Лабораторний практикум з фізики. Частина 3 (ядерна фізика, статистична фізика і термодинаміка, фізика твердого тіла)

Прилади та матеріали: досліджуваний діод; установка для одержання вольт-амперної характеристики.

 

 

Електронно-дірковий (або n-p) перехід виникає при контакті напівпровідників з різним типом провідності, який здійснюється їх сплавленням, іонною імплантацією або іншими технологічними прийомами. У напівпровідникові n-типу основні носії струму – електрони, концентрація яких n. У результаті теплової генерації в ньому існують також неосновні носії заряду – дірки, концентрація яких рn, причому nрn. У напівпровідникові р-типу основні носії – дірки, концентрацією р і неосновні – електрони, концентрацією nр взаємозв'язані аналогічною нерівністю pnp. Оскільки концентрації власних носіїв рn і np визначаються шириною забороненої зони Eg та температурою Т, то рn = nр. Отже, nnp і pрn. Таким чином, у напрямку, перпендикулярному до площини р-n-переходу, існує градієнт концентрації носіїв заряду, результатом чого є дифузія електронів з n-області в р-область, а також зустрічна дифузія дірок. Оскільки носії мають електричний заряд, то дифузія супроводжується протіканням через р-n-перехід електричного струму, який носить назву дифузійного струму. Напрямки дифузійних струмів електронів і дірок показані на рис. 8. 4. 1.

У результаті дифузії основних носіїв заряду донори в n-напів-провіднику, а акцептори в р-напівпровіднику іонізуються, в результаті чого в області контакту створюються об'ємні заряди – позитивні в n-області та негативні в р-області. Незначний внесок в об'ємний заряд дають також дифундовані дірки та електрони. Розподіл густини об'ємного заряду р (х) вздовж зразка наведено на рис. 8. 4. 2. Між утвореними об'ємними зарядами виникає контактна різниця потенціалів Uk, електричне поле, напруженістю Е (рис. 8. 4. 1.).

Наявність контактної різниці потенціалів приводить до того, що поряд з дифузійним рухом основних носіїв відбувається переміщення неосновних носіїв заряду. Під дією поля дірки з n-області переходять в р-тип, а електрони назустріч. Таке переміщення неосновних носіїв заряду – дрейф – приводить до появи дрейфового струму jen (рис. 8. 4. 1).

 

 

При сталій температурі та відсутності зовнішніх впливів р-n-перехід знаходиться в динамічній рівновазі, тобто дрейфовий і дифузійний струми компенсують один одного, контактна різниця потенціалів приймає певне значення, а енергія Фермі ЕF набуває однакового рівня як в n-, так і в р-області зразка.

 

 

Оскільки потенціальна енергія заряду в електричному полі визначається співвідношенням е, де  – потенціал, то з врахуванням рис. 8. 4. 3 можемо зобразити енергетичну діаграму рівноважного р-n-переходу в такому вигляді (рис. 8. 4. 4).

Контактне поле протидіє рухові основних носіїв заряду. Тому в р-n-переході для основних носіїв заряду виникає потенціальний бар'єр, висота якого  , а ширина його визначається товщиною р-n-переходу.

 

 

Із зростанням домішкової концентрації збільшується концентрація основних носіїв заряду, що приводить до зростання кількості частинок, що дифундують. Тому збільшується густина об'ємного заряду, що забезпечує зростання Uk і зменшення товщини р-n-переходу. Для германію типові значення UK=0, 3.. 0, 4 В, d=10-4... 10-5 см, а при великих концентраціях домішок UK=0, 7 В, d=10-6 cm.

 

 

Приєднаємо джерело зовнішньої напруги позитивним полюсом до р -області, а негативним – до n-області. Така напруга, в якої полярність збігається з полярністю основних носіїв заряду, називається прямою. Електричне поле, створене прямою напругою, діє зустрічно контактному полю (рис. 8. 4. 5).

 

Результуюче поле стане слабкішим, що призведе до зменшення різниці потенціалів на р-n-переході, внаслідок чого зменшиться висота потенціального бар'єра для основних носіїв заряду. Енергетична діаграма зміниться так, як показано на рис. 8. 4. 6. Зниження висоти потенціального бар'єра забезпечить зростання дифузійного струму jд.

 

Струм дрейфу практично не зміниться, оскільки він визначається головним чином числом неосновних носіїв заряду, які досягають р-n-переходу за рахунок теплового руху, а в нашому випадку температура залишалась сталою.

Таким чином, при прямому включенні через р-n-перехід протікає прямий струм, густина якого jпp=jд – je. Оскільки контактна різниця потенціалів Uk складає десяті частки вольта, то вже при малих ( 0, 1 В) прямих напругах висота потенціального бар'єра суттєво зменшується, що приводить до великих значень прямого струму навіть при порівняно малій напрузі.

У випадку прямої напруги не тільки зменшується висота потенціального бар'єра, але й відбувається також зменшення товщини p-n-переходу, що приводить до зменшення опору, причому наявність об'ємного заряду обумовлює нелінійну залежність між струмом і напругою.

Змінивши полярність зовнішньої напруги, одержуємо зворотне включення p-n-переходу Напруженості зовнішнього та контактного полів додаються (рис. 8. 4. 7). Висота потенціального бар'єра зростає. Вже при малих зворотних напругах внаслідок зростання висоти потенціального бар'єра дифузійний струм практично стає рівним нулю. Провідність p-n-переходу обумовлена неосновними носіями заряду, а зворотний струм – це струм дрейфу Як вже зазначалось вище, дрейфовий струм в основному визначається тепловим рухом носіїв, внаслідок чого слабко залежить від величини зворотної напруги. Оскільки концентрація неосновних носіїв мала, то й зворотний струм значно менший від прямого. Як підсумок, вольт-амперна характеристика, тобто залежність I=f (U) має