Материал: fpp lab 1 (недод)

МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

федеральное государственное бюджетное образовательное учреждения

высшего образования

«УЛЬЯНОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Радиотехнический факультет

Кафедра «Конструирование и технология электронных средств»

Направление: Конструирование и технология электронных средств

Дисциплина: Физика полупроводниковых приборов

Лабораторная работа 1:

Изучение вольт-амперной характеристики p-n-перехода

Выполнили:

Студенты группы Рбд-21

-

-

-

-

Проверил: преподаватель

Смирнов В.И

1. Способы формирования p-n-перехода в полупроводниках. Методы формирования p-n-перехода: - сплавной метод (получают вплавлением примеси в монокристалл полупроводника);

- диффузии (При планарном методе диффузии переходы получают, используя изолирующий слой, препятствующий диффузии примесей. На поверхности кремния n-типа выращивается тонкий (около 3 мкм) слой двуокиси кремния SiO2. Фотолитографическим методом в определенных местах окисла получают «окна», через которые диффундирующие примеси проникают в n-слой, образуя переход.);

- с помощью ионной имплантации (Получается путем бомбардировки его поверхности пучком ионов с высокой энергией (10-2000 КэВ));

- с помощью эпитаксиального наращивания (Конденсация происходит перенасыщением пара или жидкого раствора, а также при испарении осаждаемого вещества в вакууме в специальных реакторах. При наращивании плёнки с проводимостью противоположной подложке, образуется p-n-переход.).

2. Возникновение контактного электрического поля в области p-n-перехода.

Поскольку в р-области Э.-д. п. концентрация дырок гораздо выше, чем в n-области, дырки из n -области стремятся диффундировать в электронную область. Электроны диффундируют в р-область. Однако после ухода дырок в n-области остаются отрицательно заряженные акцепторные атомы, а после ухода электронов в n-области — положительно заряженные донорные атомы. Т. к. акцепторные и донорные атомы неподвижны, то в области Э.-л. п. образуется двойной слой пространственного заряда — отрицательные заряды в р-области и положительные заряды в n-области . Возникающее при этом контактное электрическое поле по величине и направлению таково, что оно противодействует диффузии свободных носителей тока через Э.-д. п.

3. Контактная разность потенциалов, и от чего зависит ее величина.

Контактная разность потенциалов - разность электрических потенциалов, возникающая между контактирующими телами в условиях термодинамического равновесия. Наиболее важно понятие контактной разности потенциалов для твердых проводников (металлов и полупроводников). Если два твердых проводника привести в соприкосновение, то между ними происходит обмен электронами, причём вначале преимущественно электроны переходят из проводника с меньшей работой выхода в проводник с большей работой выхода. В результате этого процесса проводники приобретают электрические заряды противоположных знаков, что приводит к появлению электрического поля, препятствующего дальнейшему перетеканию электронов. В конечном счёте достигается равновесие, при котором потоки электронов в обоих направлениях становятся одинаковыми, и между проводниками устанавливается контактная разность потенциалов.

Контактная разность потенциалов может достигать величины в несколько вольт. Она зависит от строения проводника и от состояния его поверхности. Поэтому величина разности потенциалов может быть изменена обработкой поверхностей (покрытиями, адсорбцией и т. п.), введением примесей (в случае полупроводников) и сплавлением с др. веществами (в случае металлов).

4. Выпрямляющие свойства идеального р-п-перехода. Формула для ВАХ идеального р-п-перехода (формула Шокли). График ВАХ идеального р-п-перехода.

При отсутствии внешнего напряжения диффузионный j_диф и дрейфовый j_др токи компенсирую друг друга, поэтому суммарный ток равен 0.

При U_внеш > 0 (прямое напряжение) j_диф возрастает (~ экспоненциально), а j_др остается примерно постоянным. Общий ток увеличивается.

При U_внеш < 0 (обратное напряжение) j_диф уменьшается до нуля, а j_др остается примерно постоянным. Общий ток примерно постоянный.

Данная особенность определяет выпрямляющие свойства p-n-перехода.

Формула Шокли:

ВАХ идеального р-п-перехода:

При прямом напряжении и условии qU >> kT плотность тока jпр зависит от напряжения U экспоненциально.

При обратном напряжении и условии |qU |>> kT плотность тока jпр примерно постоянна и j_обр ≈ j_s.

Больше ширина запрещенной зоны – круче зависимость. Больше температура – круче зависимость.

5. Возникновение генерационной и рекомбинационной составляющих тока через р-п-переход. Их влияние на вид ВАХ идеального р-п-перехода. Зависимость этих составляющих тока от типа полупроводника и температуры.

Возникающие при генерации носители разделяются внутренним электрическим полем перехода так, что электроны переносятся в n-область, а дырки в p-область, создавая при этом дополнительную составляющую тока, называемую генерационным током j_ген. По направлению j_ген совпадает с напряженностью внутреннего электрического поля ε, складывается с дрейфовым током j_др и увеличивает, тем самым, обратный ток через переход.

При прямом напряжении на p-n переходе часть основных носителей заряда способна преодолеть понизившийся потенциальный барьер и пройти через переход, создавая диффузионный ток j_диф. При небольших прямых напряжениях, когда высота потенциального барьера еще достаточно велика, основная часть носителей, попавших в ОПЗ, будет отбрасываться внутренним полем назад – электроны вернутся в n-область, а дырки в p-область. Но некоторые электроны или дырки могут быть захвачены в ОПЗ ловушками (дефектами кристаллической решетки, примесными ионами и др.), задержаться на них какое-то время и рекомбинировать с носителями противоположного знака, пришедшими таким же образом из другой области. В результате такого акта рекомбинации исчезает один электрон из n-области и одна дырка из p-области, что эквивалентно переносу элементарного заряда через p-n переход. Эти процессы вызывают появление рекомбинационной составляющей тока j_рек, которая по направлению совпадет с диффузионным током и увеличивает, тем самым, прямой ток через p-n переход.

При больших прямых напряжениях ток через p-n переход определяется в основном инжекцией носителей заряда, а не их рекомбинацией. Влияние j_рек проявляется только на начальном участке прямой ветви ВАХ. При обратном напряжении j_рек уменьшается практически до нуля. Однако при обратном напряжении возрастает влияние генерационной составляющей j_ген. При прямом напряжении j_ген уменьшается практически до нуля.

ВАХ из даташит

Вывод: В данной работе мы использовали диод 1N5400. получившееся ВАХ в полулогарифмическом масштабе совпадает с ВАХ диода из Datasheet. в диапазоне от 0.6 до 0.8 наблюдается линейная зависимость, следовательно ВАХ описывается формулой Шокли. В промежутке от 0.9 до 1 наблюдается падение напряжения на базе диода. Напряжение открытия кремневого p-n перехода:450mV.

10