Заглавная страница Избранные статьи Случайная статья Познавательные статьи Новые добавления Обратная связь КАТЕГОРИИ: АрхеологияБиология Генетика География Информатика История Логика Маркетинг Математика Менеджмент Механика Педагогика Религия Социология Технологии Физика Философия Финансы Химия Экология ТОП 10 на сайте Приготовление дезинфицирующих растворов различной концентрацииТехника нижней прямой подачи мяча. Франко-прусская война (причины и последствия) Организация работы процедурного кабинета Смысловое и механическое запоминание, их место и роль в усвоении знаний Коммуникативные барьеры и пути их преодоления Обработка изделий медицинского назначения многократного применения Образцы текста публицистического стиля Четыре типа изменения баланса Задачи с ответами для Всероссийской олимпиады по праву Мы поможем в написании ваших работ! ЗНАЕТЕ ЛИ ВЫ?
Влияние общества на человека
Приготовление дезинфицирующих растворов различной концентрации Практические работы по географии для 6 класса Организация работы процедурного кабинета Изменения в неживой природе осенью Уборка процедурного кабинета Сольфеджио. Все правила по сольфеджио Балочные системы. Определение реакций опор и моментов защемления |
Методика эксперимента и экспериментальная установкаСтр 1 из 2Следующая ⇒
Лабораторная работа №6 Контакт двух полупроводников (p-n переход) Цель работы: исследование проводимости контактов двух полупроводников с различной проводимостью.
Часть I (диод D2) Теория Переходный слой на границе раздела электронной и дырочной областей одного и того же монокристалла полупроводника называется электронно-дырочным переходом или (чаще), р-п-переходом (рис. 1). Его существование обусловлено различием в концентрациях подвижных носителей зарядов дырочной и электронной областей. Уход электрона из ковалентной связи сопровождается образованием электронно-дырочной пары – единичного положительного заряда, получившего название дырки, и свободного электрона. Фактически дырку можно считать подвижным свободным носителем элементарного положительного заряда, поскольку заполнение дырки электроном из соседней ковалентной связи выглядит как перемещение дырки. Процесс образования пар электрон – дырка называют генерацией свободных носителей заряда, одновременно с процессом генерации протекает процесс рекомбинации носителей. Полупроводники с электронной электропроводностью (полупроводники п-типа) полупроводники, в которых концентрация свободных электронов превышает концентрацию дырок. Это достигается введением в полупроводник атомов приме-сей с валентностью большей, чем валентность атомов полупроводника (донорные примеси). Лишние валентные электроны атомов примесей не участвуют в формировании кристаллической решетки, поэтому они очень слабо связаны со своими атомами и легко могут отрываться от них, становясь свободными (появ-ление свободных электронов в этом случае не сопровождается одновременным увеличением количества дырок, ионизированные атомы примеси, хотя и обладают не скомпенсированным положительным зарядом, не могут свободно перемещаться по кристаллу или обмениваться валентными электронами с соседними атомами вещества). Полупроводники с дырочной электропроводностью (полупроводники р-типа) – полупроводники, в которых концентрация дырок превышает концентрацию свободных электронов. Это достигается введением в полупроводник атомов примесей с валентностью меньшей, чем валентность атомов полупроводника (акцепторные примеси).
Наличие градиентов концентрации дырок др/дх и свободных электронов дп/дх вызывает их диффузионный ток в сторону меньшей концентрации. Дырки из Диффузионное перемещение носителей заряда не приводит к выравниванию концентрации дырок и электронов во всем объеме монокристалла. Диффузионный перенос заряженных частиц сопровождается нарушением электрической нейтральности полупроводника в непосредственной близости от границы раздела областей. В p -области на ширине хp вследствие ухода дырок возникает не-скомпенсированный отрицательный заряд ионов акцепторной примеси, неподвиж-но расположенных в узлах кристаллической решетки. В n -области на ширине хп вследствие ухода электронов возникает нескомпенсированный положительный заряд ионов донорной примеси, также расположенных в узлах кристаллической решетки. В результате, дырочная область приобретает отрицательный потенциал относительно электронной области, как это показано на рис. 1 и рис. 2. В переходном слое шириной L = хp + хп создается электрическое поле напряженностью Ек. Вектор напряженности поля Ек оказывается направленным так, что он препятствует диффузионному движению носителей из областей, где они были основными, в области, где они становятся неосновными. И в то же время поле Ек ускоряет в переходном слое носители, движущиеся из областей, где они были неосновными, в области, где они становятся основными. Электрическое поле Ек препятствует развитию этого диффузионного процесса, в результате которого оно возникло. Движение носителей заряда под действием поля Ек из областей, где они были неосновными, в области, где они становятся основными, образует дрейфовый ток, направленный навстречу диффузионному току. Итак: 1) Неравномерное распределение неравновесных носителей зарядов сопровождается их диффузией в сторону меньшей концентрации. Это движение носителей зарядов обусловливает прохождение электрического тока, называемого диффузионным. 2) При помещении полупроводника в электрическое поле на хаотическое движение носителей зарядов накладывается составляющая направленного движения. Направленное движение носителей зарядов в электрическом поле обусловливает появление тока, называемого дрейфовым.
При отсутствии внешнего напряжения результирующий ток через электронно-дырочный переход должен быть равен нулю: 1пдиф+1рдиф -1nдр -1рдр = 0, где (1) Iр диф, I n диф – дырочный и электронный токи диффузии; Iрдр, Iпдр — дырочный и электронный токи дрейфа. Разность потенциалов в переходе, обусловленная наличием градиентов концентрации подвижных носителей заряда, называется контактной разностью потенциалов jк. jк =jn-jp, (2) где jn — потенциал n -области, jр — потенциал p -области. На рис. 3(а) изображены энергетические диаграммы дырочного и электрон-ного полупроводников. Дырочный полупроводник имеет термодинамическую работу выхода qjp и уровень Ферми Fp, который смещен к потолку валентной зоны EVp. Электронный полупроводник имеет термодинамическую работу выхода qjn и уровень Ферми Fn, смещенный ко дну зоны проводимости ECп. Термоди-намической работой выхода называется разность энергий между энергетическим уровнем электрона, находящегося в вакууме, и уровнем Ферми вещества. Каждый электрон, входящий в состав атома, обладает определенной полной энергией, т.е. занимает определенный энергетический уровень. В полупроводниках, благодаря взаимодействию атомов, энергетические уровни расщепляются и образуют энергетические зоны, состоящие из отдельных близко расположенных по энергии уровней. Энергетические уровни валентных электронов при расщеплении образуют валентную зону. Разрешенные энергетические уровни, свободные от электронов в невозбужденном состоянии, расщепляясь, образуют одну или несколько свободных зон. Нижнюю (ближайшую к валентной зоне) из свободных зон называют зоной проводимости. Между разрешенными зонами находятся запрещенные зоны, т.е. области значений энергии, которыми не могут обладать электроны в кристалле. В соответствии со статистикой Ферми-Дирака вероятность заполнения энергети-ческого уровня электроном определяется энергией, соответствующей этому уровню, и абсолютной температурой. Уровень Ферми отвечает уровню энергии, формальная вероятность заполнения которого равна 1/2 и относительно которого кривая вероятности симметрична. Энергия уровня Ферми соответствует верхней границе электронного распределения при нулевой температуре, а также средней энергии при любой другой температуре. На рис. 3(б) энергетические диаграммы этих полупроводников совмещены. На границе областей имеется обедненный слой с координатами -хp и хп и шири-ной L= | -xp | + | xn |. Уровень Ферми в рассматриваемой системе электронной и дырочной областей должен быть на одной и той же высоте. Вследствие разности термодинамических работ выхода дырочной и элект-ронной областей происходит относительное смещение границ энергетических зон на величину энергетического барьера qjк: qj к = q (j n- jp)(3) Подача прямого напряжения UПР уменьшает высоту энергетического барьера, при этом полярность прямого напряжения должна быть противоположной контактной разности потенциалов (рис. 4(а)):
qjк > q (jк - UПР)(4) Увеличивается число основных носителей, лежащих на уровнях, превышающих энергетический барьер q(jк - UПР), что приводит к возрастанию диффузионной составляющей тока, оставляя неизменной дрейфовую составляющую Iдиф > Iдр (5) Результирующее поле уменьшается по сравнению с условиями равновесия: Е = Ек - ЕПР. (6) Соотношениям (4) и (6) соответствует энергетическая диаграмма и схема включе-ния на рис. 4(а), где плюс источника напряжения питания подан к p -области, а минус – к n -области Диффузионное введение при снижении высоты энергетического барьера носите-лей заряда через переход из областей, где они были основными, в области, где они становятся неосновными, называется инжекцией носителей заряда. Инжекция носителей изменяет распределение концентрации подвижных носителей в обедненном слое и вблизи его границ. Это измененное распределение концентраций носителей заряда принято считать неравновесной концентрацией, обозначая: рп — для дырок, пp — для электронов. Обратное включение предполагает подачу плюса источника питания на qjK < q(jк + UОБР), UОБР= UВН (7) Результирующее электрическое поле увеличивается по сравнению с условиями равновесия: Е = ЕК + ЕОБР. (8) Увеличение высоты барьера приводит к тому, что все основные носители оказы-ваются на уровнях с энергией, не превышающей высоты энергетического барьера. Диффузионная составляющая тока оказывается равной нулю. Ток обратно включенного p - n -перехода определяется процессом дрейфа. Процесс выведения подвижных носителей заряда из областей полупроводника, где они являются неосновными, под действием ускоряющего поля p - n -перехода, созданного обратным напряжением, называется экстракцией Вольт-амперная характеристика. Зависимость тока через p - n -переход от величины приложенного напряжения называется его вольт-амперной харак-теристикой (ВАХ). При расчете вольт-амперной характеристики предполагают, что электрическое поле вне обедненного слоя отсутствует, т.е. все напряжение приложено к обедненному слою. Общий ток в p - n -переходе определяют четыре слагаемых:
I=1 п диф+1 р диф -1 n др -1 р др (9) Аналитическое выражение для ВАХ диода имеет вид: I = I0 [ exp (qUВН / kT)-1] (10) Выражение (10) принято называть уравнением Эберса—Молла. Оно представляет наиболее общий вид теоретической вольт-амперной характеристики электронно-дырочного перехода и является основой для любых других более точных описаний физических процессов в переходе. График ВАХ p-n -перехода приведен на рис. 5. Для прямого напряжения можно пренебречь единицей по сравнению с экспоненциальной составляющей: I ПР» I 0[exp(qUВН / kT)] (11) При обратном напряжении порядка 0,1...0,2 В экспоненциальный член в (10) много меньше единицы и им можно пренебречь. Тогда: I ОБР » - I 0 (12) Рассмотрение работы p - n -перехода при воздействии внешнего напряжения показывает, что он обладает несимметричной проводимостью. В прямом направ-лении проводимость значительно больше, чем в обратном. Это явление находит широкое применение в полупроводниковой электронике и оценивается коэффи-циентом выпрямления К = IПР/IОБР » exp (qUВН / kT) (13) Обедненный слой, как показано на рис. 2, имеет ширину, определяемую координатами — -хр, хп: I=Iобр » - I0, т.е. обратный ток равен току насыщения и в определенных пределах остается величиной практически постоянной. Обычно ток I0 имеет величину порядка микроампер. Дальнейшее увеличение обратного напряжения приводит к пробою p-n пере-хода, при котором обратный ток резко увеличивается. Различают два вида пробоя: электрический (обратимый) и тепловой (необра-тимый). Электрический пробой происходит в результате внутренней электро-статической эмиссии (зинеровский пробой) и под действием ударной ионизации атомов полупроводника (лавинный пробой). Внутренняя электростатическая эмиссия в полупроводниках аналогична электростатической эмиссии электронов из металла. Сущность этого явления заключается в том, что под действием сильного электрического поля электроны могут освободиться из ковалентных связей и получить энергию, достаточную для преодоления высокого потенциального барьера в области p-n перехода. Двигаясь с большей скоростью на участке p-n перехода, электроны сталкиваются с нейтральными атомами и ионизируют их. В результате такой ударной ионизации появляются свободные электроны и дырки, которые, в свою очередь, разгоняются полем и создают всевозрастающее количество носителей тока. Описанный процесс носит лавинообразный характер и приводит к значительному увеличению обратного тока через p-n переход. Таким образом, чрезмерно увеличить такое напряжение нельзя. Если оно превысит максимально допустимую для данного p-n перехода величину (Uобр max), то участок p-n перехода пробьется, и p-n переход потеряет свойство односторонней проводимости (тепловой пробой). Тепловой пробойp-n перехода происходит вследствие вырывания валентных электронов из связей в атомах при тепловых колебаниях кристаллической решет-ки. Тепловая генерация пар электрон-дырка приводит к увеличению концент-рации неосновных носителей заряда и к росту обратного тока. Увеличение тока, в свою очередь, приводит к дальнейшему увеличению температуры. Процесс нарастает лавинообразно.
Электрический и тепловой пробои p-n перехода во многих случаях происходят одновременно. При чрезмерном разогреве перехода, когда происходит изменение структуры кристалла, переход необратимо выходит из строя. Если же при возник-новении пробоя ток через p-n переход ограничен сопротивлением внешней цепи и мощность, выделяющаяся на переходе, невелика, то пробой обратим. В этом случае можно управлять обратным током путем изменения внешнего напряжения, подводимого к переходу. Переход как конденсатор. Изменение внешнего напряжения на p - n -переходе приводит к изменению ширины обедненного слоя и, соответственно, накопленного в нем электрического заряда (заметим, что это обусловлено также изменением концентрации инжектированных носителей вблизи перехода). Таким образом, р-п- переход ведет себя подобно конденсатору (объем p и n областей имеет хорошую проводимость по сравнению с бедной подвижными носителями заряда областью р-п- перехода), емкость которого определяется как отношение изменения накопленного в переходе заряда к обусловившему это изменение изменению приложенного напряжения: Емкость p - n -перехода содержит два слагаемых: диффузионную и барьерную (или зарядную)емкости: С = Сбар + Сдиф. (14) Барьерная или зарядная емкость соответствует обратно включенному р - n -пере-ходу, который рассматривается как обычный конденсатор, где пластинами являются границы обедненного слоя -хp, хп, а сам обедненный слой служит несовершенным диэлектриком с увеличенными диэлектрическими потерями Сбар = e e0 S/L, где S — площадь p-n перехода. L – обедненный слой, как показано на рис. 2, имеет ширину, определяемую координатами - хp, хп: L= | -xp | + | xn |. Барьерная емкость зависит от величины приложенного обратного напряжения. Прямое включение p - n -перехода добавляет к барьерной емкости еще и диф-фузионную Сдиф, которая характеризуется изменением величины заряда, накап-ливаемого в обедненном слое за счет инжекции, при изменении прямого напряжения, так как последнее вызывает изменение неравновесной концентрации инжектированных носителей: Cдиф = ∆Q / ∆ UПР (15) Расчеты показывают, что диффузионная емкость зависит от величины прямого тока IПр и времени жизни неравновесных носителей t. При прямом включении p-n перехода преобладает диффузионная емкость. Cдиф всегда шунтируется малым прямым сопротивлением p-n перехода и слабо влияет на его свойства. Наибольшее практическое значение имеет барьерная емкость Сбар. Полупроводниковые диоды, работающие на основе эффекта сильной зависимости емкости p-n перехода от обратного напряжения получили название Варикапов.
Таблица 2.
Если снимать температурную характеристику для малых U, т.е exp(eU / kT)<<1, то выражение (17) можно записать: I» (eBU)/ kT exp(- e D j / kT) (18) Часть II (диод D1) Теория Особенности эксперимента При снятии вольтамперной характеристики и определении параметров туннельного диода ( рис.4) ток измеряется миллиамперметром, включенным последовательно с туннельным дио-дом, а напряжение на диоде измеряется цифровым вольтметром. Питание схемы осуществляется от источника напряжения с малым внутренним сопро-тивлением. Регулирование тока через диод производится переменным сопротивлением R. Ключи К1, и К2 используются при уточнении основных параметров диода. Быстрее и нагляднее, но с меньшей точностью можно измерить характеристику диода с помощью осциллографа и мостовой схемы, изображенной на рис. 5.Результаты эксперимента В эксперименте, изучалась вольтамперная характеристика туннельного диода. В качестве исследуемого диода был использован германиевый туннельный диод - ГИ304А. Методика эксперимента 1.Проводят измерения ВАХ туннельного диода. Результаты измерений ВАХ заносят в табли-цу 1. Таблица 6.1.
2. Строят график вольтамперной характеристики. Определяют параметры Uр, Iр, UV, IV, и 3. Используя формулы (3) и (4) и полученные значения величин Uр и UV,оцениваем положение уровня Ферми EF @ mn и максимума nmах(E) распределения электронов в зоне проводимости полупроводника туннельного диода. 4. Изменяя и измеряя температуру термостата при фиксированном значении напряжения прямо-го включения для U < U p снимают зависимость тока в цепи от температуры полупроводника. Результаты измерений заносят в таблицу 2. Таблица 2.
5. По результатам измерений таблицы 2 строят график. 6. Измеряя тангенс угла наклона этого графика, можно определить, согласно (4), e D j = E Fp – E Fn.
Контрольные вопросы 1. От чего зависит ширина p-n перехода? Как она изменится с увеличением концентрации примеси? 2. Нарисовать зонную диаграмму p-n перехода в сильно легированных полупроводниках в условиях термодинамического равновесия. 3. Нарисовать зонную диаграмму p-n перехода, иллюстрирующую туннельный механизм прохождения электронов через переход. 4. Нарисовать ВАХ (теоретическую) туннельного диода. 5. Где располагается уровень Ферми в вырожденном полупроводнике? 6. Опираясь на зонные диаграммы, описать механизм возникновения туннельного эффекта при прямом и обратном включении p-n перехода. 7. Нарисовать теоретическую ВАХ туннельного диода и отметить на ней основные параметры: Up, Ip, Uv, Iv. Литература 1.Гольдин Л.Л,, Новикова Г.И. Введение в квантовую физику. -М:Наука,1986. Гл. XII, §§ 66-69. 2.Бонч-Бруевич В.Л., Калашников С.Г. Физика полупроводников. -М.: Наука, 1977. Гл. VII, § 3. З.Игошин Ф.Ф., Самарский Ю.А., Ципенюк Ю.М. Лабораторный практикум по общей физике., Том 3., Квантовая физика. - М.: Издательство МФТИ, 1998. Раздел XI, стр. 309-318.Подписи к рисункам
Лабораторная работа №6 Контакт двух полупроводников (p-n переход) Цель работы: исследование проводимости контактов двух полупроводников с различной проводимостью.
Часть I (диод D2) Теория Переходный слой на границе раздела электронной и дырочной областей одного и того же монокристалла полупроводника называется электронно-дырочным переходом или (чаще), р-п-переходом (рис. 1). Его существование обусловлено различием в концентрациях подвижных носителей зарядов дырочной и электронной областей. Уход электрона из ковалентной связи сопровождается образованием электронно-дырочной пары – единичного положительного заряда, получившего название дырки, и свободного электрона. Фактически дырку можно считать подвижным свободным носителем элементарного положительного заряда, поскольку заполнение дырки электроном из соседней ковалентной связи выглядит как перемещение дырки. Процесс образования пар электрон – дырка называют генерацией свободных носителей заряда, одновременно с процессом генерации протекает процесс рекомбинации носителей. Полупроводники с электронной электропроводностью (полупроводники п-типа) полупроводники, в которых концентрация свободных электронов превышает концентрацию дырок. Это достигается введением в полупроводник атомов приме-сей с валентностью большей, чем валентность атомов полупроводника (донорные примеси). Лишние валентные электроны атомов примесей не участвуют в формировании кристаллической решетки, поэтому они очень слабо связаны со своими атомами и легко могут отрываться от них, становясь свободными (появ-ление свободных электронов в этом случае не сопровождается одновременным увеличением количества дырок, ионизированные атомы примеси, хотя и обладают не скомпенсированным положительным зарядом, не могут свободно перемещаться по кристаллу или обмениваться валентными электронами с соседними атомами вещества). Полупроводники с дырочной электропроводностью (полупроводники р-типа) – полупроводники, в которых концентрация дырок превышает концентрацию свободных электронов. Это достигается введением в полупроводник атомов примесей с валентностью меньшей, чем валентность атомов полупроводника (акцепторные примеси). Наличие градиентов концентрации дырок др/дх и свободных электронов дп/дх вызывает их диффузионный ток в сторону меньшей концентрации. Дырки из Диффузионное перемещение носителей заряда не приводит к выравниванию концентрации дырок и электронов во всем объеме монокристалла. Диффузионный перенос заряженных частиц сопровождается нарушением электрической нейтральности полупроводника в непосредственной близости от границы раздела областей. В p -области на ширине хp вследствие ухода дырок возникает не-скомпенсированный отрицательный заряд ионов акцепторной примеси, неподвиж-но расположенных в узлах кристаллической решетки. В n -области на ширине хп вследствие ухода электронов возникает нескомпенсированный положительный заряд ионов донорной примеси, также расположенных в узлах кристаллической решетки. В результате, дырочная область приобретает отрицательный потенциал относительно электронной области, как это показано на рис. 1 и рис. 2. В переходном слое шириной L = хp + хп создается электрическое поле напряженностью Ек. Вектор напряженности поля Ек оказывается направленным так, что он препятствует диффузионному движению носителей из областей, где они были основными, в области, где они становятся неосновными. И в то же время поле Ек ускоряет в переходном слое носители, движущиеся из областей, где они были неосновными, в области, где они становятся основными. Электрическое поле Ек препятствует развитию этого диффузионного процесса, в результате которого оно возникло. Движение носителей заряда под действием поля Ек из областей, где они были неосновными, в области, где они становятся основными, образует дрейфовый ток, направленный навстречу диффузионному току. Итак: 1) Неравномерное распределение неравновесных носителей зарядов сопровождается их диффузией в сторону меньшей концентрации. Это движение носителей зарядов обусловливает прохождение электрического тока, называемого диффузионным. 2) При помещении полупроводника в электрическое поле на хаотическое движение носителей зарядов накладывается составляющая направленного движения. Направленное движение носителей зарядов в электрическом поле обусловливает появление тока, называемого дрейфовым. При отсутствии внешнего напряжения результирующий ток через электронно-дырочный переход должен быть равен нулю: 1пдиф+1рдиф -1nдр -1рдр = 0, где (1) Iр диф, I n диф – дырочный и электронный токи диффузии; Iрдр, Iпдр — дырочный и электронный токи дрейфа. Разность потенциалов в переходе, обусловленная наличием градиентов концентрации подвижных носителей заряда, называется контактной разностью потенциалов jк. jк =jn-jp, (2) где jn — потенциал n -области, jр — потенциал p -области. На рис. 3(а) изображены энергетические диаграммы дырочного и электрон-ного полупроводников. Дырочный полупроводник имеет термодинамическую работу выхода qjp и уровень Ферми Fp, который смещен к потолку валентной зоны EVp. Электронный полупроводник имеет термодинамическую работу выхода qjn и уровень Ферми Fn, смещенный ко дну зоны проводимости ECп. Термоди-намической работой выхода называется разность энергий между энергетическим уровнем электрона, находящегося в вакууме, и уровнем Ферми вещества. Каждый электрон, входящий в состав атома, обладает определенной полной энергией, т.е. занимает определенный энергетический уровень. В полупроводниках, благодаря взаимодействию атомов, энергетические уровни расщепляются и образуют энергетические зоны, состоящие из отдельных близко расположенных по энергии уровней. Энергетические уровни валентных электронов при расщеплении образуют валентную зону. Разрешенные энергетические уровни, свободные от электронов в невозбужденном состоянии, расщепляясь, образуют одну или несколько свободных зон. Нижнюю (ближайшую к валентной зоне) из свободных зон называют зоной проводимости. Между разрешенными зонами находятся запрещенные зоны, т.е. области значений энергии, которыми не могут обладать электроны в кристалле. В соответствии со статистикой Ферми-Дирака вероятность заполнения энергети-ческого уровня электроном определяется энергией, соответствующей этому уровню, и абсолютной температурой. Уровень Ферми отвечает уровню энергии, формальная вероятность заполнения которого равна 1/2 и относительно которого кривая вероятности симметрична. Энергия уровня Ферми соответствует верхней границе электронного распределения при нулевой температуре, а также средней энергии при любой другой температуре. На рис. 3(б) энергетические диаграммы этих полупроводников совмещены. На границе областей имеется обедненный слой с координатами -хp и хп и шири-ной L= | -xp | + | xn |. Уровень Ферми в рассматриваемой системе электронной и дырочной областей должен быть на одной и той же высоте. Вследствие разности термодинамических работ выхода дырочной и элект-ронной областей происходит относительное смещение границ энергетических зон на величину энергетического барьера qjк: qj к = q (j n- jp)(3) Подача прямого напряжения UПР уменьшает высоту энергетического барьера, при этом полярность прямого напряжения должна быть противоположной контактной разности потенциалов (рис. 4(а)): qjк > q (jк - UПР)(4) Увеличивается число основных носителей, лежащих на уровнях, превышающих энергетический барьер q(jк - UПР), что приводит к возрастанию диффузионной составляющей тока, оставляя неизменной дрейфовую составляющую Iдиф > Iдр (5) Результирующее поле уменьшается по сравнению с условиями равновесия: Е = Ек - ЕПР. (6) Соотношениям (4) и (6) соответствует энергетическая диаграмма и схема включе-ния на рис. 4(а), где плюс источника напряжения питания подан к p -области, а минус – к n -области Диффузионное введение при снижении высоты энергетического барьера носите-лей заряда через переход из областей, где они были основными, в области, где они становятся неосновными, называется инжекцией носителей заряда. Инжекция носителей изменяет распределение концентрации подвижных носителей в обедненном слое и вблизи его границ. Это измененное распределение концентраций носителей заряда принято считать неравновесной концентрацией, обозначая: рп — для дырок, пp — для электронов. Обратное включение предполагает подачу плюса источника питания на qjK < q(jк + UОБР), UОБР= UВН (7) Результирующее электрическое поле увеличивается по сравнению с условиями равновесия: Е = ЕК + ЕОБР. (8) Увеличение высоты барьера приводит к тому, что все основные носители оказы-ваются на уровнях с энергией, не превышающей высоты энергетического барьера. Диффузионная составляющая тока оказывается равной нулю. Ток обратно включенного p - n -перехода определяется процессом дрейфа. Процесс выведения подвижных носителей заряда из областей полупроводника, где они являются неосновными, под действием ускоряющего поля p - n -перехода, созданного обратным напряжением, называется экстракцией Вольт-амперная характеристика. Зависимость тока через p - n -переход от величины приложенного напряжения называется его вольт-амперной харак-теристикой (ВАХ). При расчете вольт-амперной характеристики предполагают, что электрическое поле вне обедненного слоя отсутствует, т.е. все напряжение приложено к обедненному слою. Общий ток в p - n -переходе определяют четыре слагаемых: I=1 п диф+1 р диф -1 n др -1 р др (9) Аналитическое выражение для ВАХ диода имеет вид: I = I0 [ exp (qUВН / kT)-1] (10) Выражение (10) принято называть уравнением Эберса—Молла. Оно представляет наиболее общий вид теоретической вольт-амперной характеристики электронно-дырочного перехода и является основой для любых других более точных описаний физических процессов в переходе. График ВАХ p-n -перехода приведен на рис. 5. Для прямого напряжения можно пренебречь единицей по сравнению с экспоненциальной составляющей: I ПР» I 0[exp(qUВН / kT)] (11) При обратном напряжении порядка 0,1...0,2 В экспоненциальный член в (10) много меньше единицы и им можно пренебречь. Тогда: I ОБР » - I 0 (12) Рассмотрение работы p - n -перехода при воздействии внешнего напряжения показывает, что он обладает несимметричной проводимостью. В прямом направ-лении проводимость значительно больше, чем в обратном. Это явление находит широкое применение в полупроводниковой электронике и оценивается коэффи-циентом выпрямления К = IПР/IОБР » exp (qUВН / kT) (13) Обедненный слой, как показано на рис. 2, имеет ширину, определяемую координатами — -хр, хп:
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Последнее изменение этой страницы: 2016-04-26; просмотров: 155; Нарушение авторского права страницы; Мы поможем в написании вашей работы! infopedia.su Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав. Обратная связь - 18.224.63.87 (0.13 с.) |