кристал

5. Зробити аналіз результатів роботи та висновки з нього.

Контрольні запитання

Явища зовнішнього та внутрішнього фотоефекту.

Пояснити фотоелектричні явища в напівпровідниках з точки зору зонної теорії.

Назвати і обгрунтувати позитивні та негативні сторони фотоопорів. Навести приклади їх застосування.



Лабораторна робота № 8-4

ВИВЧЕННЯ ФІЗИЧНИХ ВЛАСТИВОСТЕЙ р -- п-ПЕРЕХОДУ В НАПІВПРОВІДНИКОВОМУ ДІОДІ

Мета роботи: вивчити фізичні властивості напівпровідникового діода шляхом зняття вольт-амперної характеристики та знаходження коефіцієнта випрямлення.

Прилади та матеріали: досліджуваний діод; установка для одержання вольт-амперної характеристики.

Теоретичні відомості

Елекгронно-дірковий (або р-п) перехід виникає при контакті напівпровідників з різним типом провідності, який здійснюється їх сплавленням, іонною імплантацією або іншими технологічними прийомами. У напівпровідникові р-типу основні носії струму -- електрони, концентрація яких n. У результаті теплової генерації в ньому існують також неосновні носії заряду -- дірки, концентрація яких рn, причому nрn. У напівпровідникові р -- типу основні носії дірки концентрацією р і неосновні-електрони концентрацією nр взаємозв'язані аналогічною нерівністю pnp. Оскільки концентрації власних носіїв рп і п? визначаються шириною забороненої зони Eg та температурою Т, то рn=nр. Отже, nрn і pnp. Таким чином, у напрямку, перпендикулярному до площини р-п переходу, існує градієнт концентрації носіїв заряду, результатом чого є дифузія електронів з n -- області в р -- область, а також зустрічна дифузія дірок. Оскільки носії мають електричний заряд, то дифузія супроводжується протіканням через р -- п -- перехід електричного струму, який носить назву дифузійного струму. Напрямки дифузійних струмів електронів і дірок показані на рис. 8-4 1.

Рис. 8-4 1

У результаті дифузії основних носіїв заряду донори в n напівпровіднику, а акцептори в р -- напівпровіднику іонізуються, в результаті чого в області контакту створюються об'ємні заряди -- позитивні в n -- області та негативні в р -- області. Незначний внесок в об'ємний заряд дають також дифундовані дірки та електрони. Розподіл густини об'ємного заряду р(х) вздовж зразка наведено на рис. 8-4 2. Між утвореними об'ємними зарядами виникає контактна різниця потенціалів Uk електричне поле напруженістю Е (рис. 8-4 1.).

Наявність контактної різниці потенціалів приводить до того, що поряд з дифузійним рухом основних носіїв відбувається переміщення неосновних носіїв заряду. Під дією поля дірки з n -- області переходять в р - тип, а електрони назустріч. Таке переміщення неосновних носіїв заряду -- дрейф -- приводить до появи дрейфового струму je (рис. 8-4 1). При сталій температурі та відсутності зовнішніх впливів р-n перехід знаходиться в динамічній рівновазі, тобто дрейфовий і дифузійний струми компенсують один одного, контактна різниця потенціалів приймає певне значення, а енергія Фермі ЕF набуває однакового рівня як в n -- так і в р -- області зразка.

Рис. 8-4 2

Оскільки потенціальна енергія заряду в електричному полі визначається співвідношенням е, де  -- потенціал, то з врахуванням рис. З можемо зобразити енергетичну діаграму рівноважного р -- n -- переходу в такому вигляді (рис. 8-4 4).

Рис. 8-4 3

Контактне поле протидіє рухові основних носіїв заряду. Тому в р -- n -переході для основних носіїв заряду виникає потенціальний бар'єр, висота якого , а ширина його визначається товщиною р -- n - переходу. Із зростанням домішковоі концентрації збільшується концентрація основних носіїв заряду, що приводить до зростання кількості частинок, що дифундують. Тому збільшується густина об'ємного заряду, що забезпечує зростання Uk і зменшення товщини р -- n -- переходу. Для германію типові значення UK=0,3,..0,4 В, d=10-4...10-5 см, а при великих концентраціях домішок UK=0,7 В, d=10-6 cm.

Рис. 8-4 4

Приєднаємо джерело зовнішньої напруги позитивним полюсом до р -області, а негативним -- до n -- області. Така напруга, в якої полярність співпадає з полярністю основних носіїв заряду, називається прямою. Електричне поле, створене прямою напругою, діє назустріч контактному полю (рис. 8-4 5).

Рис. 8-4 5

Результуюче поле стане слабкішим, що призведе до зменшення різниці потенціалів на р -- n -- переході, внаслідок чого зменшиться висота потенціального бар'єра для основних носіїв заряду. Енергетична діаграма зміниться так, як показано на рис. 8-4 6. Зниження висоти потенціального бар'єра забезпечить зростання дифузійного струму jд.

Рис. 8-4 6

Струм дрейфу практично не зміниться, оскільки він визначається головним чином числом неосновних носив заряду, які досягають р -- n -переходу за рахунок теплового руху, а в нашому випадку температура залишалась сталою.

Таким чином, при прямому включенні через р -- n -- перехід протікає прямий струм, густина якого jпp=jд-je. Оскільки контактна різниця потенціалів Uk. складає десяті долі вольта, то вже при малих (-0,1 В) прямих напругах висота потенціального бар'єра суттєво зменшується, що приводить до великих значень прямого струму навіть при порівняно малій напрузі.

У випадку прямої напруги не тільки зменшується висота потенціального бар'єра, але й відбувається також зменшення товщини p-n -переходу, що приводить до зменшення опору, причому наявність об'ємного заряду обумовлює нелінійну залежність між струмом і напругою.

Змінивши полярність зовнішньої напруги, одержуємо зворотне включення p-n -- переходу Напруженості зовнішнього та контактного полів додаються (рис. 8-4 7). Висота потенціального бар'єра зростає Вже при малих зворотних напругах внаслідок зростання висоти потенціального бар'єра дифузійний струм практично стає рівним нулю. Провідність p-n -- переходу обумовлена неосновними носіями заряду, а зворотний струм -- де струм дрейфу Як вже зазначалось вище, дрейфовий струм в основному визначається тепловим рухом носіїв, внаслідок чого слабко залежить від величини зворотної напруги. Оскільки концентрація неосновних носив мала, то й зворотний струм значно менший від прямого. Як підсумок, вольт -- амперна характеристика, тобто залежність I=f(U) має. вигляд графіка, зображеного на рис. 8-4 8. Масштаби для позитивних і негативних значень І та U взяті різними.

Рис. 8-4 7

Рис. 8-4 8

Малі значення зворотного струму p-n -- переходу в порівнянні з прямим (до 106 разів) дозволяють використовувати його для випрямлення змінного струму.

Найпростіша схема випрямлення на напівпровідниковому діоді подана на рис.8-4 9, де  -- ЕРС генератора, яка змінюється за синусоїдним законом. Rн -- навантажувальний опір резистора. Під час одного півперіода напруга на діоді є прямою і через діод тече прямий струм і створює на навантажувальному резисторі напругу Uн. Під час наступного півперіода напруга зворотна і завдяки малості зворотного струму Uн=0. Таким чином, випрямлена напруга має імпульсний характер. Для згладжування пульсацій паралельно Rн вмикається конденсатор, розряд якого під час від'ємних півперіодів забезпечує зменшення пульсацій.

Рис. 8-4 9

Порядок виконання роботи

Ввімкнути установку в міську мережу.

Перемикач поставити в положення ''Прямий".

Змінюючи напругу від нуля, фіксувати значення струму через кожні 0,1В.

Перемикач поставити в положення "Зворотний".

Змінюючи напругу від нуля, фіксувати значення струму через кожні 10В.

Всі дані вимірювань занести в таблицю.

Обробка результатів експерименту та їх аналіз

На міліметровому папері (не дотримуючись однакового масштабу для позитивних і негативних значень струму і напруги) побудувати вольт -- амперну характеристику I=f(U) напівпровідникового діода.

Обчислити статичний опір для прямого і зворотного напряму при різних значеннях прикладеної напруги за формулою . Побудувати графік R= f(U).

Обчислити динамічний опір в певній точці вольт-амперної характеристики за формулою .

За формулою (при Uпр=Uзв) для різних значень прикладеної напруги знайти коефіцієнт випрямлення.

Зробити аналіз результатів роботи та висновки з нього.

Контрольні запитання

1. Власна та домішкова провідності напівпровідників.

2. Зонна теорія напівпровідників.

3. Фізичні властивості р -- n -- переходу в прямому і зворотному напрямі.

Размещено на Allbest.ru

...