Министерство образования Российской Федерации
ГОУ ВПО «Уральский государственный технический университет – УПИ»
ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК И ПАРАМЕТРОВ
ЭЛЕКТРОННО-ДЫРОЧНЫХ ПЕРЕХОДОВ
Методические указания к лабораторным работам по дисциплине «Физические основы электроники» для студентов всех форм обучения направлений 552500 – Радиотехника; 654200 – Радиотехника по специальностям: 200700 – Радиотехника; 201600 – Радиоэлектронные системы; 654400 - Телекоммуникация по специальностям: 200900 - Сети связи и системы коммутации; 201200 – Средства связи с подвижными объектами
Екатеринбург
2003
УДК 621.381
Составители В.И Елфимов, Н.С. Устыленко
Научный редактор проф., канд. техн. наук А.А. Калмыков
ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК И ПАРАМЕТРОВ ЭЛЕКТРОННО-ДЫРОЧНЫХ ПЕРЕХОДОВ: Методические указания к лабораторным работам по дисциплине «Физические основы электроники» / В.И. Елфимов,
Н.С. Устыленко. Екатеринбург: ГОУ ВПО УГТУ-УПИ, 2003. 43 с.
Методические указания содержат описания физических процессов, возникающих при образовании p-n перехода, равновесного и неравновесного состояния p-n перехода, вольт-амперных характеристик идеального и реального p-n переходов, типов пробоев электронно-дырочных переходов. Рассматривается влияние температуры на характеристики и параметры электронно-дырочных переходов.
Приводятся описания схем экспериментальных исследований, лабораторные задания и методика обработки результатов эксперимента, вопросы для самопроверки, библиографический список и приложения.
Библиогр.: 18 назв. Табл.4. Рис. 18. Прил. 5.
Подготовлено кафедрой «Радиоэлектроника информационных систем».
© ГОУ ВПО «Уральский государственный
технический университет – УПИ», 2003
1. ЦЕЛЬ ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ
Ознакомиться с физическими основами работы электронно-дырочных переходов, приобрести навыки экспериментального исследования электронно-дырочных переходов, исследовать влияние материала полупроводника и температуры окружающей среды на характеристики и параметры электронно-дырочных переходов.
Каждая лабораторная работа включает в себя следующее:
самостоятельная подготовка теоретического материала;
входной тестовый контроль;
теоретический коллоквиум;
экспериментальные исследования;
обработка экспериментальных данных;
анализ полученных результатов;
оформление отчета.
Данные указания содержат только основной теоретический материал, поэтому при подготовке к занятиям необходимо проработать соответствующие разделы в основных учебниках курса (см. библиографический список). Проверить полноту подготовки можно по вопросам самопроверки.
2. ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В ЭЛЕКТРОННО-ДЫРОЧНЫХ ПЕРЕХОДАХ
2.1. Понятие и образование электронно-дырочного перехода
Электрическим переходом называется переходный слой между областями твердого тела с различными типами или значениями проводимости, физические характеристики которых существенно различаются. Например, между областями полупроводников n- и p-типов, металлом и полупроводником, диэлектриком и полупроводником и т.д.
Электрический переход между областями полупроводника с электропроводностью p- и n-типов называют электронно-дырочным переходом или p-n переходом. Такой переход обладает выпрямляющими или вентильными свойствами: он гораздо лучше пропускает ток в одном направлении, чем в другом, что используется в полупроводниковых диодах.
Упрощенная структура p-n перехода представлена на рис.1. Поверхность, по которой контактируют слои p- и n-, называется металлургической границей, а прилегающая к ней область объемных зарядов p-n переходом. Два других (внешних) контакта диода – невыпрямляющие, поэтому их называют омическими.
По резкости металлургической границы p-n переходы делят на ступенчатые и плавные переходы, а по соотношению удельных сопротивлений слоев – на симметричные и несимметричные переходы.
Ступенчатым (резким) переходом называют переход с идеальной границей, по одну сторону которой находятся доноры с постоянной концентрацией Nд, а по другую – акцепторы с постоянной концентрацией Nа. Смена типа примеси в таком переходе происходит на расстоянии, соизмеримом с диффузионной длиной. Такие переходы наиболее просты для анализа. В плавном переходе концентрации примесей изменяются на расстоянии, значительно большем диффузионной длины, металлургическая граница в этом случае соответствует равенству примесных концентраций (Nд = Nа).
В симметричном переходе концентрации примесей в p- и n- областях примерно одинаковы, такой переход не типичен для полупроводниковой техники. В несимметричном переходе концентрация акцепторов Nа в области полупроводника p-типа на несколько порядков отличается от концентрации доноров Nд в области полупроводника n-типа: Nа >> Nд или Nа Nд. При этом концентрации основных носителей заряда в областях будут различны: pp > nn или pp nn.
Рассмотрим образование несимметричного, резкого p-n перехода, выполненного на германии. Допустим, что концентрация примесей составляет Nа = 1018см-3, а Nд = 1015см-3. На рис.1 указано, что внешнее напряжение на переход не подается, а p- и n-области соединены между собой, это соответствует равновесному состоянию перехода.
Рис.1.Образование несимметричного p-n перехода посредством металлургического контакта двух полупроводников
П  оясним процесс образования p-n перехода с помощью диаграмм, представленных на рис.2. Здесь обозначено:
- положительный ион донора; отрицательный ион акцептора;
+ дырка - основной носитель заряда полупроводника p-типа;
электрон - основной носитель заряда полупроводника n-типа;
lp - ширина p-n перехода в области полупроводника p-типа; ln - ширина p-n перехода в области полупроводника n-типа; lo - ширина p-n перехода в равновесном состоянии.
В первый момент после образования перехода в результате разности концентраций подвижных носителей заряда на границе контакта полупроводников p- и n-типов (диаграмма 2 рис.2) имеет место градиент концентрации носителей заряда каждого знака. Распределения концентраций основных и неосновных носителей заряда в полупроводниках определяются из закона действующих масс. Так для полупроводника p-типа закон действующих масс записывается в виде ni2 = ppnp = Nаnp. А для полупроводника n-типа-
ni2 = nnpn= Nд pn. У германия равновесная концентрация (концентрация
свободных носителей заряда в полупроводнике i-типа) носителей заряда составляет величину niGE = 2,51013см-3 . Из закона действующих масс находим, что pp = Nа + ni Nа = 1018см-3, np = 6,25108см-3 , nn Nд = 1015см-3 ,
pn = 6,251011см-3 .
Под действием градиента концентрации будет происходить диффузия основных носителей заряда из области с высокой концентрацией в область с меньшей их концентрацией. Так как концентрация дырок в области p- выше, чем в n-области, то часть дырок в результате диффузии перейдет в n-область, где вблизи границы окажутся избыточные дырки, которые будут рекомбинировать с электронами. Соответственно в этой зоне уменьшится концентрация свободных электронов и образуется область нескомпенсированных положительных ионов донорной примеси. В p-области уход дырок из граничного слоя способствует образованию области с нескомпенсированными отрицательными зарядами ионов акцепторной примеси. Подобным же образом происходит диффузионное перемещение электронов из n-слоя в p-слой (диаграмма 1 рис.2).
Отрицательные ионы акцепторов и положительные ионы доноров находятся в узлах кристаллической решетки и поэтому не могут двигаться по кристаллу полупроводника. Область образовавшихся неподвижных пространственных зарядов (ионов) и есть область p-n-перехода (диаграмма 3 рис.2). В ней имеют место пониженная концентрация основных носителей заряда и, следовательно, повышенное сопротивление, которое определяет электрическое сопротивление всей системы. В зонах, прилегающих к месту контакта двух разнородных областей, нарушается условие электронейтральности. Но за пределами p-n-перехода все заряды взаимно компенсируют друг друга, и полупроводник остается электрически нейтральным.
И так, электронно-дырочный, или p-n переход, - это тонкий слой, возникающий на границе раздела двух полупроводников с разным типом проводимости, который содержит объемные заряды ионов примесей, обеднен подвижными носителями тока и обладает высоким сопротивлением.
Диаграмма 1
Диаграмма 2
Диаграмма 3
Диаграмма 4
Диаграмма 5
Рис.2. Диаграммы, поясняющие процесс образования p-n перехода
Электрическое поле, возникающее между разноименными ионами, препятствует перемещению основных носителей заряда (диаграмма 4 рис.2). Поэтому поток дырок из области p- в область n- и электронов из n- в
p-область уменьшается с ростом напряженности электрического поля. Однако это поле не препятствует движению через переход неосновных носителей, имеющихся в p- и n-областях. Эти носители заряда собственной электропроводности, имеющие энергию теплового происхождения, генерируются в объеме полупроводника и, диффундируя к электрическому переходу, захватываются электрическим полем. Они перебрасываются в область с противоположной электропроводностью.
Переход неосновных носителей приводит к уменьшению объемного заряда и электрического поля в переходе. Как следствие, имеет место дополнительный диффузионный переход основных носителей, в результате чего электрическое поле принимает исходное значение. При равенстве потоков основных и неосновных носителей заряда и соответственно токов наступает динамическое равновесие.
Переход в целом нейтрален: положительный заряд в левой части равен отрицательному заряду в правой части перехода (диаграмма 3 рис.2). Однако плотности зарядов различны (из-за различия в концентрациях примесей). Поэтому различны и протяженности обедненных слоев: в слое с меньшей концентрацией примеси (в нашем случае в n-слое) область объемного заряда значительно шире (диаграмма 1 рис.2). Как говорят, несимметричный переход сосредоточен в высокоомном слое.
Ширина p-n перехода аналитически может быть найдена при интегрировании уравнения Пуассона [4], которое определяет распределение напряженности электрического поля E(x) и потенциала (x). При этом получают
 , (1)
где - диэлектрическая проницаемость полупроводника; о - диэлектрическая проницаемость вакуума (электрическая постоянная); q – заряд электрона; К - контактная разность потенциалов; Nа - концентрация акцепторов; Nд - концентрация доноров.
Поскольку Nа >> Nд, то lp << ln, и приближенно можно записать
 . (2)
Распределение напряженности электрического поля и потенциала в p-n переходе (диаграммы 4 и 5 рис. 2) получают из решения уравнения Пуассона.
Электрическое поле препятствует переходу основных носителей заряда через p-n переход. Таким образом, при контакте двух полупроводников возникает потенциальный барьер (диаграмма 5 рис. 2). При увеличении концентрации примеси возрастает максимальное значение напряженности электрического поля в p-n переходе.
Высота потенциального барьера в равновесном состоянии равна контактной разности потенциалов к:
 . (3)
Формула (3) определяет зависимость контактной разности потенциалов p-n перехода от трех факторов:
к = f [материал полупроводника; Nпр; tС].
Зависимость к от материала полупроводника определяется различным значением их ширины запрещенной зоны. Чем больше ширина запрещенной зоны полупроводника, тем больше контактная разность потенциалов. При комнатной температуре ориентировочные значения контактной разности потенциалов p-n переходов из различных полупроводниковых материалов составляют величины:
к GE = (0,30,4) В, к SI = (0,60,8) В, к GaAs = (1,01,2) В.
Чем больше степень легирования полупроводника, то есть чем больше вносится в полупроводник атомов примеси (Nпр – концентрация примеси), тем большее значение имеет контактная разность потенциалов.
Контактная разность потенциалов зависит от температуры окружающей среды. С увеличением температуры контактная разность потенциалов уменьшается. Это связано с тем, что в выражении для к с увеличением температуры окружающей среды возрастает значение температурного потенциала Т  , но  также возрастает и это увеличение происходит быстрее, чем рост температурного потенциала, поэтому контактная разность потенциалов при увеличении температуры уменьшается.
|
