Электронно-дырочный переход (p-n переход)

Муромский институт (филиал)

федерального государственного бюджетного образовательного учреждения

высшего профессионального образования

«Владимирский государственный университет

Имени Александра Григорьевича и

Николая Григорьевича Столетовых»

Кафедра: «ФПМ»

Дисциплина: Физика

Лабораторная работа № 1.03

«Изучение полупроводниковых диодов»

Утверждена на методическом семинаре кафедры ФПМ

Зав. кафедрой___________

ТЕХНИКА БЕЗОПАСНОСТИ

1. Сборку и разборку схемы производить только при отключенном источнике питания.

2. Не включать собранную схему, пока не изучите инструкцию по данной работе и не получите на это разрешение лаборанта или преподавателя.

3. Схема должна находиться под напряжением только во время регулировки и снятия показаний с приборов. КАТЕГОРИЧЕСКИ ЗАПРЕЩАЕТСЯ оставлять схему под напряжением без присмотра.

4. Строго соблюдать порядок выполнения работы, описаний и инструкций.

5. На рабочем месте не должно быть посторонних предметов. Твёрдо знать, где расположен общий выключатель и порядок пользования им.

6. После окончания работы отключить источник питания.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 1.03

«ИЗУЧЕНИЕ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ДИОДОВ»

ПРИБОРЫ И ПРИНАДЛЕЖНОСТИ:

- германиевый диод Д-7;

- вольтметр постоянного тока на 1,5 В;

- микроамперметр постоянного тока;

- термостат;

- блок питания;

- реостат на 500-1000Ом;

- термометр;

- переключатель.

Электронно-дырочный переход (p-n переход)

Прогресс в развитии полупроводниковой электроники тесно связан с использованием контакта электронного (n-типа) и дырочного (p-типа) полупроводников. Такой контакт называется электронно-дырочным переходом или p-n переходом.

р-n переход обычно создается на границе двух областей чистого полупроводника, в одну из которых введена акцепторная примесь, а в другую – донорная.

Поскольку уровень Ферми в полупроводниках n-типа (с донорной примесью) расположен выше, чем в полупроводниках p-типа с акцепторной примесью, то работа выхода электронов для полупроводника n-типа будет меньше, чем для полупроводников p-типа и в момент создания контакта этих полупроводников электроны будут переходить из n-области в p-область. Навстречу им из p-области в n-область устремится поток дырок. Вследствие такого перехода электронов и дырок в месте контакта возникает слой объемного заряда – отрицательный в p-области и положительный в n-области. Уровень Ферми в обоих проводниках выравнивается и в месте контакта возникает потенциальный барьер (рис.1a), слой объемного заряда в месте контакта обеднен основными носителями тока (дырки в p-области и электроны в n-области) и по этой причине он обладает большим сопротивлением. Этот слой образует p-n переход. Следует иметь ввиду, что в p-области имеется некоторое число электронов, а в n-области некоторое число дырок. Они являются неосновными носителями тока. Для них не существует потенциального барьера.

В условиях равновесия, когда к p-n переходу не приложено внешнее напряжение, концентрация электронов в n-области и дырок в p-области, способных преодолеть потенциальный барьер, определяется формулами:

, (1)

, (2)

где n – концентрация электронов в n – области;

N_g и N_a – концентрация донорной и акцепторной примесей соответст венно;

m_n и m_p – эффективная масса электрона и дырки соответственно;

k – постоянная Больцмана;

h – постоянная Планка;

Е_g и E_a – энергия связи донора и акцептора соответственно;

Т – абсолютная температура;

р – концентрация дырок в р-области.

Поток основных носителей обозначим через ток Ig, а поток не основных носителей образует дрейфовый ток Iz, направленный противоположно диффузионному. При равновесии Iz=Ig суммарный ток через р-n переход равен нулю.

I = Ig – Iz = 0

Если к p-n переходу приложено напряжение от n- области к р- области, которое складывается с контактной разностью потенциалов φк, то высота потенциального барьера увеличивается на величину qU. При этом диффузионный ток уменьшается, а дрейфовый не изменяется. Результирующий ток через p-n переход будет уменьшаться, и стремиться к некоторому постоянному значению Is, которое называется током насыщения. Когда к p-n переходу приложено напряжение в прямом пропускном направлении от p к n- области, внешнее поле будет направлено против контактного и высота потенциального барьера уменьшится на величину qU. При этом увеличится поток основных носителей и резко возрастает результирующий ток через р-n переход, который можно записать в виде

(3)

Равенство (3) определяет вольтамперную характеристику р-n перехода. При комнатной температуре kТ=0.25 эВ. Для обратного напряжения

U=0.1В.

Можно пренебречь экспонентной по сравнению с единицей. При прямом напряжении U=0.1; e^-4 < 0.02

В формуле (3) можно пренебречь единицей.

Прямой ток возрастает экспоненциально. Вольтамперная характеристика p-n перехода нелинейная (рис.2), p-n переход обладает односторонней проводимостью. Это свойство p-n перехода широко используется в различных полупроводниковых приборах и в первою очередь в полупроводниковых диодах и триодах.

Рис. 2

Полупроводниковый диод - это двухэлектродный прибор, действие которого основано на электрических свойствах p-n перехода. Существует несколько типов полупроводниковых диодов, отличающихся друг от друга использованием различных свойств p-n перехода, величинами преобразуемых мощностей, токов, напряжений, диапазонов рабочих частот.

Требования, предъявляемые к характеристикам полупроводников диодов удовлетворяются выбором полупроводниковых материалов, технологией изготовления p-n переходов, размерами и конструкцией диодов. В основном в полупроводниковых диодах используется нелинейность вольтамперной характеристики p-n перехода. Это относится к выпрямительным диодам и импульсным диодам сверхвысоких частот.

ВЫПОЛНЕНИЕ РАБОТЫ

1.

Рис.3

Переключателем П найти пропускное направление диода. Снять зависимость тока через диод от напряжения в прямом направлении. Переключив диод на обратное направление, снять зависимость тока через диод от напряжения в обратном направлении. Результаты измерений занести в таблицу 1. По измерениям построить вольтамперную характеристику диода. Вычислить для пропускного направления дифференциальное сопротивление диода.

Rо = U/ I (4)

Построить график I = f(U), Rо = f(U)

Таблица 1

2.Определение контактной разности потенциалов.

Поиск по сайту: