17

Лабораторная работа №3

Определение параметров математической модели pn- перехода по его вольамперной характеристике

Цель работы–измерение вольтамперной характеристики pn – перехода; определение основных параметров математической модели pn – перехода.

Основы теории электронно-дырочного перехода

Обычно электронно-дырочный переход создают внутри полупроводника путем введения в оду его часть акцепторной примеси, а в другую–донорной (рис.1). Тогда одна область имеет дырочную проводимость, а другая–электронную. Переход между двумя областями полупроводника, одна из которых имеет электропроводность n–типа, а другая p–типа, называется электронно–дырочным переходом (p–n или n–p). Переход называется несимметричным, если концентрация доноров N_д в электронной области (n) не равна концентрации акцепторов N_a в дырочной области (p).

По методу изготовления могут быть следующие p–n-переходы:

• диффузионный, образованный в результате диффузии примеси в полупроводник;

• поверхностно–барьерный, образованный инверсным слоем при электролитическом осаждении или другим методе нанесения металла на поверхность полупроводника;

• сплавной, образованный в результате вплавления в полупроводник металла или сплава, содержащего донорные и акцепторные примеси;

• выращенный, образованный в полупроводнике при его выращивании из расплава.

Рассмотрим резкий p–n-переход, в котором концентрации донорной и акцепторной примесей изменяются скачком на границе раздела. Кроме того, будем считать, что концентрации легирующих примесей различны, например N_д>N_a (рис.1,б).

В p–области концентрации дырок–основных носителей p_p значительно больше, чем в n–области. Поэтому они диффундируют в n–область, где они будут неосновными носителями p_n (рис.1, г). Благодаря этому в слое p–области, примыкающей к границе раздела, появится отрицательный объемный заряд  , обусловленный отрицательными ионами акцепторной примеси. Аналогично диффузия электронов будет сопровождаться образованием в n–области положительного объемного заряда ионами донорной примеси (рис.1, д). Наличие объемного заряда в приконтактной области вызывает появление электрического поля (рис.1, е). Следовательно, на границе раздела между p– и n–областями имеется разность потенциалов, которую называют контактной _к (рис.1, ж).

Плотности токов диффузии неосновных носителей заряда в n– и p– областях определяются

Электрическое поле, созданное в приконтактной области ионами легирующей примеси, препятствует переходу через нее основных носителей заряда. Однако это поле вызывает дрейфовый ток неосновных носителей, который противоположно направлен диффузионному току. Плотности дрейфовых токов равны

Здесь D_p–коэффициент диффузии дырок; D_n–коэффициент диффузии электронов; E–напряженность поля в p–n-переходе; _p, _n–подвижности дырок и электронов.

При равновесном состоянии, в отсутствие внешнего напряжения, уровни Ферми в p– и n– областях совпадают и результирующий ток через переход равен нулю

Это означает, что силы электрического поля и силы, определяющие диффузию носителей заряда, уравновешивают друг друга в любом сечении кристалла. Приконтактную область, где имеется электрическое поле, называют p–n-переходом или запорным слоем. Энергетическая диаграмма p–n-перехода для равновесного состояния, при котором положение уровня Ферми постоянно, приведена на рис.1, ж. Здесь E_c–энергия дна зоны проводимости, E_v–энергия середины запрещенной зоны.

Величина потенциального барьера p–n-перехода определяется соотношением концентраций однотипных носителей на границах перехода