Література

1. Портис А. Физическая лаборатория. БКФ. – М., І978.

2. Шпольский Э. Ф. Атомная физика.Т.1. – М., 1974.

Лабораторна робота № 10

Дослідження переходу у напівпровдниках

Мета роботи – дослідження електричних властивостей переходів; визначення деяких параметрів переходів.

Зміст роботи і завдання

7. Ознайомитись із описом вимірювальних приладів, які використовуються у роботі.

8. Зібрати схему для вимірювання вольт-амперних характеристик (ВАХ) діодів.

9. Зняти ВАХ (пряма і обернена гілка) германієвого і кремнієвого діодів при кімнатній температурі.

10. Побудувати ВАХ діодів і визначити величину контактної різниці потенціалів , диференціальний опір та опір об’єму діода переходів при великих струмах. Порівняти отримане значення із чисельним значенням, передбаченим теорією.

11. Зняти і побудувати ВАХ тих самих діодів при температурі 50…70С.

12. Визначити значення , та при цій температурі. Пояснити отриманий результат.

13. Визначити ширину забороненої зони досліджених напівпровідників та виразити її в електронвольтах (еВ).

Короткі теоретичні відомості

Широке практичне застосування в радіоелектроніці знаходять напівпровідникові кристали, які містять у своємі об’ємі області з різним типом провідності (див. Лабораторну роботу №1). Якщо в одній частині напівпровідника є велика кількість донорів (наприклад, атомів Sb або P в Ge або Si), а в іншій – велика кількість акцепторів (атомів Al або In), то в першій області провідність має електронний (основними носіями заряду є електрони), а в другій – дірковий характер (основними носіями заряду є дірки). Відповідно кажуть про матеріали типу і типу провідності. Окіл межі між та областями називається переходом (рис.1а).

Властивості переходу в умовах рівноваги

Розглянемо, що відбувається у цьому околі за умови рівноваги. Нехай у напівпровідниковому зразку ліворуч від деякої площини знаходиться область з концентрацією акцепторів , а праворуч – область з концентрацією донорів (рис.1б). Такий перехід називається пласким різким переходом.

Рис.1. а – схематичне зображення різкого плаского – переходу; б – розподіл концентрації донорних і акцепторних атомів у – переході; в – розподіл густини об’ємного заряду у околі – переходу

Припустимо, що донори і акцептори повністю іонізовані, тобто кожен атом донора віддав один електрон в зону провідності, а кожен акцептор створив одну дірку у валентній зоні. Тоді концентрація дірок в –області практично дорівнює концентрації акцепторних атомів , а концентрація електронів у –області – концентрації донорних атомів .

Крім основних носіїв заряду ці області містять неосновні носії заряду : електрони у –області з концентрацією та дірки в –області з концентрацією . Їх концентрацію можна визначити, користуючись законом діючих мас, який визначає, що за фіксованої температури добуток концентрацій електронів і дірок для даного напівпровідника є величиною сталою

, (1)

де – концентрація носіїв заряду у власному напівпровіднику, яка визначається ефективними щільностями станів в зоні провідності і у валентній зоні , а також шириною забороненої зони напівпровідника

, , , (2)

де – стала Больцмана, – стала Планка, – ефективні маси носіїв заряду в зоні провідності і валентній зоні відповідно, які враховують вплив кристалічної гратки на рух носія заряду. Зазвичай 10²² м^-3, 10¹⁹ м^-3, тобто концентрація дірок праворуч , де вони не є основними носіями заряду, набагато менша за концентрацію дірок ліворуч, де вони є основними носіями заряду, тобто . Аналогічно для електронів . Із формули (1) маємо 10¹⁶ м^-3.

Таким чином, в області – переходу має місце відчутний перепад концентрацій електронів і дірок. Внаслідок градієнту концентрації частина дірок буде дифундувати крізь – перехід, і – область буде заряджатись позитивно відносно – області. Аналогічно частина електронів буде дифундувати в – область, вона зарядиться негативно відносно – області (рис.1а). По обидва боки від геометричної межі розділу між – та – областями виникають області просторового заряду. Зовнішні границі цих областей можна вважати границями – переходу (рис.1в).

На рис.2а зображена енергетична схема цих областей в момент їх уявного з’єднання. Система знаходиться в нерівноважному стані, і рівень Фермі в – області знаходиться вище рівня Фермі в – області. Наявність градієнтів концентрацій носіїв заряду приведе до виникнення дифузійних потоків електронів із – області в – область і дірок із – області в – область . Перетікання носіїв заряду буде відбуватись доти, поки не встановиться стан рівноваги, тобто потік електронів із – області в – область не врівноважиться потоком електронів у зворотному напрямку (для дірок аналогічно)

; . (3)