МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РФ
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ
ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ
ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ
«ВОРОНЕЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ
УНИВЕРСИТЕТ»
ИЗУЧЕНИЕ ВЫПРЯМЛЯЮЩИХ СВОЙСТВ
ЭЛЕКТРОННО-ДЫРОЧНОГО ПЕРЕХОДА
Учебно-методическое пособие
Воронеж
Издательский дом ВГУ
2019
Стр.1
Содержание
Содержание .......................................................................................................... 3
Введение ............................................................................................................... 4
1. Принципы формирования и характеристики различных типов p-n
переходов ............................................................................................................. 5
1.1. Электронно-дырочный переход ................................................................... 5
1.2. Свойства р-n перехода .................................................................................... 14
1.3. Анализ p-n перехода в неравновесном состоянии ............................... 16
1.5. Пробой p-n перехода ...................................................................................... 20
1.6. Влияние температуры на свойства p-n перехода ................................ 23
2. Практическая часть…………………………..……………………………...25
2.1.Измерительная установка .............................................................................. 26
2.2. Проведение измерений ................................................................................. 27
3. Контрольные вопросы ................................................................................... 28
4. Список рекомендуемой литературы ……………..………………………..29
3
Стр.3
Правая часть объема n имеет электронную проводимость, и в ней
преобладают донорные примеси. Левая часть объема p имеет дырочную
проводимость, и в ней преобладают акцепторные примеси.
В отсутствие контакта концентрации электронов и дырок в обеих частях
резко различаются: концентрация электронов в объеме n значительно
превышает их концентрацию в объеме p, а концентрация дырок в объеме p
значительно превышает их концентрацию в объеме n.
Дырки в полупроводнике р-типа и электроны в полупроводнике nтипа
называются основными носителями в отличие от неосновных (электроны
в полупроводнике р-типа и дырки в полупроводнике n-типа), которые
генерируются из-за тепловых колебаний атомов кристаллической решетки.
При
наличии контакта между рассматриваемыми областями градиент
концентрации носителей заряда по обе стороны от границы раздела
является движущей силой начинающихся диффузионных процессов: происходит
проникновение электронов из объема n в объем p и обратное перемещение
дырок.
Это перемещение приводит к появлению в объеме p нескомпенсированного
отрицательного объемного заряда, создаваемого ионами акцепторной
примеси, а в объеме n — положительного объемного заряда, создаваемого
положительными ионами донорной примеси.
В результате ухода основных носителей заряда на границе разнотипных
полупроводников создается обедненный подвижными носителями
слой, в котором в n-области будут находиться положительные ионы донорной
примеси; а в p- области - отрицательные ионы акцепторной
примеси.
Заряды в обеих областях распределяются в тонком слое (объеме) около
границы раздела, поэтому они носят название объемных зарядов (рис. 1).
Объемные заряды создают электрическое поле, которое начинает препятст6
Стр.6
вовать перемещению (диффузии) носителей, стремясь возвратить их обратно
в n- и p-области.
Этот обедненный подвижными носителями слой протяженностью в
доли микрона и является электронно-дырочным переходом.
Электронно-дырочный переход обладает рядом свойств, к основным
из которых относятся его выпрямляющие свойства, а также температурные
и частотные характеристики.
Выпрямляющие свойства p-n перехода связаны с преобразованием
переменного электрического (двуполярного) тока в постоянный или пульсирующий
(однополярный).
Температурные свойства p-n перехода определяют, как изменяется
работа p-n перехода при изменении температуры.
Частотные свойства p-n перехода показывают, как работает p-n переход
при подаче на него переменного напряжения высокой частоты. Частотные
свойства p-n перехода определяются двумя видами ёмкости перехода:
-
ёмкость, обусловленная неподвижными зарядами ионов донорной и
акцепторной примеси. Она называется зарядовой, или барьерной ёмкостью;
- диффузионная ёмкость, обусловленная диффузией подвижных носителей
заряда через p-n переход при прямом включении.
Таким образом, чем меньше величина ёмкости p-n перехода, тем на
более высоких частотах он может работать.
В основе принципа работы многих полупроводниковых приборов
(диодов, транзисторов, тиристоров и др.) и интегральных схем различной
степени интеграции лежат выпрямительные свойства p-n перехода, которые
в значительной степени зависят от того, насколько резкая граница между ри
n- слоями.
В плавном p-n переходе концентрация примесей меняется монотонно,
поэтому он обладает плохими выпрямительными свойствами (рис.2б).
7
Стр.7
Плавные p-n- переходы получают методом диффузионной технологии, когда
осуществляется диффузия, например, акцепторной примеси в донорный
полупроводник или наоборот. Так как концентрация легирующей примеси
при диффузии уменьшается вглубь образца постепенно, образуется плавный
p-n- переход, границей которого и будет граница областей кристалла с
электронным или дырочным типом проводимости.
Резкий p-n- переход можно получить методами ионной имплантации
и металлургическим сплавлением. Переход считается резким в том случае,
когда концентрация примесей в нем существенно меняется на отрезке,
меньшем LD
1 (рис.2 а).
Рис. 2. Распределение концентрации примесей (1), плотности объемного заряда
(2), электрического поля (3), потенциала (4) для резкого (а) и плавного
(б) p-n-перехода.
1 ДЕБАЕВСКИЙ РАДИУС ЭКРАНИРОВАНИЯ - расстояние, на которое распространяется в проводящих
средах действие электростатического поля отдельной заряженной частицы. В металлах дебаевский
радиус порядка 10-8 см. В обычных полупроводниках при комнатной температуре дебаевский радиус
порядка 10-4 см.
8
Стр.8
При скачкообразном изменении концентрации примесей переход называется
ступенчатым.
Переходы классифицируются также по соотношению концентраций основных
носителей в слоях p и n; при этом различают симметричные переходы,
имеющие одинаковую концентрацию основных носителей в слоях (рр ≈ nn),
и несимметричные переходы (рис.3), имеющие различную концентрацию
основных носителей в слоях (pp>>nn или nn>>рр).
Рис. 3. Несимметричный p-n-переход
а – структура p-n-перехода («-» и «+» - электроны и дырки, а в кружочках
– положительные и отрицательные ионы соответственно),
б – распределение потенциала
Наибольшее распространение получили несимметричные переходы, в
которых концентрации основных носителей различаются в несколько раз.
9
Стр.9
Равновесное состояние p-n перехода представлено на рис. 4. При образовании
p-n перехода (рис. 4, а) начинается процесс диффузии, обусловленный
разностью уровней Ферми основных носителей в этих областях. Этот
процесс идет до тех пор, пока не сравняются уровни Ферми в n- и рчастях
(рис. 4, б).
При отсутствии внешнего воздействия в p-n переходе устанавливается
тепловое равновесие.
Для р-области основными носителями являются дырки, концентрацию
которых обозначим через рр.
Для n-области основными носителями являются электроны, концентрацию
которых обозначим nn.
Неосновными носителями являются равновесные концентрации рп -
дырок в электронной области и пр - электронов в дырочной (рис. 4, в).
Характерной особенностью p-n перехода является образование потенциального
барьера и возникновение объемного заряда на его границе.
Вследствие того, что полупроводник n-типа имеет концентрацию электронов
намного большую, чем дырочный (nn >>пр), часть электронов диффундирует
в полупроводник р-типа. В результате в полупроводнике n-типа
образуется объемный заряд ρ положительного знака (рис. 4,г) и электрическое
поле распространяется вглубь полупроводника на глубину Ln в nобласть
и глубину Lp в р-область. Общая ширина области объемного заряда
равна Lo = Lp + Ln.
Результирующее электрическое поле, получившееся вследствие диффузии,
направлено от n- к р-области таким образом, что оно препятствует
диффузионному переходу основных носителей и создает дрейфовый ток неосновных
носителей.
10
Стр.10