Учебная работа. Изучение электрических свойств p-n перехода

1 Звезда2 Звезды3 Звезды4 Звезды5 Звезд (Пока оценок нет)
Загрузка...

изучение электрических свойств p-n перехода

МИНИСТЕРСТВО
ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ российской ФЕДЕРАЦИИ

БАШКИРСКИЙ
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

Математический
факультет

Лабораторная
работа №5

изучение
электрических свойств
pn
перехода

Выполнила:
студентка гр. 47а

Нигматьянова
В. Д.

Проверила:

Сагдаткиреева
М. Б.

Уфа
– 2010


изучение свойств pn перехода

Приборы и
принадлежности: измерительное устройство, объекты исследования (диоды).

Цель работы: 1) Изучение свойств p-n перехода.

2)Получение вольтамперной
характеристики.

3)Получение вольтфарадной
характеристики.

4)Определение
концентрации примеси.

краткая теория.

Полупроводники могут
иметь два типа примесной проводимости: электронную (n-тип), обусловленную донорными примесями, и дырочную (p-тип), обусловленную акцепторными
примесями. В n-полупроводнике основные носители
заряда – электроны, а в p-полупроводнике-дырки.
кроме основных носителей заряда в каждом веществе в значительно меньшем
количестве содержатся и неосновные носители заряда противоположного знака. Они
возникают за счет разрушения ковалентных связей.

Граница соприкосновения
двух полупроводников, один из которых имеет электронную, а другой – дырочную
проводимость, называется p-n переходом. практически p-n переход создается не механическим контактом двух
полупроводников, а внесением донорных и акцепторных примесей в различные части
чистого полупроводника. Эти переходы являются основной большинства современных
полупроводниковых приборов.

По своему характеру p-n переходы бывают резкие и плавные, симметричные и
несимметричные. В резких p-n переходах концентрация доноров и
акцепторов меняются скачкообразно на границе раздела. В симметричных p-n переходах концентрация основных носителей по обе стороны перехода
равны, в несимметричных – резко различаются.

рассмотрим резкий p-n переход (рис 1), в котором концентрация дозорной ND и акцепторной NA примесной изменяются скачком на
границе раздела. Будем считать, что переход является несимметричным, например NA>ND. Обозначим концентрацию основных носителей
в p-n области через pp, в n- области через nn, а концентрацию неосновных носителей
соответственно через np и pn соответственно. При комнатной температуре
обычно все примесные уровни ионизованы, тогда справедливо pp=NA и nn=ND.

а)

б)

Рис 1. структура p-n перехода (а), распределение примесной (б)

В состоянии термодинамическое
равновесия концентрации основных и неосновных носителей связаны законом действующих
масс:

 (1)

где — концентрация собственных носителей тока.

Электроны из n-области, где их концентрация выше
будут диффундировать в p-область.
Диффузия дырок будет происходить в обратном направлении. За счет ухода дырок в
слое p- области, примыкающем к границе
раздела появится отрицательный объемный заряд, обусловленный некомпенсированными
отрицательными ионами акцепторной примеси. Аналогично диффузия электронов из n- и p- область будет сопровождаться образованием положительного
заряда ионами донорной примеси в n-области.
Наличие заряда в приконтактной облети вызывает появление электрического поля.
Следовательного, на границе раздела имеется разность потенциалов , называемая контактной. Это поле называется
дрейфовый ток неосновных носителей, направленный противоположно диффузионному
току. При равновесии дифузинный и дрейфовый токи раны друг другу по величине.
Физическим условием равновесия p-n перехода являются постоянство уровня
Ферми для системы.

Уровнем Ферми называется энергия уровня, отделяющего
занятые уровни от свободных. Среднее число электронов на уровне с энергией E определяется формулой квантого
распределения Ферми-Дирака

 (2)

следовательно уровень
Ферми можно определить как уровень, вероятность заполнения которого равна 1/2.

Энергетическая диаграмма p-n перехода в условиях равновесия приведена на рис 2.

Рис 2. Энергетическая
диаграммы p-n перехода в условиях равновесия.

Величина контактной
разности потенциалов  на переходе будет равна

где e- заряд электрона.

Рис 3. Запирающее
включение внешнего поля.

Высота потенциального
барьера p-n перехода определяется отношением концентраций однотипных
носителей на границах перехода и тем выше, чем сильнее легированы
полупроводники. Ее максимальное значение определяется шириной запрещенной зоны
полупроводникив

 (4)

Если приложить к
полупроводнику внешнее поле, направление которого совпадает с полем контактного
слоя, основные носители тока уходят от границы p-n перехода. В
результате запирающий слой расширяется и его сопротивление возрастает. Ток в
полупроводике создается за счет неосновных носителей и практически отсутствуют
Такое включение называется обратным или запирающим(Рис.3).

Если внешнее поле
направлено в противоположную сторону, то оно вызывает движение носителей
навстречу друг другу к границе прехеода. В этой области они рекомендуют, ширина
контактного слоя и его сопротивление уменьшается. В цепи возникает прямой ток,
созданный основными носителями.

Рис.4. прямое включение p-n перехода

Ширина p-n перехода при приложенном внешнем поле описывается выражением

, (5)

где V>0 соответствует прямому
включению, а V<0 – обратному. Отсюда следует,
что при прямом включении ширина перехода уменьшается, а при обратном –
увеличивается.

Таким образом, p-n переход обладает односторонней проводимостью. В прямом
включении сила тока быстро возрастает с ростом напряжения носителями и резко
возрастает при электрическом пробое.

На Рис.6 представлена
вольтамперная характеристика (ВАХ) p-n- перехода.

Рис6 Вольтамперная
характеристика p-n перехода

Когда к n-облети присоединяют положительный
полюс источника, p-n переход пропускают только малый ток
неосновных носителей. Лишь при очень большом напряжении сила тока резко
возрастает, что обусловлено электрическим пробоем перехода(обратное
направление, левая ветвь ВАХ).

При включении в цепь
переменного тока p-n переходы действуют как выпрямители.

Устройство в цепь
пременного тока p-n переход, называется полупроводниковым(кристаллическим)
диодом. Условное обозначение полупроводникового диода(рис 7).

Рис7 Условное обозначение
полупроводникового диода

Простейшие схемы
выпрямления переменного тока показаны на рис8. Им соответсвует графики
зависимости (силы тока через нагрузку R от времени) на рис9.

  

Рис8. Схемы простейших
выпрямителей на полупроводниковых диодах

Вследствии односторонней
проводимости полупроводникового диода ток в нагрузочном сопротивлении R(Рис8 а) протекает только в те
полупериоды, когда p-n переход работает в пропускном
направлении.

Для уменьшения пульсации
в схему на рис8б включен сглаживающтй фильтр, представляющий собой конденсатор
емкостью С, включен параллельно нагрузке R.

От приложенного
напряжения зависит не только проводимостью но и электрическая емкость p-n перехода.

Для барьерной емкости
резкого симметричного p-n перехода имеем:

Для резкого
несимметричного перехода при NA>>ND

На рис 10 приведена
зависимость  от напряжения (вольтфарадная характеристика)
для резкого p-n перехода. При V>0
емкость резко возрастает, однако в этом случае расчеты барьерной емкости,
проведенные для объединенного перехода, не совсем адекватны.

Рис 10 Вольтфарадная
характеристика p-n перехода.

Рис11 Определение
концентрации примесей по вольтфарадной характеристике.

По работы

 

Схема КД 521.

Значения напряжения и тока
для прямого режима.

 N

 U, B

 A,mkA

 

 

 1

 0.35

 0.001

 1.641

 2.692

 2

 0,40

 0.014

 1.628

 1.276

 3

 0.45

 0.047

 1.595

 2.544

 4

 0.50

 0.151

 1.491

 2.223

 5

 0.55

 0.412

 1.230

 1.512

 6

 0.60

 1.370

 0.272

 0.074

 7

 0.65

 2.870

 1.228

 1.507

 8

 0.70

 8.260

 6.610

 43.790

 

 1.642

 6.952

По полученным данным
построили вольтамперную характеристику диода, используя программу EXCEL из Microsoft Office.

Построим линию тренда для
прямой ветви ВАХ и получим уравнение этой линии для всех типов диодов.

; =0.124

 


 

Схема КД 226.

 N

 U, B

 A,mkA

 

 

 0.35

 0.023

 2.051

 4.210

 2

 0,40

 0.090

 1.984

 2.936

 3

 0.45

 0.306

 1.768

 3.125

 4

 0.50

 1.060

 1.014

 1.028

 5

 0.55

 2.820

 0.745

 0.555

 6

 0.60

 8.150

 6.075

 36.905

 

 

 2.075

 8.126

Линия тренда.

; =0.271.

=12.56;

Схема ПД.

 N

 U, B

 A,mkA

 

 

 1

 0.20

 0.392

 1.202

 1.444

 2

 0,25

 0.791

 0.803

 0.645

 3

 0.30

 1.400

 0.194

 0.037

 4

 0.35

 2.330

 0.736

 0.541

 5

 0.40

 3.660

 2.066

 6

 0.45

 6.250

 4.656

 21.678

 7

 0.50

 9.740

 8.145

 66.341

 

 1.594

 

 13.472

Линия тренда


; =0.320

Вывод: полученные ВАХ
наглядно показывают что p-n переход обладает односторонней
проводимостью. В прямом включении сила тока быстро возрастает с ростом
напряжения.

Для КД 521 линия тренда
имеет уравнение y = 18,172x — 7,8998.

Для КД 226 линия тренда
имеет уравнение y = 28,331x — 11,382

Для ПД линия тренда имеет
уравнение y = 29,444x — 6,7965

Учебная работа. Изучение электрических свойств p-n перехода