Собственные полупроводники
Cодержание
1. Цель……………………………………………………………………..4
2. Теоретическая часть…………………………………………………...4
2.1. Собственные полупроводники…………………………………..4
2.2. Примесные полупроводники n- типа…………………………...6
2.3. Примесные полупроводники р- типа…………………………...8
2.4. Контакт электрического и дырочного
полупроводников (р-n- переход) ……………………………….9
2.4.1. Равновесное состояние р-n- перехода………………………...9
2.4.2. Выпрямляющие свойства р-n- перехода…………………….11
3. Экспериментальная часть……………………………………………12
3.1. Приборы и принадлежности……………………………….......12
3.2. Описание установки……………………………………………13
3.3. Требования к технике безопасности………………………......13
3.4. Порядок выполнения работы………………………………......14
3.5. Обработка результатов эксперимента………………………...14
3.6. Требования к отчету……………………………………………14
4. Контрольные вопросы……………………………………………….15
Список литературы………………………………………………….15
Лабораторная работа № 78
Исследования полупроводникового диода
Цель работы
1.1.Изучение вольтамперной характеристики диода.
1.2. Изучение зависимости сопротивления диода от величины приложенного напряжения.
Теоретическая часть
Полупроводниками называется группа веществ, удельное сопротивление которых изменяется в широких пределах: от 10-5 до 10 - 8 Ом ×м - 1. Характерным для полупроводников является изменение их электропроводности под действием внешних факторов: температуры, освещения, давления, что позволяет создавать чувствительные термосопротивления, фотосопротивления, тензометры.
С точки зрения зонной теории полупроводниками являются кристаллические вещества, у которых при 0 К валентная зона полностью заполнена электронами, а ширина запрещенной зоны невелика (например, для германия она равна 0,72 эВ). Поэтому при абсолютном нуле полупроводник, как и диэлектрик, обладает нулевой проводимостью.
Различают собственные и примесные полупроводники. К числу собственных относятся химически чистые полупроводники (германий, кремний, селен и др.). Электрические свойства примесных полупроводников определяются имеющимися в них искусственно вводимыми примесями.
Собственные полупроводники
Экспериментальные исследования ряда явлений в химически чистых полупроводниках привели к заключению, что в них имеются носители тока обоих знаков. Выясним природу этих носителей на примере полупроводника из германия.
Все атомы германия нейтральны и связаны друг с другом ковалентными связями. Чтобы создать проводимость, необходимо разорвать хотя бы одну из связей, удалив из атома германия электрон и перенеся его в какую-либо другую кристаллическую ячейку, где все связи заполнены, и этот электрон будет лишним. Такой электрон в дальнейшем может свободно переходить из одной кристаллической ячейки в другую, перенося с собой избыточный отрицательный заряд, т.е. становится электроном проводимости. В атоме же германия, в его валентной оболочке, образуется вакантное место, которое называется дыркой. Дырка перемещается по кристаллу, поскольку электрон соседнего атома быстро занимает место ушедшего. Отсутствие электрона означает наличие у атома германия единичного положительного заряда, который переносится вместе с дыркой. Электроны и дырки являются носителями зарядов противоположного знака в собственных полупроводниках.
Рассмотрим процесс возникновения носителей тока в собственных полупроводниках на основе зонной теории твердых тел.
На рисунке 2.1, а показаны энергетические зоны собственного полупроводника при 0 К: валентная зона I заполнена электронами полностью, уровни зоны проводимости II свободны.
Рис. 2.1
С повышением температуры вследствие термического возбуждения электронов валентной зоны часть из них приобретает энергию, достаточную для преодоления запрещенной зоны ( ) и перехода в зону проводимости. Это приводит к появлению в зоне проводимости свободных электронов, а в валентной зоне – дырок, которые ведут себя как частицы с положительным зарядом (рис. 2.1, б).
При наложении электрического поля электроны зоны II начинают переходить на более высокие энергетические уровни, т.к. они свободны. В зоне I электроны под действием поля также получают возможность переходить на более высокие энергетические уровни, занимая вакантное место дырки, в результате чего появляется новая дырка ниже первоначальной, наблюдается движение дырок в зоне I сверху вниз. Таким образом, в собственных полупроводниках электроны в зоне II являются отрицательными носителями тока, дырки в зоне I – положительными носителями.
2.2. Примесные полупроводники n- типа
Механизм действия примесей на проводимость полупроводников рассмотрим также на примере германия. Предположим, что в кристаллической решетке этого полупроводника часть атомов германия (Gе) замещена атомами большей валентности, например, атомами пятивалентного мышьяка (As) (рис. 2.2, а).
Рис. 2.2
Для образования ковалентной химической связи с соседними атомами германия атом мышьяка расходует четыре валентных электрона, пятый электрон в образовании связи не участвует. При сообщении этому «лишнему» электрону энергии ≈ 0,01 эВ он может оторваться от атома мышьяка и свободно перемещаться в решетке германия, превращаясь, таким образом, в электрон проводимости (рис. 2.2, б). Примеси, являющиеся источниками электронов, называются донорными, а полупроводники, содержащие такую примесь, электронными полупроводниками или полупроводниками n- типа, часто их называют также донорными полупроводниками.
С точки зрения зонной теории этот процесс можно представить следующим образом. При абсолютном нуле между заполненной валентной зоной I и свободной зоной проводимости II располагаются энергетические уровни мышьяка, заполненные электронами (рис. 2.2, г). Эти уровни, называемые донорными, находятся непосредственно у «дна» зоны II, на расстоянии 0,01 эВ от нее.
Энергия называется энергией ионизации донорного примесного атома. С повышением температуры тепловое движение «выбрасывает» в зону II электроны с донорных уровней (рис. 2.2, г). При наложении электрического поля эти электроны перемещаются в зоне II, т.к. энергетические уровни этой зоны свободны. Образующиеся при переходах 1 (рис. 2.2, г) положительные заряды локализуются на донорных уровнях и в проводимости не участвуют. Наряду с переходами типа 1 возможны переходы электронов из валентной зоны I в зону проводимостей II. Поскольку энергия ионизации донорного атома много меньше ширины запрещенной зоны ( ), то при не очень высоких температурах первый из этих процессов (1 на рис. 2.2, г) оказывается доминирующим. Концентрация электронов в зоне II при этом во много раз больше концентрации дырок в зоне I. В таких условиях электроны называются основными носителями, а дырки – неосновными.
2.3. Примесные полупроводники р- типа
Полупроводники р- типа могут быть получены, если в решетке германия часть атомов замещена атомами меньшей валентности, чем атомы германия, например, при введении в качестве примеси индия (In) (рис. 2.3, а).
Три электрона атома In участвуют в образовании валентной связи с соседними атомами германия, но на образование связи с четвертым атомом германия у индия не хватает электрона. Индий обладает свойством притягивать к себе электроны, являясь акцептором. На образование четвертой связи он «заимствует» электрон у атома германия. Расчет показывает, что для этого требуется энергия 0,01 эВ, называемая энергией ионизации акцепторного атома. В валентной оболочке германия образуется вакантное место – дырка (рис. 2.3, б).
Представим этот процесс с точки зрения зонной теории. Введение индия в кристалл германия приводит к появлению в запрещенной зоне III примесного уровня, называемого акцепторным, который располагается у «потолка» зоны 1 на расстоянии от нее. При абсолютном нуле он ничем не заполнен, т.к. при этих условиях невозможен отрыв электрона от атома германия (рис. 2.3, а).
Рис. 2.3
С повышением температуры электроны из валентной зоны переходят на примесные уровни (рис. 2.3, г), в результате чего в зоне I появляются дырки, являющиеся носителями положительного заряда. Электроны, перешедшие из зоны I на примесный уровень, связываются с атомами индия и в проводимости не участвуют. Наряду с переходом 1 (рис. 2.3, г), возможен переход 2, приводящий к появлению в зоне II отрицательных носителей тока – электронов. Но т.к. , первый процесс является доминирующим, поэтому дырки в зоне I являются основными носителями, а электроны зоны II – неосновными.
Полупроводники описанного типа называются дырочными или полупроводниками р- типа. Часто их называют акцепторными полупроводниками.