ИЗУЧЕНИЕ ВЫПРЯМЛЯЮЩИХ СВОЙСТВ ЭЛЕКТРОННО

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ
ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ
УЧРЕЖДЕНИЕ
ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
«ВОРОНЕЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ
УНИВЕРСИТЕТ»
ИЗУЧЕНИЕ ВЫПРЯМЛЯЮЩИХ СВОЙСТВ
ЭЛЕКТРОННО-ДЫРОЧНОГО ПЕРЕХОДА
Методические материалы для выполнения
лабораторной работы
Составители:
Л.Н. Владимирова,
В.И. Петраков,
Е.Н. Берло
Издательско-полиграфический центр
Воронежского государственного университета
2008
Утверждено научно-методическим советом физического факультета Воронежского государственного университета 3 апреля 2008 г., протокол № 1
Рецензент В.М. Кашкаров
Пособие подготовлено на кафедре физики полупроводников и микроэлектроники физического факультета Воронежского государственного университета.
Рекомендовано для студентов 3-го курса СПО.
Для специальности 210104 – Микроэлектроника и твердотельная электроника
2
Содержание
Введение............................................................................................................. ..4
1. Принципы формирования и характеристики различных типов p-nпереходов ........................................................................................................... ..5
1.1. Электронно-дырочный переход ............................................................ ..5
1.2. Свойства р-n-перехода ................................................................................ 11
1.3. Анализ p-n-перехода в неравновесном состоянии .............................. 12
1.4. Вольт-амперная характеристика p-n-перехода .................................... 14
1.5. Пробой p-n-перехода .............................................................................. 16
1.6. Влияние температуры на свойства p-n-перехода ............................... 18
2. Экспериментальная часть............................................................................. 20
2.1. Измерительная установка ..................................................................... 20
2.2. Проведение измерений.......................................................................... 21
Контрольные вопросы ...................................................................................... 23
Список литературы ........................................................................................... 24
3
Введение
В пособии дается представление об электронно-дырочном переходе и
его свойствах, знание которых является базовым при изучении физики полупроводников и полупроводниковых приборов. Принцип действия многих полупроводниковых приборов основан на явлениях, происходящих на
границе, разделяющей две области полупроводника с разными типами
проводимости.
Диффузионные процессы, движущей силой которых является градиент концентраций основных носителей заряда на границе раздела соприкасающихся областей, приводят к перераспределению зарядов между областями с электронным и дырочным типом проводимости. В результате протекания ряда процессов на границе таких полупроводников возникает
внутреннее встроенное поле, создаваемое неподвижными нескомпенсированными зарядами ионизированных атомов примесей. Эта достаточно узкая область на границе раздела двух полупроводников – область пространственного заряда. Электрическое поле образовавшегося объемного заряда
противодействует проникновению основных носителей заряда из одной
области в другую.
Приложение внешнего поля в зависимости от его полярности приводит к понижению потенциального барьера на границе или к его увеличению, что наглядно демонстрирует вольт-амперная характеристика p-nперехода.
В работе студенту предлагается изучить условия токопрохождения в
ряде диодных структур и самостоятельно построить их экспериментальные
вольт-амперные характеристики.
4
1. Принципы формирования и характеристики различных типов p-n-переходов
1.1. Электронно-дырочный переход
Полупроводники могут иметь два типа проводимости: электронную
(n-тип), обусловленную донорными примесями с концентрацией Νd, и дырочную (р-тип), обусловленную акцепторными примесями с концентрацией Νa.
На границе раздела областей полупроводника, одна из которых обладает проводимостью р-типа, а другая – n-типа, образуется электроннодырочный переход, называемый p-n-переходом. На свойствах p-n-перехода
основан принцип работы большинства современных полупроводниковых
приборов.
Для создания р-n-перехода применяется сложная технология его формирования в единой пластине монокристаллического полупроводника, в
котором обеспечивается достаточно резкая граница с различной концентрацией между слоями p- и n-типом проводимости.
Рассмотрим физическую картину образования p-n-перехода (рис. 1).
Рис. 1. Схема образования электрического поля на границе раздела
электронного и дырочного полупроводников
5
Правая часть объема n имеет электронную проводимость, и в ней
преобладают донорные примеси. Левая часть объема p имеет дырочную проводимость, и в ней преобладают акцепторные примеси. В отсутствие контакта концентрации электронов и дырок в обеих частях
резко различаются: концентрация электронов в объеме n значительно
превышает их концентрацию в объеме p, а концентрация дырок в объеме p значительно превышает их концентрацию в объеме n.
При наличии контакта между рассматриваемыми областями из-за
разницы концентраций носителей заряда по обе стороны от границы
раздела начинаются диффузионные процессы: происходит проникновение электронов из объема n в объем p и обратное перемещение дырок. Это перемещение приводит к появлению в объеме p нескомпенсированного отрицательного объемного заряда, создаваемого ионами акцепторной примеси, а в объеме n — положительного объемного заряда, создаваемого положительными ионами донорной примеси. Заряды
в обеих областях распределяются в тонком слое (объеме) около границы раздела, поэтому они носят название объемных зарядов (рис. 1).
Объемные заряды создают электрическое поле, которое начинает препятствовать перемещению (диффузии) носителей, стремясь возвратить
их обратно в n- и p-области.
В основе принципа работы многих полупроводниковых приборов
(диодов, транзисторов, тиристоров и др.) лежат выпрямительные свойства p-n-перехода, которые в значительной степени зависят от того,
насколько резкая граница между р- и n-слоями.
В плавном p-n-переходе концентрация примесей меняется монотонно, поэтому он обладает плохими выпрямительными свойствами.
6
Переход считается резким в том случае, когда концентрация примесей в
нем существенно меняется на отрезке, меньшем LD 1.
При скачкообразном изменении концентрации примесей переход называется ступенчатым.
Переходы классифицируются также по соотношению концентраций основных носителей в слоях p и n; при этом различают симметричные переходы,
имеющие одинаковую концентрацию основных носителей в слоях (рр ≈ nn),
и несимметричные переходы, имеющие различную концентрацию основных носителей в слоях (pp >> nn или nn >> рр). Наибольшее распространение получили несимметричные переходы, в которых концентрации основных
носителей различаются в несколько раз.
Равновесное состояние p-n-перехода представлено на рис. 2.
Рис. 2. Равновесное состояние p-n-перехода:
а — распределение примесей; б — энергетическая диаграмма;
в — распределение носителей; г — распределение объемного заряда
1
Дебаевский радиус экранирования – расстояние, на которое распространяется в проводящих средах
действие электростатического поля отдельной заряженной частицы. В металлах дебаевский радиус
–8
порядка 10 см. В обычных полупроводниках при комнатной температуре дебаевский радиус поряд–4
ка 10 см.
7
При образовании p-n-перехода (рис. 2а) начинается процесс диффузии, обусловленный разностью уровней Ферми основных носителей в этих
областях. Этот процесс идет до тех пор, пока не сравняются уровни Ферми в n- и р-частях (рис. 2б). При отсутствии внешнего воздействия в p-nпереходе устанавливается тепловое равновесие. Для р-области основными
носителями являются дырки, которые обозначим через рр. Для n-области основными носителями являются электроны, которые обозначим nn. Неосновными носителями являются равновесные концентрации рп-дырок в электронной области и пр-электронов в дырочной (рис. 2в).
Характерной особенностью p-n-перехода является образование потенциального барьера и возникновение объемного заряда на его границе.
Вследствие того, что полупроводник n-типа имеет концентрацию электронов намного большую, чем дырочный (nn >> пр), часть электронов диффундирует в полупроводник р-типа. В результате в полупроводнике
n-типа образуется объемный заряд ρ положительного знака (рис. 2г) и электрическое поле распространяется в глубь полупроводника на глубину Ln в
n-область и глубину Lp в р-область. Общая ширина области объемного заряда равна Lo = Lp + Ln.
Результирующее электрическое поле, получившееся вследствие диффузии, направлено от n- к р-области таким образом, что оно препятствует
диффузионному переходу основных носителей и создает дрейфовый ток неосновных носителей. Дрейфовый ток неосновных носителей представляет
собой
перемещение
электронов
из
р-области
в
n-область и дырок из n-области в р-область. В результате процесса диффузии на p-n-переходе возникает состояние динамического равновесия и появляется контактная разность потенциалов Δφ0, которая создает потенциальный барьер (рис. 2б). Это равновесие называется динамическим, потому
что диффузионные токи при появлении контактной разности потенциалов не
исчезают, а лишь компенсируются дрейфовыми токами. При этом плотности
8
диффузионных токов электронов jnD и дырок jpD обеспечиваются теми электронами, которые имеют энергию, достаточную для преодоления потенциального барьера.
Дрейфовые токи электронов jn др и дырок jр др появляются в результате
того, что неосновные носители, находящиеся вблизи перехода, под действием теплового возбуждения пар (электрон–дырка) попадают в электрическое поле на контакте и затягиваются этим полем.
Условие динамического равновесия составляющих плотности токов в
p-n-переходе можно выразить в виде
jn др + jp др + jnD + jpD = 0.
(1)
Возникновение потенциального барьера предотвращает выравнивание
концентрации дырок и электронов по объему кристалла, так как через потенциальный барьер могут продиффундировать лишь те носители, которые имеют достаточную тепловую энергию для его преодоления.
Характер изменения потенциала в области p-n-перехода представлен
на рис. 2б. За пределами области объемного заряда потенциал постоянен.
В зоне объемного заряда происходит изменение потенциала и образование
потенциального барьера Δφ0.
Дырки не могут преодолевать потенциальный барьер и после проникновения на некоторую глубину отражаются и возвращаются в р-слой. Только
часть дырок, обладающих большой потенциальной энергией, преодолевает
потенциальный барьер. Этот поток уравновешивается встречным потоком
дырок из n-области. Одновременно происходит свободный переход электронов из р-слоя в n-слой, причем этот переход уравновешивается встречным потоком наиболее энергичных электронов n-слоя, преодолевающих потенциальный барьер.
Высота потенциального барьера в p-n-переходе будет определяться
положением уровня Ферми в р- и n-областях, т. е. концентрацией примесей в
этих областях. Уменьшение концентрации примесей в любой области сме9
щает уровень Ферми к середине запрещенной зоны и способствует уменьшению потенциального барьера. Зависимость потенциального барьера от концентрации примесей выражается соотношением:
Δφ0 =
kT p p WFn − WFp
ln
=
,
q
pn
q
(2)
где WFn , WFp – энергия уровней Ферми исходных полупроводников n- и
р-типа.
Из формулы (2) следует, что потенциальный барьер возрастает при
увеличении перепада концентраций носителей обоих знаков.
При изготовлении омического контакта используются контакты, содержащие полупроводники, имеющие один тип проводимости, но различную концентрацию примесей.
Для дырочного полупроводника при введении акцепторных примесей
получается структура с повышенным содержанием дырок, которая условно
обозначается р+. Знак + соответствует более сильнолегированному слою.
Аналогично получается полупроводник n+-типа при введении в электронный
полупроводник донорных примесей.
На практике встречаются переходы типа p-р+ и n-n+. Особенность этих
переходов заключается в том, что при подаче на них внешнего напряжения
инжекция неосновных носителей незначительна, поэтому они не обладают
выпрямительными свойствами и используются при изготовлении омических
контактов.
При создании быстродействующих приборов используются гетеропереходы, образующиеся при контакте двух полупроводников одного типа с
различной шириной запрещенной зоны. В качестве примеров гетеропереходов можно привести переход между германием n-типа и арсенидом галлия n-типа (n-n-гетеропереход) или между германием n-типа и арсенидом
галлия р-типа (p-n-гетеропереход).
10
Физические процессы, протекающие в гетеропереходе при изменении
величины и полярности приложенного к нему напряжения, имеют значительно большее быстродействие, чем в обычном p-n-переходе. Это быстродействие гетеропереходов объясняется участием в проводимости только
основных носителей и отсутствием инерционных процессов рассасывания
неосновных носителей при переключении напряжения на переходе с прямого направления на запирающее.
1.2. Свойства р-n-перехода
Генерация носителей заряда в полупроводнике является следствием
воздействия внешних факторов, например, нагрева, освещения, облучения.
Рекомбинация – процесс, противоположный генерации, и она противодействует накоплению носителей и обеспечивает их равновесные концентрации. На рис. 3 показан механизм переноса электрона из валентной зоны в
зону проводимости.
Рис. 3. Энергетические зоны в полупроводнике при отсутствии
электрического поля
Такой вид переноса встречается редко, так как обычно в запрещенной
зоне имеются некоторые промежуточные уровни (центры рекомбинации,
или рекомбинационные ловушки), которые временно принимают на себя
электрон, а затем эмиттируют его в зону проводимости. Промежуточные
11
уровни появляются вследствие наличия атомов примесей и дефектов в кристаллической решетке. Рекомбинационные ловушки способствуют как появлению, так и исчезновению свободных носителей заряда. Процессы рекомбинации и генерации при участии рекомбинационных ловушек можно
проанализировать с помощью схемы, представленной на рис. 4.
Рис. 4. Схема перехода электронов из валентной зоны (Wv) в зону
проводимости (Wс) и обратно через «ловушки»
Поясним состояния, обозначенные на схеме цифрами 1...4: 1 – переход
возбужденного электрона из валентной зоны в рекомбинационную ловушку, сопровождающийся появлением в валентной зоне дырки; 2 – обратный переход электрона из ловушки в валентную зону, сопровождающийся
исчезновением дырки; 3 – переход электрона в зону проводимости и образование свободного электрона, сопровождающееся образованием свободного промежуточного уровня; 4 – обратный переход электрона из зоны проводимости в свободную ловушку, сопровождающийся исчезновением электрона из зоны проводимости. Таким образом, через рекомбинационные ловушки идет непрерывный обмен электронами между валентной зоной и
зоной проводимости.
1.3. Анализ p-n-перехода в неравновесном состоянии
Состояние при отсутствии внешнего напряжения на p-n-переходе называется равновесным. При подключении к переходу источника напряжения
равновесие в системе нарушается, и во внешней цепи начинает протекать
12
ток. Рассмотрим два возможных случая подключения источника внешнего
напряжения (рис. 5).
Если плюс источника подключить к р-слою, а минус к n-слою, то высота потенциального барьера при таком включении уменьшается (рис. 5а) и
становится равной
Δφ = Δφ0 — U.
Такое включение перехода называется прямым.
Если же плюс источника подключить к n-слою, а минус к р-слою –
высота потенциального барьера увеличивается (рис. 5б) и становится равной
Δφ = Δφ0 + U.
Рис. 5. Изменение высоты потенциального барьера при подаче
на p-n-переход прямого (а) и обратного (б) напряжения:
― равновесное состояние; ----- неравновесное
состояние
(после
подключения источника внешнего напряжения)
Такое включение перехода называется обратным.
При приложении внешнего напряжения к p-n-переходу равновесие на
нем нарушается, и начинает протекать ток, причем величина этого тока изменяется в зависимости от приложенного напряжения. Зависимость между
током и напряжением можно представить графически или аналитически в
виде вольт-амперной характеристики.
13
1.4. Вольт-амперная характеристика p-n-перехода
Вид вольт-амперной характеристики в основном определяется соотношением между диффузионной и дрейфовой составляющими тока. Дрейфовая составляющая тока зависит от скорости движения основных носителей, от их концентрации в данном полупроводнике и не зависит от напряжения, приложенного к переходу. Диффузионный ток, наоборот, зависит от
приложенного к переходу напряжения и уменьшается с увеличением потенциального барьера. При больших обратных напряжениях число носителей
заряда, способных преодолевать потенциальный барьер, стремится к нулю.
Следовательно, диффузионный ток также стремится к нулю, и полный ток,
протекающий через переход в обратном направлении, стремится к значению, равному дрейфовому току.
При прямой полярности приложенного напряжения дрейфовая составляющая тока остается практически постоянной, а диффузионная составляющая возрастает по экспоненциальному закону. При отсутствии внешнего напряжения (U = 0) дрейфовая и диффузионная составляющие равны
между собой.
Рассмотрим основные параметры вольт-амперной характеристики, а
также основные свойства p-n-перехода.
1. Величина I0 (или плотность тока I0) называется током насыщения
или тепловым током. Это предел, к которому стремится обратный ток при
возрастании обратного напряжения. Для реальных переходов величина I0
зависит от физических свойств полупроводника (концентрация примесей,
время жизни носителей).
2. Нелинейность вольт-амперной характеристики определяется дифференциальным сопротивлением, которое представляет собой сопротивление в данной точке характеристики для синусоидального переменного тока с малой амплитудой:
14
rдиф
kT
dU
q
.
=
=
dI
I + I0
Для проводящего направления p-n-перехода
rдиф =
kT
,
qI
так как I >> I0.
3. Для практических расчетов часто используют сопротивление постоянному току Rдиф, равное
Rдиф =
U kT
I
=
ln( + 1) .
I
q
I0
Для обратной ветви вольт-амперной характеристики
Rдиф =
U
.
I0
В нулевой точке (I = 0, U = 0) rдиф = Rдиф. В области прямых токов Rдиф > rдиф,
а в области обратных токов Rдиф < rдиф.
4. Обратная характеристика p-n-перехода. Обратный ток в реальном p-nпереходе несколько возрастает с увеличением обратного напряжения, поэтому
наблюдаются некоторые отклонения от идеальной вольт-амперной характеристики. Причина этого отклонения заключается в том, что наряду с тепловым
током в обратном направлении протекают токи термогенерации и утечки.
Появление тока термогенерации Iтг связано с процессами генерации и
рекомбинации. В равновесном состоянии этот ток компенсируется равным по величине током рекомбинации Iрек, а в неравновесном состоянии это
равенство нарушается. Если приложено обратное напряжение, ток рекомбинации практически равен нулю, так как при увеличении потенциального
барьера проникновение носителей в область перехода и их последующая
рекомбинация затруднены. Составляющая Iтг складывается с тепловым то15
ком I0, увеличивая значение обратного тока. С ростом обратного напряжения увеличивается ширина перехода, что способствует росту генерации носителей внутри перехода и соответственно увеличению тока Iтг. Величина
тока термогенерации зависит от типа полупроводника. Например, для
германия Iтг/I0 = 0,1; для кремния Iтг/I0 = 1000. На основании этих выкладок можно сделать вывод, что обратный ток в германиевых p-nпереходах обусловлен в основном тепловым током, а в кремниевых p-nпереходах – током термогенерации.
Следует отметить, что с ростом температуры тепловой ток резко возрастает и при температуре +100 °С ток I0 начинает превышать ток Iтг.
Ток утечки Iут обусловлен поверхностными энергетическими уровнями,
которые вызывают процесс рекомбинации, а также молекулярными или
ионными пленками, шунтирующими p-n переход (молекулы газов, воды,
основного материала). Он увеличивается пропорционально обратному напряжению и может быть количественно оценен эквивалентным сопротивлением утечки Rу, равным
rут =
U
.
I ут
Для кремниевых диодов имеет место соотношение Iут > I0 + Iтг·
1.5. Пробой p-n-перехода
Обратное напряжение на p-п-переходе нельзя увеличивать больше допустимого предела, так как это может привести к пробою p-n-перехода.
При этом наблюдается резкое возрастание величины обратного тока с ростом обратного напряжения.
Различают два вида пробоя: электрический и тепловой (рис. 6). При электрическом пробое p-n-переход может сохранить свою работоспособность, т. е.
при определенных условиях этот пробой является обратимым.
16
Электрический пробой бывает двух типов: туннельный (или, иначе, по-
левой, зенеровский) и лавинный.
Туннельный пробой – следствие непосредственного воздействия
электрического поля на кристаллическую решетку полупроводника. В основе этого пробоя лежит туннельный эффект, т. е. просачивание электронов
сквозь потенциальный барьер, если его толщина мала. Пробой оценивается
напряженностью поля, при которой он наступает. По данным эксперимента
эта напряженность равна: для германия 2 · 107 В/м, для кремния 4 · 107 В/м.
Туннельный пробой характерен для материалов с малой шириной области объемного заряда, т. е. возникает в p-n-переходах, созданных на базе
полупроводников с большой концентрацией примесей.
Лавинный пробой обусловлен тем, что в широких p-n-переходах но-
сители заряда приобретают за время движения достаточную энергию и при
столкновении с решеткой кристалла выбивают из связей парные электроны. В результате рождается новая пара электрон–дырка, и процесс повторяется под действием новых носителей. Это явление, называемое ударной ионизацией, приводит к лавинообразному увеличению тока через переход и
возникновению лавинного пробоя.
Тепловой пробой имеет место в тех случаях, когда не обеспечивается
необходимый отвод тепла от p-n-перехода. В результате переход может
перегреться и выйти из строя. Этот вид пробоя является наиболее опасным,
так как он необратим, т. е. выпрямительные свойства перехода не восстанавливаются. Тепловой пробой наступает при более низких обратных напряжениях, чем электрические виды пробоя. Обратная ветвь вольтамперной характеристики при тепловом пробое имеет участок с отрицательным дифференциальным сопротивлением и располагается правее обратных характеристик, соответствующих электрическим пробоям (лавинному и туннельному) (рис. 6).
17
Рис. 6. Вольт-амперная характеристика p-n-перехода в обратном
направлении при туннельном (——),
лавинном ( - - - ) и
тепловом (— · —) пробое
Тепловой пробой может наступить как следствие электрического пробоя, который при увеличении обратного тока переходит в тепловой.
1.6. Влияние температуры на свойства p-n-перехода
Вольт-амперные характеристики германиевых (рис. 7а) и кремниевых
(рис. 7б) p-n-переходов изменяются с изменением температуры.
Рис. 7. Вольт-амперные характеристики германиевого (а)
и кремниевого (б) диода при различных значениях температуры окружающей среды
Причины этих изменений заключаются в том, что с ростом температуры
тепловой ток резко возрастает и превышает ток термогенерации. Кроме того, обратный ток в германиевых p-n-переходах обусловлен в основном тепловым током, а в кремниевых – током термогенерации. Этим и объясняется
более
резкая
зависимость
обратного
18
тока
в
германиевом
p-n-переходе при изменении температуры по сравнению с кремниевым
(рис. 7). Допустимый рабочий диапазон температур для германиевых
p-n-переходов лежит в пределах –60... +70 °С, а для кремниевых – 60... + 150 °С.
С увеличением температуры напряжение лавинного пробоя для кремниевого p-n-перехода (рис. 6, 7) возрастает, поскольку при этом уменьшается средняя длина пробега, свободных носителей и затрудняется возникновение ударной ионизации, приводящей к лавинному пробою. Напряжение
туннельного пробоя уменьшается с ростом температуры, так как при этом
уменьшается ширина запрещенной зоны полупроводника.
Напряжение теплового пробоя уменьшается с увеличением температуры,
так как при этом возрастает температура p-n-перехода, а, следовательно,
уменьшается обратное допустимое напряжение. Изгиб характеристик германиевого p-n-перехода с увеличением температуры смещается вправо (рис. 7а).
При увеличении температуры возрастает мощность, рассеиваемая p-nпереходом. Для обеспечения нормальной работы p-n-перехода эта мощность не должна превышать максимально допустимого значения, определяемого из выражения
Pmax =
Tmax − T
.
Rt
где Ттах – максимально допустимая температура p-n-перехода; T – температура окружающей среды; Rt – тепловое сопротивление между переходом
и окружающей средой, °С/Вт.
Ввиду того, что мощность p-n-перехода изменяется с изменением температуры, за основную величину берут значение мощности Ρ при 20 °С.
Тогда пересчет мощности для максимального значения температуры tmax
производится по формуле
Pmax =
Tmax − T
.
0
(Tmax − 20 C ) P
19
2. Экспериментальная часть
Цель работы: получение вольт-амперных характеристик p-n-переходов
диода Шоттки, кремниевых и германиевых диодов высокой и средней мощности.
2.1.
Измерительная установка
На рис. 8 представлена блок-схема измерительной установки.
Рис. 8. Блок-схема измерительной установки
1÷5 – клеммы подключения измерительных приборов и измеряемых
диодов,
6÷7 – клеммы подключения блока питания,
20
8 – тумблер переключения режимов работы «Диод» – «4-зондовый»,
9 – тумблер переключения полярности,
10 – переключатель резисторов ограничения тока.
2.2. Проведение измерений
1.
Подсоединить измерительные приборы (мультиметры) к блоку ком-
мутации согласно рис. 8. Исходное положение тумблеров 8, 9 – вверх.
2.
Подсоединить измеряемый диод согласно рис. 8 к клеммам 3 и 5.
Знак «+» диода соответствует p-области, а знак «–» – n-области
p-n-перехода.
3.
Включить блок питания и мультиметры.
4.
Перевести тумблер 8 в положение «Диод».
5.
Плавно изменяя напряжение на выходе блока питания, снять показа-
ния амперметра и вольтметра. Получить не менее 7 значений напряжения и
тока, соответствующих вольт-амперной характеристике (ВАХ). При указанных полярностях источника питания и диода, и верхнем положении
тумблера 9, измеренная ВАХ будет соответствовать прямосмещенному
p-n-переходу.
6.
Перевести тумблер 9 в нижнее положение и провести измерения со-
гласно предыдущему пункту для обратной ветви ВАХ.
7.
Провести измерения согласно пунктам 5 и 6 для всех диодов, пред-
ложенных преподавателем.
8.
По полученным значениям тока и напряжения, построить вольтам-
перные характеристики в масштабах, указанных на рис. 9.
21
Рис. 9. Масштаб координатных осей
9.
Построить вольт-амперную характеристику для каждого отдельного
диода.
10. Построить общий график, совместив все экспериментально полученные вольт-амперные характеристики на едином графике с указанием
типа диода.
11. Оценить полученные результаты и сделать выводы по проделанной работе.
22
Контрольные вопросы
1.
Что представляет собой электронно-дырочный переход?
2.
Какие носители заряда являются основными, а какие неосновными?
3.
Опишите механизм электронной и дырочной проводимости.
4.
Какими
процессами
поддерживается
равновесное
состояние
p-n-перехода?
5.
Дайте определение уровня Ферми.
6.
Какие виды пробоя p-n-перехода вы знаете. Охарактеризуйте каждый
из них.
7.
Что вы понимаете под дебаевским радиусом экранирования?
8.
Что такое тепловой ток? От чего он зависит?
9.
Что такое ток термогенерации? От чего он зависит?
10. Каковы соотношения величин тепловых токов и токов термогенерации для германиевых и кремниевых p-n-переходов?
11. Что такое ток утечки? Чем он обусловлен?
23
Список литературы
1. Бонч-Бруевич В.Л. Физика полупроводников/ В.Л. Бонч-Бруевич,
С.Г. Калашников. – М. : Наука, 1990. – 685 с.
2. Шалимова К.В. Физика полупроводников / К.В. Шалимова. – М. :
Энергоатомиздат, 1985. – 395 с.
3. Ю. Питер. Основы физики полупроводников / Ю. Питер, М. Кардона ;
пер. И.И. Решиной ; под ред. Б.П. Захарченя. – 3-е изд. – М. : Физматлит,
2002. – 560 с.
4. Яценко О.Б. Основы физики и химии полупроводников. Ч. 1 : учебное пособие для вузов / О.Б. Яценко, И.Г. Чудотворцев, М.К. Шаров. – Воронеж : ИПЦ ВГУ, 2007. – 62 с.
24
Учебное издание
ИЗУЧЕНИЕ ВЫПРЯМЛЯЮЩИХ СВОЙСТВ
ЭЛЕКТРОННО-ДЫРОЧНОГО ПЕРЕХОДА
Методические материалы для выполнения
лабораторной работы
Составители:
Владимирова Людмила Николаевна,
Петраков Владимир Иванович,
Берло Екатерина Николаевна
Редактор И.Г. Валынкина
Подписано в печать 1.09.08. Формат 60×84/16. Усл. печ. л. 1,51.
Тираж 50 экз. Заказ 1087.
Издательско-полиграфический центр
Воронежского государственного университета.
394000, г. Воронеж, пл. им. Ленина, 10. Тел. 208-298, 598-026 (факс)
http://www.ppc.vsu.ru; e-mail: pp_center@ppc.vsu.ru
Отпечатано в типографии Издательско-полиграфического центра
Воронежского государственного университета.
394000, г. Воронеж, ул. Пушкинская, 3. Тел. 204-133
25
26