52081_lab13

Лабораторная работа № 13
ИССЛЕДОВАНИЕ СВОЙСТВ ЭЛЕКТРОННО-ДЫРОЧНОГО
ПЕРЕХОДА В ПОЛУПРОВОДНИКАХ
Интересные явления наблюдаются в контактах металл- полупроводник и
полупроводник-полупроводник. Наиболее важное свойство их состоит в выпрямительном
действии, которое заключается в том, что сопротивление контакта зависит от направления тока.
Хотя детали процессов в контактах полупроводников с металлами несколько отличны от
таковых в контактах двух полупроводников, основные причины выпрямительного действия в
обоих случаях одинаковы. Поэтому мы ограничимся только разбором контакта двух
полупроводников.
По характеру своей проводимости полупроводники могут быть электронными (n-тип) и
дырочными (p-тип). В полупроводниках n-типа основными подвижными носителями заряда
являются отрицательные электроны, а в полупроводниках p-типа – положительные дырки. В
случае контакта двух полупроводников электроны и дырки получают возможность переходить
из одного полупроводника в другой, и поэтому между полупроводниками, так же как и между
металлами, возникает контактная разность потенциалов, а в тонком пограничном слое
появляется контактное электрическое поле.
Если в контакте находятся два полупроводника одного и того же типа (оба электронные
или дырочные), то оба полупроводника обмениваются одинаковыми частицами: либо
электронами, либо дырками, и явления в этом случае имеют большое сходство с явлениями в
двух соприкасающихся металлах. Поэтому мы остановимся только на том случае, когда один из
полупроводников имеет электронную проводимость (n-тип), а другой – дырочную (p-тип).
Отметим, что такой контакт в чистом виде нельзя получить, прижимая друг к другу два
полупроводника, так как вследствие шероховатости поверхности соприкосновение будет
происходить лишь в немногих точках; между ними будут воздушные зазоры, в которых
образуются пленки окислов, и контакт будет иметь сложное строение. Поэтому для получения
p-n-контакта обычно в пластинку чистого полупроводника (например, германия или кремния)
вводят две примеси – одну донаторную (т.е. сообщающую электронам проводимость), а другую
акцепторную (сообщающую дырочную проводимость), и распределяют их таким образом,
чтобы в одном конце имелся избыток одной из примесей, а в другом конце – избыток другой.
Тогда в одной половине пластинки возникает электронная проводимость, а в другой –
дырочная, причем между обеими областями будет расположен тонкий переходный слой, в
котором обе примеси компенсируют друг друга (электронно-дырочный переход, или
p-n-переход).
Рассмотрим сначала p-n-контакт в отсутствии тока. Вследствие теплового движения
электроны из n-области будут переходить в p-область (и там рекомбинировать с дырками), а
дырки из p-области – в n-область (и рекомбинировать с электронами). Поэтому в n-области,
вблизи границы раздела, появится положительный объемный заряд; n-область приобретет
положительный потенциал и энергия электрона в ней станет меньше (так как заряд электрона
отрицателен), а потенциал p-области сделается отрицательным и энергия электрона в ней
увеличится. Кривая распределения потенциальной энергии электронов Wэ будет иметь вид,
показанный на рис. 1, а сплошной кривой. Напротив, энергия положительных дырок Wд будет
больше в n-области и меньше в p-области (пунктирная кривая).
В состоянии равновесия полный ток через контакт равен нулю. Этот ток в отличие от
металлов, где носителями заряда являются только электроны, складывается как из движения
электронов, так и из движения дырок. Остановимся на этом вопросе подробнее.
Прежде всего, напомним, что в любом полупроводнике, помимо основных носителей
заряда (представленных в большинстве), всегда имеется еще и некоторое количество
неосновных носителей заряда. Поэтому в электронном полупроводнике наряду с электронами
проводимости (основные носители заряда) имеется еще небольшое количество дырок
(неосновные носители заряда), а в дырочном полупроводнике, кроме дырок, еще и некоторое
количество электронов. Количество неосновных носителей обычно мало по сравнению с
количеством основных.
На рис. 1 видно, что контактное поле способствует движению неосновных носителей,
которые “скатываются” с потенциального уступа. Поэтому все неосновные носители,
генерируемые в приконтактной области, движутся через p-n-переход и образуют некоторый ток
силы iн направленный от n к p. Сила этого тока практически не зависит от разности
потенциалов между n- и p-полупроводниками и определяется только количеством неосновных
носителей, образующихся в приконтактной области в единицу времени.
Рис. 1. Электрический ток в контакте двух полупроводников
Основные же носители (дырки, движущиеся справа налево, и электроны, движущиеся
слева направо) образуют ток io , направленный противоположно, т.е. от p к n. Из рис. 1, а
видно, что контактное поле препятствует движению основных носителей, которые должны
преодолевать потенциальный барьер. В состоянии равновесия устанавливается такая высота
потенциально барьера (контактная разность), при которой полный ток
i= io - iн =0.
Посмотрим теперь, что будет происходить при наличии тока через контакт.
Предположим, что мы приложили к контакту напряжение такого знака, что на n-области
имеется отрицательный потенциал и на p-области – положительный (рис. 1, б). Тогда энергия
электронов в n-области увеличится, а в p-области уменьшится, а следовательно высота
потенциального барьера станет меньше. При этом ток неосновных носителей iн , как говорилось
выше, не изменится. Ток же основных носителей io увеличится, так как теперь большое
количество электронов сможет преодолеть потенциальный барьер и перейти слева направо и
большее количество дырок – перейти в противоположном направлении. В результате через
контакт будет идти ток i= io - iн , направленный от p к n; сила тока будет быстро нарастать с
увеличением приложенного напряжения.
Иное будет происходить, если к n-области присоединен положительный полюс
источника тока, а к p-области – отрицательный (рис. 1, в). В этом случае высота
потенциального барьера увеличится и ток основных носителей io уменьшится. Уже при
напряжениях порядка 1 в этот ток практически будет равен нулю, и поэтому через контакт
будет течь только ток неосновных носителей iн , величина которого весьма мала.
Рис. 2. Вольт-амперная характеристика
контакта двух полупроводников
В силу изложенного зависимость тока от напряжения (вольтамперная характеристика)
для контакта двух полупроводников (p-n-перехода) имеет вид, изображенный на рис. 2. Когда
ток направлен от p- к n-области, сила тока велика и быстро увеличивается с напряжением, а
следовательно, контакт для этого направления тока (проходное направление тока) имеет малое
сопротивление. Если же ток направлен от n- к p-области, сила тока весьма мала и почти не
зависит от напряжения. Для этого направления тока (запорное направление) контакт имеет
большое сопротивление. Таким образом, контакт двух полупроводников обладает
односторонней проводимостью или вентильным свойством и имеет вследствие этого
нелинейную вольт-амперную характеристику. При включении в цепь переменного тока такие
контакты действуют как выпрямители.
Аналогичные явления действуют при контактах полупроводников с металлами, которые
также обладают односторонней проводимостью и нелинейной характеристикой.
Когда приложенное обратное напряжение становится достаточно большим, в контакте
происходит ряд дополнительных явлений, вызванных разогреванием контакта и действием
сильного электрического поля, сосредоточенного в переходе. Это приводит к быстрому
увеличению обратных токов, которые разрушают выпрямляющий переход (“пробой”).
Из сказанного следует, что электрический ток в контактах принципиально не отличается
от электронной эмиссии . Различие заключается в том, что при обычной эмиссии электроны
выходят из металла в вакуум, в случае же контактов электроны (и дырки) переходят из одного
проводника в другой. Так как внутренняя контактная разность потенциалов значительно
меньше (для двух полупроводников – десятые доли вольта), чем работа выхода из металлов
(несколько вольт), то сильная эмиссия наблюдается уже при комнатных температурах.
Прикладывая к контакту разность потенциалов, мы изменяем работу выхода (высоту
потенциального барьера) и этим управляем силой тока электронной эмиссии.
Объяснение выпрямляющего действия в контактах было дано впервые Б.И. Давыдовым
и, независимо, Шоттки и Мотом и получило дальнейшее развитие в много численных
экспериментах и теоретических исследованиях советских и зарубежных физиков.
Порядок выполнения работы
I. Ознакомится с установкой и приборами. В данной работе исследуются следующие образцы:
I - ЗИ 30I А - туннельный диод;
II - селеновый диод;
III-ДГЦ-27 - германиевый диод;
IV -Д 20 - импульсный диод;
V - КН 102 А - тиристор (неуправляемый).
II. Снять вольтамперные характеристики селенового и германиевого (ДЩ-27) выпрямителей
при комнатной температуре. Для селенового выпрямителя изменять напряжение от 0.1 В до 0.5
В через 0.05 В в прямом направлении и от 0 до 1.0 В в обратном направлении. Для
германиевого выпрямителя изменять напряжение от 0.05 В до 0.3 В через 0.05 В в прямом
направлении и от 0.1 В до 1.0 В в обратном. Измерения проводить следующим образом:
1) Установить переключатель на селеновый диод (положение П).
2) Остальные ручки в следующем положении; "нагрев"-"выкл." (это среднее
положение переключателя), "сеть" - выключено, "метод А", "прямой ток".
3) На вольтметре установить предел измерений 1 вольт, нажать кнопку . На
выпрямителе В5-8: "установка выходного напряжения" в положение "0",
ручка плавной регулировки повернута вправо.
ВНИМАНИЕ! В дальнейшем ручки на выпрямителе В5-8 не трогать, для регулировки
величины напряжения пользоваться реостатом.
4) Меняя напряжение реостатом снять зависимость прямого тока диода от
напряжения. Пределы измерения напряжения указаны выше. На амперметре должен
быть установлен предел - 0.015 А.
5) Сняв характеристику диода в прямом направлении, уменьшить напряжение до
минимума, на вольтметре включить кнопку , переключить тумблер с "прямой ток"
на "обратный ток".
6) Снять зависимость обратного тока от напряжения. Пределы измерения
напряжения указаны выше.
7) Провести такие же измерения для германиевого диода ДГЦ-27 (положение
переключателя-III). Прямой ток ДГЦ-27 не должен превышать 100 мА, обратный ток
очень мал, на пределе чувствительности прибора.
III. Снять вольтамперные характеристики селенового и германиевого диодов при
температуре около 50°С. Для этого:
1) Подключить установку к сети. Включить тумблер "сеть".
2) Включить нагрев, 1-ый режим. Получить у дежурного инженера и установить
термометр. Для этого открыть крышку сверху на установке, вывернуть круглую
заглушку на коробке с образцами и в отверстие осторожно вставить термометр.
3) Когда термометр покажет 45°С, выключить нагрев и начать измерения. После
выключения нагрева температура продолжает расти, поэтому следует записать
температуру начала и конца измерений для каждого диода, затем взять среднее
значение для каждого.
4) Пределы измерения напряжения те же, что и при комнатной температуре.
IV. Просмотреть вольт-aмперные характеристики всех диодов на осциллографе при комнатной
температуре. Чтобы образцы быстрее остыли можно поднять крышку с ними кверху.
а) Включить осциллограф, дать ему прогреться.
б) На ЛАТРе (лаб. автотрансформатор) ручку регулировки напряжения установить
на ноль, т.е. повернуть против часовой стрелки. Ручка ЛАТРа находится сверху слева
на установке.
в) Включить "метод Б, осциллограф".
Внимание! При получении вольт-амперных характеристик диодов на экране
осциллографа следует иметь в виду, что каждый диод может работать только при
определенном режиме, т.е. при ограниченном значении тока и напряжения, поэтому
придерживайтесь рекомендуемых значений напряжения на ЛАТРе для каждого диода и
не превышайте этих значений. Размер изображения в.а. характеристики на экране
регулируется ручками усиления по осям X и У.
Перед тем, как включать очередной диод, ручку регулировки напряжения на ЛАТРе
обязательно установить на минимум напряжения (против часовой стрелки).
I -ый образец -не более 110 вольт.
II -ой образец - не более 10 вольт.
III -ий образец - не более 10 вольт.
IV-ый образец - не более 230 вольт.
V -ый образец - не более 10 вольт.
По окончании работы выключить все приборы.
V. для исследуемых выключателей по полученным данным определить их сопротивления и
построить кривые J = f(V) и R = f(J) для прямого и обратного токов при комнатной температуре
и при Т  60°С (масштаб для величины обратного тока ваять в 50 раз больше масштаба прямого
тока).
VI. Для двух температур рассчитать коэффициент выпрямления четырех-пяти выбранных
точек.
Контрольные вопросы
1. Объяснить энергетическую модель проводника в виде потенциальной ямы.
2. Что такое уровень Ферми; его роль и положение в металле полупроводнике, изоляторе.
3. Построить и объяснить энергетические схемы контактов:
а) металл-металл;
б) металл-полупроводник;
в) полупроводник-полупроводник .
4. Рассказать о р-n-переходе в условиях динамического равновесия.
5. Рассказать о р-n-переходе при приложении к нему внешней разности потенциалов.
6. Что такое потенциальный барьер р-п-перехода; чем определяется его ширина и высота?
7. Вольт-амперная характеристика р-п-перехода, прямая и обратная ветви характеристики и их
зависимость от температуры?
8. Что такое вырожденный полупроводник; туннельный р-n-переход?
9. Объяснить вольт-амперную характеристику туннельного перехода.
10. Что такое "отрицательное" сопротивление?
11. Как работает р-n-р-n-переход?
12. Метода изготовления р-n-переходов, типы полупроводниковых выпрямителей.