12354

Изучение свойств p-n перехода

Лабораторная работа

Физика

Лабораторная работа № 23 Изучение свойств pn перехода 1. Цель работы: изучение вольтамперных характеристик при прямом и обратном направлении протекающего через переход тока и вольтфарадной зависимость емкости перехода от приложенного напряжения характеристики pn...

Русский

2013-04-26

283 KB

29 чел.

Лабораторная работа № 23

«Изучение свойств p-n перехода»

1. Цель работы: изучение вольт-амперных характеристик при прямом и обратном направлении протекающего через переход тока и вольт-фарадной (зависимость емкости перехода от приложенного напряжения) характеристики p-n перехода.

2. Электропроводность твердого тела.

Силы притяжения между частицами, составляющими твердое тело, настолько велики, что атомы твердого тела не могут свободно двигаться друг относительно друга. Структура и жесткость твердых тел определяются различием в электростатических силах, которые связывают вместе составляющие тело атомы. Подавляющее большинство  твердых тел представляют собой кристаллы, атомы в которых правильно упорядочены и симметрично расположены. Взаимодействие между атомами кристалла (химическая связь) может иметь различную природу: ионная, ковалентная, металлическая, ван-дер-ваальсова, водородная связь. Наиболее распространена металлическая связь, при которой все атомы кристалла отдают «в коллективное пользование» свои валентные электроны. В этом случае валентные электроны так слабо связаны с атомными остовами, что могут свободно двигаться по кристаллической решетке.

В начале 1900 года Друде и Лоренц предложили модель классического электронного газа для электронов в металле. Ими была выдвинута гипотеза, что валентные электроны ни с чем не взаимодействуют и не взаимодействуют между собой и, таким образом, ведут себя как частицы классического идеального газа. Несмотря на значительные успехи модели электронного газа, ее ограниченность ясна уже из того, что электроны в кристалле расположены на более близких расстояниях, чем молекулы газа. Необходимо поэтому учитывать электростатическое взаимодействие и считаться с очень высоким давлением внутри электронного газа. Наиболее серьезное упущение модели состоит в том, что электроны в кристалле нельзя считать классическими частицами, к ним следует применять квантовую механику.

В индивидуальном атоме электроны на орбитах удерживаются ядром и занимают определенные энергетические уровни. Квантовая теория запрещает электрону иметь энергию, лежащую между любыми двумя энергетическими уровнями. В твердом теле положение сложнее, потому что атомы в нем тесно примыкают друг к другу, и каждый из них оказывает сильное воздействие на электроны соседнего атома. Взаимодействие электронов приводит к тому, что их энергия несколько изменяется, потому что в силу принципа запрета Паули никакие два электрона не могут занимать одно и то же квантовое состояние. Если кристалл содержит 1028 атомов, образуется такое же огромное количество индивидуальных квантовых состояний, и все они вместе создают почти непрерывную зону или зоны разрешенных энергетических уровней.

Металл                    Полупроводник           Изолятор

Рис.23.1. Энергетические зоны в твердом веществе.

Будет ли твердое тело изолятором, проводником или полупроводником, зависит от структуры энергетических зон. Энергетические зоны для изолятора, проводника и полупроводника схематически показаны на рис. 23.1. В металлах валентная зона не заполнена и тесно примыкает к зоне проводимости, поэтому электроны легко могут переходить из валентной зоны в зону проводимости. С другой стороны, если валентная зона, заполненная электронами, четко отделена от зоны проводимости достаточно широкой полосой запрещенных энергий, то твердое тело является изолятором, так как в нем очень трудно электрону попасть в зону проводимости. Наконец, в полупроводниках полоса запрещенных состояний узкая, и отдельные электроны могут приобрести энергию, достаточную для того, чтобы «перепрыгнуть» полосу и попасть в зону проводимости. Достаточно нагреть полупроводник или поместить его в электрическое поле, чтобы электроны через энергетическую щель переместились в зону проводимости.

В случае идеальной кристаллической решетки электроны в зоне проводимости не испытывали бы при своем движении никакого сопротивления и электропроводность металлов была бы бесконечно большой. Нарушения строгой периодичности решетки наличием примесей, а также тепловыми колебаниями решетки. Рассеяние электронов на атомах примеси и на колебаниях решетки приводит к возникновению электросопротивления металлов.

Пусть в единице объема металла имеется n свободных электронов. Средняя дрейфовая скорость этих электронов в отсутствие внешнего поля равна нулю. В электрическом поле  дрейфовая скорость  становится отличной от нуля – в металле возникает электрический ток. Согласно закону Ома дрейфовая скорость является конечной и пропорциональна силе – e.

Известно, что скорость установившегося движения пропорциональна приложенной к телу внешней силе, когда на тело действует сила сопротивления среды, которая пропорциональна скорости тела (примером служит падение шарика в вязкой среде). Следовательно, на электроны в металле действует дополнительная сила «трения», среднее значение которой равно

, (23.1)

где r – коэффициент пропорциональности.

Уравнение движения для «среднего» электрона имеет вид

. (23.2)

Если после установления стационарного состояния выключить внешне поле , дрейфовая скорость начнет убывать и по достижении состояния равновесия между электронами и решеткой обращается в нуль. Найдем закон убывания дрейфовой скорости после выключения внешнего поля из уравнения

. (23.3)

Его решение имеет вид

, (23.4)

где  – значение дрейфовой скорости в момент выключения поля. Из (23.4) следует, что за время  значение дрейфовой скорости уменьшается в e раз. Таким образом, величина представляет собой время релаксации, характеризующее время установления равновесия между электронами и решеткой, нарушенного действием внешнего поля.

Установившееся значение дрейфовой скорости можно найти, приравняв нулю общую силу:

.

Отсюда . (23.5)

Установившееся значение плотности тока получим, умножив значение дрейфовой скорости на  заряд электрона и концентрацию электронов:

. (23.6)

Таким образом, удельная электропроводность металла равна

. (23.7)

Расчет времени релаксации производится квантово-механическими методами. Можно показать, что пропорционально обратной температуре.

При рассмотрении электрических свойств полупроводников большую роль играет понятие «дырок». В собственном полупроводнике (химически чистом) при абсолютном нуле все уровни валентной зоны полностью заполнены электронами, а в зоне проводимости электроны отсутствуют (рис.23.2а). Электрическое поле не может перебросить электроны из валентной зоны в зону проводимости. Поэтому собственные полупроводники ведут себя при абсолютном нуле как изоляторы.

При температурах, отличных от 0К, часть электронов с верхних уровней валентной зоны переходят в результате теплового возбуждения на нижние уровни зоны проводимости (рис.23.2б). В этих условиях электрическое поле получает возможность изменять состояние электронов, находящихся в зоне проводимости. Кроме того, вследствие образования вакантных уровней в валентной зоне электроны этой зоны тоже могут изменять свою скорость под воздействием внешнего поля. При наличии вакантных уровней поведение электронов валентной зоны может быть представлено как движение положительно заряженных квазичастиц, получивших название «дырок».

Вероятность заполнения уровней зоны проводимости электронами определяется распределением Больцмана

. (23.8)

                       а)                                                  б)

Рис.23.2. Собственная проводимость полупроводников.

Количество электронов, перешедших в зону проводимости, а, следовательно, и количество образовавшихся дырок, будут пропорциональны этой вероятности. Электропроводность собственных полупроводников быстро растет с температурой, изменяясь по закону

, (23.9)

где  – ширина запрещенной зоны.

Типичными полупроводниками являются элементы IV группы периодической системы – германий и кремний.

Примесная проводимость возникает, если некоторые атомы данного полупроводника заменить в узлах кристаллической решетки атомами, валентность которых  отличается на единицу от валентности основных атомов. Так, если взята примесь из V группы (фосфор, например), пятый валентный электрон оказывается, как бы, лишним и легко отщепляется от атома за счет энергии теплового движения. Образование свободного электрона в этом случае не сопровождается образованием дырки. Атомы примеси, поставляющие электроны проводимости, называются донорами, а такой полупроводник считается обладающим электронной проводимостью или проводимостью n-типа.

Когда валентность примеси (бор, например) на единицу меньше валентности основных атомов одна из связей окажется неукомплектованной, и будет представлять собой место, способное захватить электрон. При переходе на это место электрона одной из соседних связей возникнет дырка, которая будет перемещаться по кристаллу. В этом случае основными носителями тока являются дырки, а о полупроводнике говорят, что он принадлежит к р-типу. Примеси, вызывающие возникновение дырок, называются акцепторными.

Примеси искажают поле решетки, что приводит к возникновению на энергетической схеме примесных уровней, расположенных в запрещенной зоне кристалла (рис.23.3.).

а)                                                   б)

Рис.23.3. Примесная проводимость полупроводников.

В случае полупроводников n-типа примесные уровни называются донорными (Д.У. на рис.23.3а), а в случае полупроводников р-типа акцепторными (А.У. на рис.23.3б).

Донорные уровни существенно изменяют электропроводность полупроводника, если они расположены вблизи дна зоны проводимости. В этом случае энергия теплового движения даже при обычных температурах оказывается достаточной для того, чтобы перевести электрон с донорного уровня в зону проводимости. Акцепторные уровни оказывают существенное влияние на электрические свойства кристалла в том случае, если они расположены недалеко от потолка валентной зоны. Образование дырки связано с переходом электрона из валентной зоны на акцепторный уровень.

При повышении температуры концентрация примесных носителей тока быстро достигает насыщения. Это означает, что практически освобождаются все донорные или заполняются электронами все акцепторные уровни. Вместе с тем по мере роста температуры все в большей степени начинает сказываться собственная проводимость полупроводника, обусловленная переходом электронов непосредственно из валентной зоны в зону проводимости.

                      а)                                                       б)

Рис.23.4. P-n–переход.

Электрический контакт двух полупроводников с различными типами проводимости называется электронно-дырочным переходом (p-n–переходом). Двойной электрический слой p-n–перехода образуется в результате диффузии электронов в р-полупроводник, а положительных дырок в противоположном направлении. Толщина p-n–перехода составляет 10-7-10-6м. Контактное электрическое поле двойного заряженного слоя препятствует тепловому движению носителей тока (электронов и дырок), т.е. равновесный контактный слой является запирающим и обладает повышенным сопротивлением.

Если к контактному слою приложено внешнее напряжение таким образом, что n-полупроводник соединен с положительным полюсом источника тока (рис.23.4а), то внешнее электрическое поле усиливает поле контактного слоя и вызывает движение электронов в n-полупроводнике и дырок в р-полупроводнике в противоположные стороны от границы. Это приводит к расширению запирающего слоя и росту его сопротивления. Направление внешнего поля, расширяющего запирающий слой, называется запирающим (обратным). В этом направлении электрический ток через контакт двух полупроводников практически не проходит.

При пропускном (прямом) направлении внешнее электрическое поле направлено противоположно полю контактного слоя. Электроны и дырки перемещаются к границе p-n–перехода, толщина контактного слоя и его сопротивление уменьшаются (рис.23.4б). Следовательно, в этом направлении электрический ток может проходить через границу двух полупроводников.

3. Описание экспериментальной установки.

Принцип действия установки основан на измерении тока через p-n–переход или емкости p-n–перехода при фиксированных значениях приложенного к нему напряжения. Установка состоит из объектов исследования и измерительного устройства. Объекты исследования выполнены в виде вилок, в которых установлены серийно выпускаемые диоды. В измерительном устройстве применена однокристальная микро-ЭВМ с соответствующими дополнительными устройствами, позволяющими производить установку величины и полярности напряжения, измерение емкости p-n–перехода и тока через него в зависимости от приложенного напряжения, а также осуществлять функции управления установкой. На передней панели измерительного устройства размещены следующие органы управления и индикации:

- кнопки «+», «-» и «СБРОС» – предназначены для регулирования напряжения;

- кнопка «ВАХ-ВФХ» – предназначена для установки соответствующего режима работы (снятие «ВАХ» или «ВФХ»);

- индикатор «В» – предназначен для индикации величины значения регулируемого напряжения;

- кнопка «ПРЯМАЯ-ОБРАТНАЯ» – предназначена для установки режима работы при снятии «ВАХ»;

- индикатор «мА мкА пФ» – предназначен для индикации единиц измерения и величины измеряемых значений тока или емкости;

- индикаторы «ПРЯМАЯ-ОБРАТНАЯ» – предназначены для индикации установленного режима работы при снятии «ВАХ».

4. Порядок выполнения работы.

4.1. Включите установку выключателем «СЕТЬ». Переключателем образцов, выберите образец диода, характеристики которого будут исследоваться.

4.2. Устанавливая с помощью кнопок «+» и «–» необходимые значения напряжения на диоде и считывая при этом с индикатора «мА мкА пФ» значения прямого (обратного) тока через переход (размерность при этом индуцируется светодиодами индикатора, знак тока не индуцируется). Измерения на прямой ветви «ВАХ» проводить, не превышая значение тока в 50мА, а на обратной ветви не превышая значение напряжения в 30В. Результаты измерений занести в табл. 23.1., 23.2.

4.3. Нажмите кнопку «ВАХ-ВФХ» для включения режима измерения вольтфарадной характеристики. Устанавливая с помощью кнопок «+» и «–» необходимые значения напряжения и считывая при этом с индикатора «мА мкА пФ» значения емкости перехода, заполнить табл. 23.3.

Таблица 23.1. Прямые ветви ВАХ.

диода

U, B

1

Iпрям

2

Iпрям

Таблица 23.2. Обратные ветви ВАХ.

диода

U, B

1

Iобр

2

Iобр

Таблица 23.3. Вольтфарадные характеристики.

диода

U, B

1

С, пФ

2

С, пФ

4.4. Повторите измерения п.п. 4.2, 4.3 для второго диода.

4.5. По полученным данным построить характеристики исследуемых диодов.

5. Контрольные вопросы.

5.1. Основы зонной модели твердого тела.

5.2. Электронная теория проводимости металлов.

5.3. Собственная проводимость полупроводника.

5.4. Примесная проводимость полупроводника.

5.5. P-n–переход.

Рекомендуемая литература.

  1.  Детлаф А.А., Яворский Б.М. Курс физики: Учеб. пособие для втузов.– 2-е изд., испр. и доп.– М.: Высш. шк., 1999.– 718 с.: ил.
  2.  Савельев И.В. Курс общей физики: Учеб. пособие. В 3-х т. Т.2. Электричество и магнетизм. Волны. Оптика. – 3-е изд., испр. –М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит., 1988. 496 с., ил.
  3.  Трофимова Т.И. Курс физики: Учеб. пособие для вузов.– 5-е изд., стер.– М.: Высш. шк., 1998.– 542 с.: ил.

7

  1.  

 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

65015. Влияние исламских и татарских монет на Российскую денежную систему 423 KB
  Исламские монеты формировали основу русской денежной системы веками. В начале существования славянского княжества, ввезенные дирхамы Аббасидов и Саманидов были основными монетами, находящимися в обращении в Киеве.
65016. Военное устройство монгольской империи 115 KB
  Хотя военное искусство монголов продолжало развиваться и в последующее время царствования Чингисхана а также при его преемниках особенно в области применения к военному делу техники заимствованной у культурных врагов и их развитие могло конечно повлиять на подробности...
65017. Военные подходы монголов при Чингисхане 299.85 KB
  Казнены были все татары, кто ростом оказался выше оси тележного колеса, и осталась от тех монгольских татар только горстка людей, да имя, перешедшее на остальных монголов и подвластные им не монгольские племена. Под именем уничтоженного племени татар узнал вскоре монголов весь мир.
65018. Вопросы истории монгольских войск в период нахождения Монголии под игом Манжурии (1691-1911) 52.5 KB
  Это было тесно связано с государственной политикой и деятельностью Манжурии принимаемых для монгольских воинов. Поэтому необходимо тщательно изучить историю монгольских воинов в период покорения Манжурии и это объясняется нижеследующими условиями и причинами.
65019. Ислам в Золотой Орде: традиции религиозного опыта 47.5 KB
  Коротко о теме исследования Ислам в Золотой Орде: традиции религиозного опыта Проблематика распространения ислама в Золотой Орде привлекает интерес для изучения основных тенденций национально-культурного развития мусульманских народов Поволжья и Приуралья.
65020. Ратная сила Золотой Орды 358 KB
  Государство Золотая Орда образовалось в результате похода монголов к “Последнему морю”. Земли, захваченные в ходе этого грандиозного завоевания, отошли в удел потомков старшего сына Чингизхана Джучи. Поэтому арабские и персидские авторы именовали...
65021. Посмертный титул Бату-хана 28.5 KB
  Однако современники Бату никогда не использовали этот титул. Он не встречается в трудах Джувейни и Джузджани, Киракоса Гандзакеци и Вардана Аравелци или в сочинениях западных авторов — Иоанна де Плано Карпини, Симона де Сен-Кантена и Вильгельма де Рубрука.
65022. Мужской союз, дружина и гвардия у монголов: преемственность и конфликты 157.5 KB
  Мужской союз дружина и гвардия у монголов: преемственность и конфликты Употребляя в заглавии данной работы термин мужской союз автор невольно вынужден значительную ее часть посвятить доказательству тезиса о существовании организаций...
65023. ТУРАНСКАЯ СИБИРЬ 76.5 KB
  История Сибири писалась прямо скажем весьма странным образом. Самая заметная странность это начало истории Сибири с тех пор как русские о ней услышали. В 1032 году новгородцы как записано в €œПовести временных лет впервые проникли в устье Оби и с этих пор в русской историографии отсчитывается история Сибири.