Лабораторная работа № 403.

 

ИЗМЕРЕНИЕ ШИРИНЫ ЗАПРЕЩЕННОЙ ЗОНЫ ПОЛУПРОВОДНИКА

 

Цель работы:       1) исследование температурной зависимости обратного тока плоскостного диода;

2) определение  ширины запрещенной зоны полупроводника.

Приборы и принадлежности: исследуемый диод, термостат, блок питания, цифровой вольтметр, электроплитка.

 

1.      ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ВВЕДЕНИЕ

1.1.  Образование р-n-перехода

Граница соприкосновения двух полупроводников, один из которых имеет электронную, а другой дырочную проводимость, называется электронно-дырочным переходом (или р-n-переходом). Обладая односторонней проводимостью, эти переходы имеют большое практическое значение, являясь основой работы многих полупроводниковых приборов, используемых для выпрямления и преобразования переменных токов.

Р-n-переход нельзя  осуществить просто механическим соединением двух полупроводников. Обычно области различной проводимости создают либо при выращивании кристаллов, либо при соответствующей обработке кристаллов. Например, на кристалл германия n-типа накладывается индиевая «таблетка» (см. рис.1 а). Эта система нагревается примерно до 500°С в вакууме или в атмосфере инертного газа; атомы индия диффундируют на некоторую глубину в германий. Затем расплав медленно охлаждают. Так как германий, содержащий индий, обладает дырочной проводимостью, то на границе закристаллизовавшегося расплава и германия n-типа образуется р-n-переход (рис.1б).


Рассмотрим физические процессы, происходящие в р-n-переходе. Пусть донорный полупроводник приводится в контакт (рис.2) с акцепторным полупроводником.

     Электроны из n-полупро-водника, где их концентрация выше, будут диффундировать в р-полупроводник, где их концентрация ниже. Диффузия же дырок происходит в обратном направлении - в направлении  р® n.

Диффундируя во встречных направлениях через пограничный слой, дырки и электроны рекомбинируют друг с другом. Поэтому р-n-переход оказывается сильно обедненным носителями тока и приобретает большое сопротивление. В n-полупроводнике, из-за ухода электронов, вблизи границы остается нескомпенсированный положительный объемный заряд неподвижных ионизированных атомов. В р-полупроводнике, из-за ухода дырок, вблизи границы образуется положительный объемный заряд неподвижных ионизованных акцепторов (рис.2).

Таким образом, р-n-переход - это область, обедненная носителями тока (дырками и электронами), в которой при контакте полупроводников возникает объемный заряд (отрицательные ионы акцепторов, положительные ионы доноров, - и те и другие ионы жестко закреплены в узлах кристаллической решетки и поэтому не являются носителями тока). Возникший в месте контакта объемный заряд формирует потенциальные барьеры, препятствующие проникновению в эту область основных носителей тока - дырок из р- и электронов из n-полупроводника. Но те же потенциальные барьеры способствуют переходу неосновных носителей тока через р-n-переход. Для р-полупроводника неосновными носителями тока являются электроны, для n-полупроводника - дырки, и потенциальные барьеры способствуют притоку неосновных носителей в область р-n-перехода: через р-n-переход протекают токи дырок из n- в р-область и электронов из р- в n-область. Эти токи малы, т.к. концентрации неосновных носителей малы. В равновесном состоянии токи неосновных носителей компенсируются диффузионными токами основных носителей, так что суммарный ток через р-n-переход равен нулю.

Толщина d слоя р-n-перехода в полупроводниках составляет примерно 10-6 ¸10-7 м, а контактная разность потенциалов - десятые доли вольт. Основные носители тока способны преодолеть такую разность потенциалов лишь при температуре в несколько тысяч градусов, т.е. при обычных температурах равновесный контактный слой является запирающим (характеризуется повышенным сопротивлением).

 

1.2.  Выпрямляющее действие р-n-перехода

Сопротивление запирающего слоя можно изменить с помощью внешнего электрического поля. Если приложенное к р-n-переходу внешнее электрическое поле направлено от n-полупроводника к р-полупроводнику (рис. 3а), т.е.  совпадает с полем контактного слоя, то оно вызывает движение электронов в n-полупроводнике и дырок в р-полупроводнике от границы р-n-перехода в противоположные стороны. В результате запирающий слой расширится и его сопротивление возрастет, т.е. потенциальные барьеры для дырок и электронов возрастут. Ток неосновных носителей должен возрасти, но так как число неосновных носителей мало, то этот поток очень быстро достигает насыщения и при дальнейшем увеличении внешней разности потенциалов не изменяется, оставаясь очень малым по величине. Через р-n-переход будет протекать очень маленький ток, называемый «обратным». Такое включение внешнего напряжения называется запирающим (обратным).

Если приложенное к р-n-переходу внешнее электрическое поле направлено противоположно полю контактного слоя (см. рис. 3б), то оно вызывает движение электронов в n-полупроводнике и дырок в р-полупроводнике к границе р-n-перехода навстречу друг к другу. В этой области они рекомбинируют, толщина контактного слоя и его сопротивление уменьшаются, т.е. уменьшается высота потенциальных барьеров для дырок и электронов. В этих условиях резко возрастает диффузионный поток дырок из р- в n-область и электронов из n- в р-область. Через переход потечет ток в направлении от р-полупроводника к n-полупроводнику, величина которого будет сильно зависеть от приложенной внешней разности потенциалов. Такое включение внешнего напряжения называется пропускным (прямым).

График зависимости тока через р-n-переход от приложенного внешнего напряжения показан на рис.4. Обратите внимание на масштаб оси напряжения: в прямом направлении масштаб оси напряжения на порядок меньше, чем при обратном. При больших обратных напряжениях неосновные носители приобретают при движении через переход большую энергию и начинают разогревать его. Из-за увеличения температуры возрастает число неосновных носителей в полупроводнике и обратный ток возрастает. Процесс лавинообразно нарастает, и саморазогрев р-n-перехода приводит к тепловому пробою (р-n-переход на таких участках выгорает, образуя проводящие мостики; на графике «пробойное» напряжение обозначено Uпр.


Р-n-переход с вольтамперной характеристикой, приведенной на рис.4, обладает выпрямляющим действием. Покажем это. Пусть на р-n-переход подается переменное напряжение U~ (рис.5). В те моменты времени, когда внешнее напряжение имеет полярность, соответствующую пропускному направлению, через переход протекает большой ток. Когда полярность U~ совпадает с запирающим направлением, ток через переход почти равен 0. То есть через переход протекает ток фактически одной полярности, он называется выпрямленным.

Таким образом, р-n-переход (подобно контакту металла с полупроводником) обладает односторонней (вентильной) проводимостью.

 

2. ОПИСАНИЕ РАБОЧЕЙ УСТАНОВКИ И МЕТОДА

ИЗМЕРЕНИЙ

 

На вольтамперные характеристики полупроводниковых выпрямителей в сильной степени влияет температура. При повышении температуры увеличиваются прямой и обратный токи. Обратный ток существенно зависит от температуры, тогда как относительное изменение прямого тока с изменением температуры незначительно. С ростом температуры уменьшается высота потенциального барьера и экспоненциально растет концентрация неосновных носителей заряда, вследствие чего увеличивается ток насыщения IS с повышением температуры.

Зависимость обратного тока насыщения от температуры для полупроводниковых диодов можно представить в виде:

                                                                            (1)

где С - множитель, слабо зависящий от температуры, DW - энергия материала диода (ширина запрещенной зоны).

Исследуя температурную зависимость обратного тока насыщения, можно найти значение энергии активации (ширины запрещенной зоны) полупроводникового материала диода. Логарифмируя выражение (1), получим для температур Т1 и Т2 выражения:

                                 (2)

Решая уравнения (2) относительно энергии DW, получим:

                                                             (3)

где IS1 и IS2 - обратные токи насыщения при температурах Т1 и Т2 соответственно, k - постоянная Больцмана.

Блок-схема установки для определения температурной зависимости обратного тока полупроводникового диода представлена на рис.6. Исследуемый диод 1, на который подается напряжение от блока питания 2, помещают вместе с термометром 3 в термостат 4,5 и нагревают с помощью электроплитки 6 от комнатной температуры до 60 °С.

 


3. ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ И

ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ ИЗМЕРЕНИЙ

 

1. Собрать схему для измерения обратного тока диода.

2. Подать на диод напряжение 8 ¸ 10В в обратном направлении («-» блока питания подключить к «+» анода диода).

3. Измерить обратный ток диода при комнатной температуре.

4. Включить нагреватель термостата и исследовать температурную зависимость обратного тока диода, измеряя его значение через 5°С. Измерения вести до температуры 60°С. Данные занести в таблицу.

 

Таблица результатов

 

 

№

 

 

 

t

 

 

IS

 

 

Т

 

 

 

 

 

 

опыта

°С

мкА

К

 

Дж

эВ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5. Построить график зависимости натурального логарифма обратного тока диода   lnIS  от обратной температуры . Провести через экспериментальные точки прямую линию.

6. Определить координаты концов прямолинейного участка графика и вычислить по формуле (3) ширину запрещенной зоны полупроводника.

7. Сравнить полученное значение со значением ширины запрещенной зоны кремния  (DW = 1,07 эВ) и германия (DW = 0,65 эВ) при температуре 340 К (1эВ = 1,6×10-19 Дж).

 

4.      ВОПРОСЫ ДЛЯ ДОПУСКА К РАБОТЕ

1.      Сформулируйте цель работы.

2.      Опишите рабочую установку и ход эксперимента.

3.     Поясните экспериментальное определение ширины запрещенной зоны полупроводника.

5.   ВОПРОСЫ ДЛЯ ЗАЩИТЫ РАБОТЫ

1. Дайте определение собственного и примесного полупроводников (см. лаб. раб. № 401).

2. Объясните образование р-n-перехода.

3. Объясните выпрямляющие свойства р-n-перехода.

4. Объясните температурную зависимость обратного тока диода.

 

Рекомендуемая литература

1. Трофимова Т.И. Курс физики. - М.: Высш. шк, 2002. - 542 с.

2. Савельев И.В. Курс общей физики. Кн.5. Квантовая оптика. Атомная физика. Физика твердого тела. Физика атомного ядра и элементарных частиц. - М.: АСТ, 2001. - 368с.

3. Епифанов Г.И. Физика твердого тела. - М.: Высшая школа, 1965.

4. Стильбанс Л.С. Физика полупроводников. - М.: Сов. Радио, 1967.

 

Хостинг от uCoz