Р А Б О Т А №71а
Изучение работы полупроводникового и туннельного диодов
Целью работы является исследование работы р-n перехода двух полупроводников с различным типом проводимости.
Введение
В современной электронике широко используются р-n переходы – область контакта двух полупроводников (п/п) с различными типами проводимости. Они имеют малые размеры, большой срок службы и потребляют малые мощности.
Р-n переход можно «вырастить», например, когда на германиевую подложку с примесью мышьяка или сурьмы (п/п n-типа) накладывают индиевую таблетку (п/п р-типа) и нагревают в печи до спекания. Полученную конструкцию называют п/п диодом [1]. Принцип работы диода позволяет понять работу более сложных п/п соединений – триодов и интегральных микросхем.
До соединения полупроводников число свободных электронов в п/п n-типа было больше, чем в п/п р-типа, а число дырок наоборот. При контакте электроны из п/п n-типа диффундируют в п/п р-типа, а дырки из п/п р-типа в п/п n-типа. В результате вблизи границы соприкосновения в п/п n-типа образуется избыточный положительный заряд, а в п/п р-типа избыточный отрицательный заряд, т.е. возникает двойной электрический слой, который создает контактное электрическое поле с напряженностью Ек и с определенной разностью потенциалов Δφ на его границах (рис. 1а). Эта контактная разность потенциалов создает потенциальный барьер на пути дырок и электронов и препятствует их дальнейшему переходу через контактный слой. При определенной высоте потенциального барьера наступает состояние подвижного равновесия, условием которого является равенство химических потенциалов обоих п/п [1,2]:
μn = μр (1)
Область запирающего слоя,
обедненная носителями тока, имеет сопротивление больше, чем сопротивление
глубинных областей полупроводников. Ширина запирающего слоя, а следовательно, и
его сопротивление существенно зависят от величины и направления приложенного к
р-n переходу внешнего электрического поля. Когда
внешнее электрическое поле 
совпадает по
направлению с полем 
контактного слоя (рис.1б),
электрические поля складываются, что приводит к возрастанию потенциального
барьера, ширины запирающего слоя и увеличению его сопротивления. Такое
направление внешнего электрического поля называется запорным или обратным
направлением.
Если внешнее электрическое
поле по направлению противоположно полю (рис. 1в), то поле в области
запирающего слоя ослабевает, потенциальный барьер уменьшается, ширина слоя
сокращается и его сопротивление падает. Такое направление внешнего
электрического поля называется пропускным или прямым. Прямой ток
может в несколько сотен раз превышать обратный ток при одном и том же
абсолютном значении напряжения. Включая р-n переход в
цепь с переменным напряжением, можно получить значительные величины тока только
в одном направлении, т.е. «выпрямить» переменный ток.
запирающий
слой
Рис. 1
Основной характеристикой п/п диода является его вольт-амперная характеристика (ВАХ), т.е. зависимость тока I протекающего через диод, от величины и полярности приложенного к нему напряжения U. Общий вид ВАХ p-n перехода показан на рис. 2. Участок АВ соответствует прямому включению диода, а участок ВС – обратному. При больших напряжениях обратного включения возможен «пробой» – участок СD.
Из условия (1) можно получить выражение для величины потенциального барьера р-n перехода [1,2]:
еΔφ = ЕFp―EFn = Ap―An , (2)
здесь ЕFp и EFn – энергии Ферми п/п р-типа и n-типа соответственно, Ap и An – расстояния от уровня Ферми до нулевого энергетического уровня свободного электрона в вакууме, е – заряд электрона.
Расчет с использованием статистики Ферми-Дирака зависимости силы тока через р-n переход от величины внешнего напряжения U приводит к выражению [2]:
, (3)
где
, (4)
а В – константа, зависящая от температуры.
Из формулы (3) видно, что в прямом направлении (когда U>0) ток растет экспоненциально с увеличением U. В обратном же направлении (когда U<0) с увеличением напряжения сила тока стремится к насыщению, т.е. к постоянной величине Is. Область «пробоя» р-n перехода выражение (3) не описывает.
Если полупроводники подвергнуть сильному легированию (ввести повышенное количество примесных атомов), то при концентрациях примеси порядка 1019-1020 см-3 примесные энергетические состояния перестают быть изолированными друг от друга в кристалле. Примесные энергетические уровни начинают перекрываться и при небольшой глубине залегания сливаться с зоной проводимости или валентной зоной: уровень Ферми при этом смещается в одну из зон, и газ носителей заряда в этой зоне становится вырожденным. Используя сильно легированные вырожденные п/п, можно изготавливать так называемые туннельные диоды, ВАХ характеристика которых имеет необычный вид [1]. На рис.3а приведена зонная схема такого перехода: уровень Ферми ЕF находится в зоне проводимости n-области и в валентной зоне р-области. В равновесном состоянии выравнивание уровней Ферми происходит за счет туннелирования носителей заряда сквозь потенциальный барьер. Если внешнее напряжение отсутствует, то результирующий ток через переход равен нулю.
Рис. 3 Схема процессов, происходящих в р-n переходе туннельного диода
(Ес-дно зоны проводимости; Еv-потолок валентной зоны)
Подача прямого напряжения на р-n переход приводит к уменьшению потенциального барьера, однако, в приборах такого типа более существенным является то, что подъем уровня Ферми в п/п n-типа сопровождается повышением числа туннельных переходов электронов из зоны проводимости этого вырожденного п/п на свободные состояния в валентной зоне вырожденного п/п р-типа. По мере повышения напряжения ток через переход будет расти, достигая максимального значения в момент, когда уровень Ферми донорного п/п сравняется с потолком валентной зоны акцепторного п/п (рис. 3б). Дальнейшее увеличение напряжения приводит к снижению тока через переход, поскольку перекрытие зон уменьшается, и меньшее число электронов n-области оказывается способным туннелировать сквозь барьер. В этой области напряжений на ВАХ характеристике туннельного диода появляется спадающий участок – диод приобретает отрицательное дифференциальное сопротивление (рис. 3в).
Спад тока с ростом напряжения продолжается до тех пор, пока дно зоны проводимости в n-области не сравняется с потолком валентной зоны р-области. При дальнейшем увеличении напряжения все более существенными становятся процессы, характерные для обычных диодов: начинается надбарьерное проникновение основных носителей из одной области в другую, ток возрастает, а ВАХ характеристика приближается к показанной на рис.2 (изображена пунктиром на рис.3в).
Уважаемый посетитель!
Чтобы распечатать файл, скачайте его (в формате Word).
Ссылка на скачивание - внизу страницы.