Дослідження властивостей p-n переходу в напівпровідникових діодах

Завдання роботи:

1. Побудувати вольт-амперні характеристики трьох напівпровідникових діодів.
2. Побудувати вольт-фарадні характеристики трьох напівпровідникових діодів.

Обладнання:

– установка для вивчення p-n переходу ФПК-06;
– ПК.

Основні терміни та поняття

p-n-перехід ВЛАСНА І ДОМІШКОВА ПРОВІДНІСТЬ НАПІВПРОВІДНИКІВ – СТРУМ У НАПІВПРОВІДНИКАХ Електронно-дірковий перехід та його властивості Напівпровідники. Напівпровідникові діоди. Напівпровідникові діоди

Теоретична частина

Рис. 1. Установка ФПК-06

Властивості однорідних напівпровідників використовуються лише для побудови напівпровідникових резисторів. Більшість же напівпровідникових приладів й елементів мікроелектроніки утворено з неоднорідних структур, основним серед яких є контакт двох напівпровідників різного типу провідності та контакт напівпровідника з металом.
Межу між двома напівпровідниками різного типу провідності називають електронно-дірковим, або p-n переходом. Такий перехідний контакт не можна утворити простим дотиком пластин провідностей типів p і n, тому що він буде забруднений оксидами, повітрям, іншими сполуками. Електронно-дірковий перехід отримують дифузією або вплавлюванням відповідних домішок у монокристал напівпровідника, а також вирощуванням p-n переходу з розплаву напівпровідника.
Властивості p-n переходу суттєво залежать від його конструкції, методу отримання, співвідношення концентрації донорних та акцепторних домішок.
Розглянемо властивості різкого p-n переходу (тобто такого, в якому тип домішки змінюється не повільно, а різко) з однаковими концентраціями донорних та акцепторних домішок (рис. 2).
У напівпровіднику n-типу основними рухомими носіями електричного заряду є електрони, у напівпровіднику p-типу – дірки. Рухомі носії заряду, що перебувають поблизу p-n переходу, дифундують через перехід і взаємно рекомбінують, унаслідок чого в p-n переході утворюється збіднений вільними носіями заряду подвійний шар просторових зарядів. Ширина його становить десяті частини мікрометра.

Рис. 2. Утворення потенціального бар’єру в електронно-дірковому переході

У напівпровіднику p-типу він утворюється негативними іонами акцепторної домішки, які залишилися після дифузії в n-область і рекомбінації дірок вільних носіїв, а в напівпровіднику n-типу – позитивними іонами донорної домішки. Електричне поле Ек їхніх просторових зарядів перешкоджає подальшій дифузії, оскільки на p-n переході виникає потенціальний бар’єр φк у декілька десятих вольта.
Це поле спрямоване від позитивних іонів-донорів до негативних іонів-акцепторів, воно гальмує рух основних носіїв заряду і прискорює рух неосновних. Тепер будь-який електрон, що перейшов з електронної структури в діркову, потрапляє в електричне поле, яке намагається повернути його назад в електронну структуру n-типу. Аналогічно дірки відштовхуються в структуру p-типу. Завдяки наявності збідненого вільними носіями шару завширшки L електронна провідність p-n переходу зменшується відносно провідності останньої частини напівпровідника, а наявність просторових зарядів і електричного поля робить його провідність залежною від напрямку зовнішнього електричного поля.
Слід мати на увазі, що у напівпровідниках неперервно утворюються та рекомбінують теплові електронно-діркові пари, які створюють деяку кількість неосновних носів заряду. Перш ніж рекомбінувати з основними носіями неосновні носії, що перебувають поблизу p-n переходу, можуть потрапити в поле потенціального бар’єра і спричинити дрейфовий струм. За відсутності зовнішніх впливів цей струм компенсується дифузійним струмом основних носіїв, унаслідок чого встановлюється динамічна рівновага переходу.
Якщо до зрівноваженого електронно-діркового переходу прикласти зовнішнє електричне поле, то через нього проходитиме електричний струм, величина якого залежить від напрямку прикладеного поля (рис. 3).

Рис. 3. Схематичне зображення прямого (а) та зворотного (б) включення електронно-діркового переходу до зовнішнього джерела живлення та його вольт-амперна характеристика (в)

Під дією електричного поля, спрямованого проти потенціального бар’єра (рис. 3а), останній зменшується, а потім зникає. Основні носії електричних зарядів рухаються в напрямку p-n переходу, його ширина і опір спадають. Ті носії, які пройшли через p-n перехід, стають неосновними і рекомбінують з основними носіями напівпровідника, до якого вони дифундували. Поповнення основних носіїв, що рекомбінували, забезпечується із зовнішнього кола: через p-n перехід проходить прямий дифузійний струм. Підвищення зовнішньої напруги призводить до експоненціального зростання прямого струму, тому що концентрація основних носіїв в обох напівпровідниках досить значна.
Якщо зовнішнє електричне поле збігається з полем потенціального бар’єра (рис. 3б), то із підвищенням його напруженості потенціальний бар’єр збільшується, ширина збідненої вільними носіями зони зростає, опір p-n переходу підвищується. Кількість основних носіїв, здатних подолати дію такого поля, зменшується, струм дифузії основних носіїв спадає. Основні носії під дією зовнішнього поля відтягуються від приконтактних шарів у глибину напівпровідника. Для неосновних носів потенціальний бар’єр у p-n переході відсутній, і вони будуть втягуватися полем у p-n перехід. Таке вмикання p-n переходу називається зворотнім. При ньому основний дрейфовий струм, що утворюється неосновними носіями, має мале значення, яке практично не залежить від зовнішньої напруги, але істотно залежить від температури.
Отже, основною властивістю p-n переходу є його переважно однобічна провідність і нелінійність ВАХ (рис. 3в).
Практично однобічну провідність p-n переходу покладено в основу побудови напівпровідникових діодів.
Напівпровідникові діоди – це прилади з двома виводами, які мають електронно-дірковий перехід. Різні типи напівпровідникових діодів різняться основним матеріалом, з якого їх виготовлено, технологією виробництва та конструкцією, що зумовлює широку різноманітність їхніх електричних параметрів та умов застосування.
За основним матеріалом найпоширенішими є германієві та кремнієві діоди; за конструкцією – точкові та площинні, за умовами застосування – універсальні, високочастотні, імпульсні, випрямні. Крім того, використовують спеціальні діоди, побудовані на параметричних властивостях p-n переходу, явищі електричного пробою, тунельному ефекті тощо.
Установка ФПК-06 призначена для вивчення властивостей напівпровідників n-типу та p-типу (p-n перехід). Установка дає змогу знімати і досліджувати вольт-амперні характеристики (ВАХ) промислових діодів для прямої і зворотної напруги та вольт-фарадні характеристики (ВФХ).
Установка виконана у вигляді настільного блока (рис. 1), в якому розміщені зразки. Крім того, є можливість підключити до блока будь-який інший зразок, для чого на передній панелі блока є відповідні клеми. За допомогою органів блока відбувається зміна і вимірювання величини і полярності напруги на досліджуваному зразку. На індикаторі в процесі роботи відображаються величина і полярність прикладеної напруги, умовне позначення досліджуваного зразка, тип дослідження (ВАХ або ВФХ) і, залежно від типу дослідження, сила струму, що протікає через зразок, або електрична ємність.

Хід роботи

1. Увімкніть установку в мережу та оберіть натисканням клавіш перший діод VD1.
2. Оберіть режим ВАХ – Пряма.
3. Повільно збільшуючи прикладену напругу та фіксуючи її значення в таблиці, побудованій в Excel, фіксуйте у таблиці силу струму. Кількість опорних значень напруги та струму – не менше 10.
4. Натисніть ДІОД – Скид.
5. Оберіть режим ВАХ – Обернена.
6. Повторіть виміри для 10 опорних точок. Значення занесіть до таблиці.
7. Повторіть попередні кроки для інших двох діодів.
8. Оберіть відповідною кнопкою режим ВФХ та оберіть – Обернена.
9. Проведіть виміри за 10 контрольними точками для кожного діода, фіксуючи значення ємності.

Аналіз даних

1. Побудуйте графік залежності сили струму від прикладеної напруги (ВАХ) для кожного діода інструментами Excel.
2. Побудуйте графік залежності ємності p-n переходу від напруги для кожного діода інструментами Excel.
3. Зробіть висновки про ширину забороненої зони напівпровідникових діодів відповідно до прикладеної напруги.

Таблиці результатів:

Таблиця 1

Таблиця 2