Министерство образования Российской Федерации

ГОУ 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 ЭЛЕКТРОН-НО-ДЫРОЧНЫХ ПЕРЕХОДОВ:Методические указания к лабораторным работам по дисциплине «Физические основы электроники» / В.И. Елфимов, Н.С. Устыленко. Екатеринбург: ГОУ УГТУ-УПИ, 2003.46 с.

Методические указания содержат описания физических процессов, возникающих при образовании p-n перехода, равновесного и неравновесного состояния p-n перехода, вольтамперных 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.: 17 назв. Табл.4. Рис. 18. Прил. 5.

Подготовлено кафедрой «Радиоэлектроника информационных систем»

© ГОУ 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.

2. Физические процессы в электронно-дырочных переходах

2.1. Понятие и образование электронно-дырочного перехода

Электрическим переходомназывается переходный слой между областями твердого тела с различными типами или значениями проводимости. Например, между областями полупроводников n- и p-типов, металлом и полупроводником, диэлектриком и полупроводником и т.д.

Переход между областями полупроводника с электропроводностью p- и n-типов называют электронно-дырочным переходом или p-n переходом.

Рассмотрим образование несимметричного p-n перехода при идеальном контакте двух полупроводников с различным типом проводимости. Через плоскость металлургического контакта (плоскость, где изменяется тип примесей, преобладающих в полупроводниках) возникает диффузия из-за градиента концентрации носителей заряда. В результате диффузии носителей заряда нарушается электрическая нейтральность примыкающих к металлургическому контакту частей монокристалла полупроводника.

Пусть концентрация акцепторов Nа в области полупроводника p-типа больше концентрации доноров Nд в области полупроводника n-типа: Nа>>Nд. При этом концентрация основных носителей заряда - дырок в полупроводнике - p-типа будет больше концентрации основных носителей заряда - электронов в полупроводнике n-типа: p_p>n_n. Соответственно, концентрация неосновных носителей заряда - электронов в полупроводнике p-типа - меньше концентрации неосновных носителей заряда - дырок в полупроводнике n-типа:n_p<p_n. Образование несимметричного p-n перехода посредством металлургического контакта двух полупроводников с различным типов проводимости иллюстрируется рис.1. На рис.1 указано, что внешнее напряжение на переход не подается, а p- и n-области соединены между собой, подтверждая рассмотрение p-n перехода в равновесном состоянии.

Рис.1.Образование несимметричного p-n перехода посредством металлургического контакта двух полупроводников

Допустим, Nа=10¹⁸см^-3, а Nд=10¹⁵см^-3. Поясним процесс образования p-n перехода с помощью диаграмм, представленных на рис.2. На рис. 2 обозначено:

+- дырка - основной носитель заряда полупроводника p-типа;

-- электрон - основной носитель заряда полупроводника n-типа;

-положительный ион донора; отрицательный ион акцептора;

l_p- ширина p-n перехода в области полупроводника p-типа;l_n- ширина p-n перехода в области полупроводника n-типа;l_o- ширина p-n перехода в равновесном состоянии.

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: n_i²=p_pn_p=Nаn_p. Допустим, что для изготовления p-n перехода используется полупроводниковый материал германий, у которого собственная концентрация (концентрация свободных носителей заряда в полупроводникеi-типа) носителей заряда составляет величину:n_iGE=2,510¹³см^-3. При условииp_p=Nа=10¹⁸см^-3,из

закона действующих масс находим, что n_p=6,2510⁸см^-3. В полупроводнике n-типа закон действующих масс определяется соотношением :n_i²=n_np_n=Nдp_n. При условииn_n=10¹⁵см^-3из закона действующих масс получаем, чтоp_n=6,2510¹¹см^-3. В результате разности концентраций подвижных носителей заряда на границе контакта полупроводников p- и n-типов (диаграмма 2 рис.2) имеет местоградиент концентрацииносителей заряда каждого знака. Под действием градиента концентрации будет происходитьдиффузияосновных носителей зарядаиз области с высокой концентрацией в область с меньшей их концентрацией. Дырки переходят из области полупроводника p-типа в область полупроводника n-типа, оставляя в p-области отрицательные ионы акцепторов. В области полупроводника n-типа дырки рекомбинируют с электронами, обнажая в процессе рекомбинации положительно заряженные ионы доноров.

Аналогично и электроны из области полупроводника n-типа переходят в область полупроводника p-типа, оставляя в полупроводнике n-типа положительные ионы доноров. В области полупроводника p-типа при рекомбинации электронов с дырками дополнительно обнажаются отрицательные ионы акцепторов. Отрицательные ионы акцепторов и положительные ионы доноров находятся в узлах кристаллической решетки поэтому не могут двигаться по кристаллу полупроводника. Таким образом, вблизи контакта полупроводников с различным типом проводимости возникает двойной слой пространственного заряда: отрицательный в области полупроводника p-типа; положительный в области полупроводника n-типа (диаграмма 1 рис.2).

В области объемных зарядов мала концентрация подвижных носителей заряда, поэтому этот слой обладает повышенным сопротивлением и называется запорным слоем или p-n переходом.