fizpr

области (рис. 1в). В случае такого распределения концентраций носителей тока, дырки с р-области будут диффундировать в область с электронной проводимостью, а электроны, наоборот, из области с электронной проводимостью – в область с дырчатой проводимостью (возникает так называемый диффузный ток основных носителей). Вследствие этого близ границы в р-области образовывается объемная прослойка из не скомпенсированных отрицательных зарядов, а в п- области – прослойка из не скомпенсированных положительных зарядов (рис.1а). Между этими противоположно заряженными прослойками возникает электрическое поле и контактная разность потенциалов Uк (рис. 1г).

Контактное электрическое поле препятствует переходу через границу основных носителей, но оказывает содействие переходу неосновных носителей (электронов из р и дырок из п-области), которые создают так называемый дрейфовый ток в направлении, противоположному диффузии основных носителей. Когда контактная разность потенциалов Uк достигает определенного значения, противоположные потоки основных и неосновных носителей компенсируют друг друга, и наступает состояние динамического равновесия, при котором движение носителей с одной области в друге прекращается.

С точки зрения зонной теории полупроводники с разным типом проводимости имеют на энергетических диаграммах разное положение уровня Ферме (рис. 2,б). В полупроводнике п - типа уровень Ферме EFn смещен относительно середины запрещенной зоны вверх, ближе к зоне проводимости, а в полупроводнике р-типа уровень Ферме EFp смещен вниз, ближе к валентной зоне.

221

а)

б)

в)

		+	-
		+	-
	n	+	-	p
		+	-
		+	-

Зона проводимости

EFn

∆E

EFp

Валентная зона

Д

	к
	еU
EFn		EFp
	∆E

Рисунок 2

После создания р-п-перехода и возникновения контактной разности потенциалов (Uк), наступает равновесное состояние, при котором ток через р-п-переход равняется нулю. Это означает, что в условиях равновесия вероятность прохождения носителей заряда через р-п-переход в обоих направлениях становится одинаковой. А это в свою очередь означает, что уровни Ферми на энергетической диаграмме в обоих типах полупроводников должны быть

222

одинаковыми в области р-п -перехода. Это приводит к тому, что все энергетические равные р-полупроводника поднимаются относительно уровней полупроводника п-типа (рис. 2,в). В области Д энергетические зоны искривляются, вследствие чего возникает потенциальный барьер, высота которого (eUк) определяется первичной разностью положений уровней Ферме в обоих полупроводниках.

Итак, на границе столкновенья образовывается двойной заряженный пласт – потенциальный барьер, препятствующий прохождению электронов из п-области в р-область, а дырок из р- области в п-область. Наличие потенциального барьера приводит к тому, что из п-области в область р могут переходить лишь те электроны, энергия которых будет достаточна для преодоления потенциального барьера. Аналогичным образом переход дырок из р- области в п-область сопровождается преодолением потенциального барьера (рис. 3,а).

р	– +	п	+ р		п –	–		+
						р	п
	– +
–	Д	+	–	Д	+	–	Д	+
			+ +		– –
+ +0		– –				+ +		– –
	а)			б)			в)

Рисунок 3

223

Равновесное состояние р- п -перехода может быть нарушено, если к нему приложить электрическое поле.

Если к образцу с р-п-переходом приложить внешнюю разность потенциалов в прямом направлении, так чтобы плюс был привлеченным к р-области, а минус к n-области (рис. 3,б), то приложенное электрическое поле будет оказывать содействие прохождению электронов в р-область и дырок в область. Величина барьеру будет уменьшаться, а прямой ток, обусловленный основными носителями через р – п - переход будет возрастать.

В случае если к р - п - переходу приложена разность потенциалов в "обратном направлении", так чтобы плюс был приложен к n -области, а минус к р -области (рис.3,в), обратный ток может быть обусловлен только неосновными носителями, поскольку приложенное электрическое поле будет препятствовать прохождению основных носителей через р - п -переход, т.е. будет увеличивать величину потенциального барьера.

Вольтамперной характеристикой (ВАХ) называется зависимость величины тока I, протекающего через полупроводник, от приложенного до него напряжения U. Прямой ток, обусловленный основными носителями, возрастает по экспоненциальному закону, а обратный ток, обусловленный только неосновными носителями, быстро достигает своего насыщения, и дальше почти не изменяется

(рис.4).

Поскольку количество неосновных (дырок в п-области и электронов в р-области) носителей ограниченная и в много раз меньше количества основных носителей, обратный ток во-первых очень быстро достигает насыщения, а во-вторых, определяется в

224

микроамперах, т.е. очень маленький в сравнении с прямым током. При значительном увеличении обратного напряжения обратный ток начинает резко возрастать и наступает так называемый пробой р- п - перехода, вследствие чего он теряет свое основное свойство – одностороннюю проводимость.

Рисунок 4

При повышении температуры и прямой и обратный ток возрастает, но зависимость обратного тока от температуры значительно больше. Это объясняется тем, что ток насыщения в обратном направлении определяется неосновными носителями тока, концентрация которых с ростом температуры возрастает по экспоненциальной зависимости.

Зная величины обратных токов насыщения при двух температурах, можно определить значения контактной разности потенциалов.

Обратный ток диода можно записать в виде:

225

eU

к

Iн = I

0 exp

-

(1)

kT

где Uк – контактная разность потенциалов;

I0 –

ток основных носителей;

Iн –

обратный ток насыщения;

k –

постоянная Больцмана (k= 1,38·10-23Дж/К);

Т –

температура контакта;

е =1.6·10-19Кл – заряд электрона.

Запишем выражение (1) для двух разных температур в виде:

eU

к

eU

к

-

I н2 = I0

-

(2)

I н1 = I 0 exp

kT1

exp

kT2

где Iн1, Iн2 – ток насыщения при температуре Т1 и Т2 соответственно. Решая совместно уравнение (2), получим расчетную формулу

для определения контактной разности потенциалов:

	k ln			I н2
U к =				I н1				(3)
		1		-	1
	e ×				T2
	T1

Исследование вольтамперной характеристики проводится на лабораторном стенде, схема которого представлена на рис.5.

226

Рисунок 5 Прямая характеристика диода снимается при замыкании

ключом К пары контактов 5 - 1 и 6 - 2, обратная - контактов 5 - 3 и 6 -

4.

Порядок выполнения работы

1.С помощью ключа К замкнуть контакты 5 - 1 и 6 - 2 (прямой ток).

2.Установить на измерительных приборах необходимые границы измерений (см. приложение на лабораторном стенде).

3.Изменяя потенциометром напряжение на диоде (до 0,8 В, не более!) измерить прямые токи через диод.

4.Результаты измерений занести в таблицу.

5.С помощью ключа К замкнуть контакты 5 - 3 и 6 - 4 (обратный ток).

6.Изменяя напряжение на диоде, измерить обратные токи через диод.

227

7.Результаты занести в таблицу.

8.По результатам измерений построить вольтамперную характеристику.

9. По полученному графику определить ток насыщения								Iн путем
	спрямления обратной ветки вольтамперной характеристики до
	пересечения с осью ординат.
	Таблица 1 -		Результаты измерений
	№	Прямое включение				Обратное включение
	п/п
		U, В		I, mА		U, В		I, µ А

.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1.Что такое примесные полупроводники и чем они отличаются от собственных?

2.Нарисуйте зонную структуру собственного и примесного полупроводников.

3.Что такое полупроводниковый диод, и какое его назначение?

4.Опишите процесс образования p-n перехода.

5.Что такое прямое и обратное включения р-п-перехода?

6.Что такое вольтамперная характеристика полупроводникового диода?

7.Что такое ток насыщения и чем обусловлено его наличие?

228

8.Как изменяется вольтамперная характеристика диода при повышении температуры?

9.От чего зависит величина контактной разности потенциалов?

Лабораторная работа № 602

ИЗУЧЕНИЕ ЗАВИСИМОСТИ СОПРОТИВЛЕНИЯ ПРОВОДНИКОВ И ПОЛУПРОВОДНИКОВ ОТ ТЕМПЕРАТУРЫ

Цель работы: экспериментальное определение зависимости сопротивления металлов и полупроводников от температуры. Вычисление на основе полученных данных температурного коэффициента сопротивления проводника и энергии активации полупроводника.

Приборы и оборудование: образцы металла и полупроводника, электронагреватель, термометр, ламповый омметр.

Основные требования к теоретической подготовке: При подготовке к данной лабораторной работе необходимо проработать разделы курса общей физики: "Электронная теория проводимости металлов", "Электропроводность полупроводников", а также методические указания к данной работе.

Теория метода и описание установки

1. Зависимость сопротивления проводников от температуры.

По современным представлениям электрические свойства металлов обусловлены наличием в них свободных электронов.

229

Концентрация этих электронов для данного образца есть величина постоянная, определяемая числом атомов в единице объема вещества. Поскольку в проводимости принимает участие постоянное число валентных электронов, то их концентрация не зависит от температуры. Поэтому изменение электрических свойств образца будет определяться изменением характера взаимодействия электронов проводимости с кристаллической решеткой.

Опыт показывает, что электрическое сопротивление R однородного проводника с постоянным сечением зависит от его длины l и площади сечения S:

R = ρ l

S

Величина ρ есть удельное сопротивление проводника. Удельное, а, следовательно, и полное сопротивление проводников зависит от температуры. Эта зависимость имеет сложный вид. Для металлов можно пользоваться приближенными формулами:

ρ =ρ 0 (1+ αt );

R = R0 (1+ αt)

где ρ0 и R0 – относится к нулевой температуре по шкале Цельсия;

α- температурный коэффициент сопротивления.

Т.е., из приведенной выше зависимости можно сделать вывод, который с повышением температуры сопротивление проводника увеличивается приблизительно прямо пропорционально.

Для определения температурного коэффициента сопротивления проводника α используется следующий метод. Исследуют зависимость сопротивления от температуры, и по данным проведенного опыта

230