НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ «ХАРКІВСЬКИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ ІНСТИТУТ»
МЕТОДИЧНІ ВКАЗІВКИ
ДО ЛАБОРАТОРНОЇ РОБОТИ
"ДОСЛІДЖЕННЯ НАПІВПРОВІДНИКОВИХ ДІОДІВ"
З КУРСІВ
«ОСНОВИ ЕЛЕКТРОНІКИ»,
«ОСНОВИ МІКРОЕЛЕКТРОНІКИ»,
«МІКРОЕЛЕКТРОНІКА ТА НАНОЕЛЕКТРОНІКА»,
«ОСНОВИ РАДІОЕЛЕКТРОНІКИ»
для студентів факультету
"Автоматика та приладобудування"
Затверджено
редакційно-видавничою
радою університету,
протокол № від р.
Харків
НТУ "ХПІ" 2012 Методичні вказівки до лабораторної роботи "Дослідження напівпровідникових діодів" з курсів "Основи електроніки", "Основи мікроелектроніки", "Мікроелектроніка та наноелектроніка", "Основи радіоелектроніки" для студентів факультету "Автоматика та приладобудування" / Уклад. Ю.І. Под`ячий. – Х.: НТУ «ХПІ», 2012. – 24 с.
Свою назву напівпровідники одержали завдяки тому, що за величиною питомої електропровідності вони займають проміжне становище між провідниками, що добре проводять електричний струм, і діелектриками, які струм практично не проводять. До провідників прийнято відносити речовини, питома провідність яких більше 106 См/м; діелектрики мають питому провідність менше 10-8 См/м. Речовини, провідність яких становить від 10-8 См/м до 106 См/м, називають напівпровідниками.
Напівпровідникові властивості має більшість неорганічних речовин, а також ряд органічних з¢єднань. Всі такі речовини можна розділити на дві групи: елементарні напівпровідники, в склад яких входять атоми тільки одного виду, и напівпровідникові сполуки, які складаються із атомів двох і більше видів.
До числа елементарних напівпровідників входять 12 хімічних елементів, які створюють компактну групу, розташовану в III-VI групах періодичної таблиці. До них в першу чергу відносяться кремній (Si), германій (Ge) і селен (Se). Друга група напівпровідникових речовин досить велика і включає як неорганічні, так и органічні сполуки. Серед них в першу чергу слід відмітити парні сполуки елементів третьої и п¢ятої груп періодичної системи елементів, таких як, GaAs, InAs, GaP, GaSb, InSb, AlSb та ін.
Власні напівпровідники
Провідність хімічно чистих напівпровідників називають власною провідністю, а самі напівпровідники - власними напівпровідниками.
На рисунку 1 зліва показані енергетичні зони власного напівпровідника при температурі абсолютного нуля. Над повністю заповненою електронами зоною 1 на відстані приблизно 1 еВ розташована вільна від них зона 2. Тіло с такою структурою енергетичних зон є діелектриком.
Якщо під впливом зовнішнього чинника (наприклад, підвищення температури) частина електронів із зони 1 буде перекинута в зону 2, то зона 2, ставши укомплектованою тільки частково, стане зоною провідності. С іншого боку, раніше цілком заповнена зона 1, загубивши частину електронів, стає також частково заповненою зоною і також стає зоною провідності. Отже підвищення температури перетворює тіло із діелектрика в провідник. В зоні 1 знаходяться електрони зовнішніх орбіт атомів, і тому вона називається валентною зоною. В зоні 2 розташовані вільні електрони (трансляційні), і тому вона називається зоною провідності.
Таким чином, основною особливістю напівпровідника є та, що електрична провідність його є збудженою; вона з¢являється у напівпровідника під дією зовнішнього чинника. Такими чинниками можуть бути тепло, опромінювання, електричні поля та ін. Щоб збудити провідність напівпровідника, треба електронам валентної зони передати додаткову енергію DЕзаб, необхідну для переходу їх в зону провідності. Цю енергію називають енергією активації.
Електрони частково заповненої зони 2 є негативними носіями струму. Після видалення частки електронів з верхніх рівнів зони 1 в ній утворюються дірки, які поводять себе в зовнішньому електричному полі як частки с позитивним зарядом. Тому дірки є позитивними носіями струму в напівпровідниках.
Згідно з наявністю двох видів носіїв струму в напівпровідниках розрізняють електронну и діркову провідності. Їх величини визначаються концентраціями електронів і дірок, а також їх рухливістю. Загальна провідність власних напівпровідників може бути обчислена за формулою:
де ni, pi - концентрація електронів і дірок, mn,mp - їх рухливість.
Через те, що концентрація електронів і дірок у власних напівпровідниках однакова
(DЕзаб - ширина забороненої зони, T - температура, k - постійна Больцмана, A - коефіцієнт, що залежить від роду напівпровідника), то
Рухливість електронів і дірок неоднакова. Так, при температурі 300 К для германія mn=0,36 м2/В.с, mp=0,18 м2/В.с., а для кремнію mn=0,13 м2/В.с, mp=0,04 м2/В.с Отже, електронна провідність власних напівпровідників в 2-3 рази вище, ніж діркова.