Подякувати Студентському архіву довільною сумою
Admin
26.02.2023 12:38
Дякуємо, що користуєтесь нашим архівом!
Дослідження p-n переходу і практичне використання приладів на його основі.
Інформація про навчальний заклад
ВУЗ:
Національний університет Львівська політехніка
Інститут:
Не вказано
Факультет:
Не вказано
Кафедра:
Не вказано
Інформація про роботу
Рік:
2025
Тип роботи:
Лабораторна робота
Предмет:
Фізика
Частина тексту файла (без зображень, графіків і формул):
Міністерство освіти та науки України
Національний університет «Львівська політехніка»
Оптична лабораторія
ЗВІТ
про виконання лабораторної роботи №11
Тема: «Дослідження p-n переходу і практичне використання приладів на його основі»
Виконав:
#########
#########
Прийняв:
#########
Львів-#### Мета роботи:
Отримати вольт-амперну характеристику (ВАХ) p-n переходу і ознайомитися із застосуванням кристалічного діода в ролі випрямляча та стабілізуючого пристрою.
Прилади та обладнання:
Установка для дослідження ВАХ p-n переходу.
Короткі теоретичні відомості:
Принцип дії напівпровідникових приладів грунтується на явищах, що мають місце на межі напівпровідників з провідністю p- або n-типу.
Коротко нагадаємо основні відомості про напівпровідники. Цей клас речовин складають як окремі хімічні елементи (наприклад, Ge, Si), так і численні хімічні сполуки (наприклад, CdTe, GaSb, PbS). Напівпровідникові властивості речовини мають у кристалічному стані, а деякі з них – як, наприклад, названі раніш, зберігають ці властивості в аморфному стані, і навіть в рідкому, але поблизу точки плавлення.
Можна запропонувати декілька означень для напівпровідникових матеріалів. Для лабораторної роботи, що виконується, найбільш інформативним буде таке означення: напівпровідники – це такі речовини, які у хімічно чистому стані мають концентрацію вільних носіїв заряду порядку і, що дуже важливо, концентрація вільних носіїв зростає з температурою.
У хімічно чистому напівпровіднику майже завжди концентрація електронів дорівнює концентрації позитивних носіїв заряду – дірок. Такі напівпровідники називають власними, а їх електропровідність – власною провідністю.
Якщо розчинити у власному напівпровіднику хімічні елементи так, щоб внесені атоми зайняли позиції основних, можна отримати напівпровідники з домішковою провідністю.
Електронна провідність (або n-тип провідності) виникає при внесенні у власний напівпровідник хімічних елементів з більшою валентністю атомів власного напівпровідника. Така процедура називається легуванням. Наприклад, при легуванні чорирьохвалентного германію п'ятивалентним алюмінієм у місці знаходження атома домішки з'являється зайвих вільний електрон – донор. У електронному напівпровіднику концентрація електронів набагато перевищує концентрацію дірок. Наприклад, в германії р. Електрони в напівпровіднику n-типу називаються основними носіями струму, а дірки – неосновними.
Діркова провідність (або p-тип провідності) виникає внаслідок добавляння у власний напівпровідник елементів з меншою валентністю порівняно з атомами власного напівпровідника. Якщо легувати германій домішкою трьохвалентного індію, то на місці домішки виникає електричний заряд, який поводить себе як вільна позитивна частинка, що називається діркою. Під дією зовнішнього електричного поля дірки рухаються до від'ємного полюса, причому звільнене діркою місце займає вільний електрон. Оскільки концентрація дірок у напівпровіднику р-типу набагато більша від концентрації вільних електронів, то вони називаються основними носіями, а електрони – неосновними.
p-n-перехід є не що інше, як перехідний прошарок між двома областями напівпровідника, одна з яких має електропровідність n-типу, а друга – p-типу. Технологічно p-n-перехід утворюється, в одному з кристалів напівпровідника шляхом контрольованого легування різними домішками.
Розглянемо електричні процеси, які мають місце поблизу p-n-переходу. У зв'язку з відмінністю у концентрації дірок та електронів по обидва боки p-n-переходу після його створення деякий час існує напрямлений рух електронів із n- в p-область, а дірок – із p- в n-область. Електрони, що потрапляють через перехід в р-область, заповнюють дірки (рекомбінують), вільні електрон та дірка внаслідок рекомбінації зникають і, таким чином, концентрація дифундуючих електронів в р-області швидко спадає в міру віддалення від р-п-переходу. Аналогічна картина має місце для дірок, що дифундують через перехід в п-область. Зустрічні потоки дірок та електронів через перехід та наступна рекомбінація створюють нескомпеноований заряд іонізованих атомів домішок, які пов'язані з кристалічною граткою. Внаслідок цього поблизу p-n-переходу виникає область об'ємного заряду двох знаків. Поле цих об'ємних зарядів спрямоване проти руху дифузійного потоку дірок та електронів. У результаті в області p-n-переходу встановлюється динамічна рівновага між потоками дифундуючих основних носіїв та величиною об'ємного заряду поблизу p-n-переходу. Рекомбінація носіїв струму поблизу p-n-переходу приводить до утворення прошарку матеріалу, дуже збідненого носіями струму. Ця ділянка матеріалу з дуже малою провідністю називається ще запірним прошарком. Розподіл концентрації електронів та дірок поблизу p-n-переходу показано, на рис. 1.
Рис. 1. Утворення р-n-переходу при контакті електронного напівпровідника з дірковим: а - розподіл у напівпровіднику дірок та електронів () при відсутності контакту; б - розподіл дірок та електронів в p- та n-областях при наявності контакту; в - область об 'ємного електричного заряду
Реально товщина об'ємного заряду становить від кількох до сотень нанометрів. Об'ємний заряд p-n-переходу утворює між p- та n-областями контактну різницю потенціалів, іншими словами, контактну напругу. Контактна напруга залежить від матеріалу напівпровідника та сорту домішок і коливається у межах 0,3...1,0 В.
Крім дифузійного потоку основних носіїв струму, через p-n-перехід існує ще один вид потоку заряджених частинок. Це струм неосновних носіїв заряду - дірок в n-області та електрони в p-області, які генеруються внаслідок теплового руху атомів кристалічної ґратки. Неосновні носії струму, що виникають поблизу p-n-переходу, підхоплюються полем об'ємного заряду і виникає рух електронів із p- в n-область і рух дірок в зворотному напрямку. Струм неосновних носіїв називається тепловим на відміну від дифузійного, що створюється основними носіями. Очевидно, що дри відсутності сторонніх факторів повинна встановлюватися динамічна рівновага між тепловим та дифузійним потоками. Отже, .
Зовнішнє електричне поле, прикладене до n-p-переходу викликав такі процеси:
Зворотна напруга (зворотний напрям). Якщо до n-області прикласти "+", а до p-області "-" (рис. 2), то зовнішнє електричне поле додається до поля об'ємного заряду так, що вони мають один напрям. У цьому випадку потенціали додаються і енергетичний бар'єр між p- та p-областями збільшується, тобто . Під впливом електричного поля основні носії відтягуються від n-p-переходу всередину матеріалу і ширина запірного прошарку зростає.
Рис. 2. Схема вмикання p-n-переходу в зворотному напрямку
Залежність струму основних носіїв від напруги на p-n-переході можна отримати, виходячи із таких міркувань. У найпростішому випадку:
де - концентрація носіїв заряду;- величина заряду; - рухливість носіїв заряду; - напруженість електричного поля.
У реальних умовах струм основних носіїв через p-n-нерехід буде відзначатися, головним чином, концентрацією заряджених частинок: в області p-n-переходу, оскільки рухливість носіїв заряду слабо залежить від напруженості поля. Розглядаючи p-n-перехід як своєрідний потенціальний бар'єр, отримаємо на підставі розподілу Больцмана для концентрації носіїв заряду в області p-n-переходу
де - концентрація носіїв всередині напівпровідника; - потенціальна енергія заряджених частинок в області p-n-переходу. Тому дифузійний струм основних носіїв через p-n-перехід
,
де - константа, що залежить від матеріалу та характеру p-n-переходу; k - стала Больцмана; U - зовнішня напруга; Т – абсолютна температура.
Величинупозначимо через і отримаємо
Очевидно, що , якщо U = 0. Дифузійний струм дуже Швидко прямує до нуля при зростанні U. Так, при Т = 300 К і U = І B, практично .
Розглянемо тепер роль неосновних зарядів. У зв'язку з тим, що напруженість поля всередині p-n-переходу, створена контактною різницею потенціалу, надзвичайно велика (105...106 В/м), рухливість неосновних носіїв практично, не залежить від прикладеної зовнішньої напруги. Струм неосновних носіїв буде визначатися виключно температурою, оскільки концентрація неосновних носіїв залежить від температури. Струм неосновних носіїв, або тепловий дорівнює дифузійному при відсутності зовнішніх факторів. Отже,
Тому загальний струм через перехід
(ділянка 0-А на рис. 4).
Пряма напруга (прямий напрямок). У цьому випадку додатний полюс зовнішнього джерела під'єднуеться до p-області, а від'ємний - до n-області. Зовнішнє поле спрямоване назустріч полю об'ємного заряду (рис. 3).
Рис. 3. Схема включення p-n-переходу в прямому напрямку
Тепер потенціальний бар'єр на межі p-n-переходу зменшується, дифузія основних носіїв через перехід полегшується. Зменшується також товщина запірного прошарку, що збільшує його провідність. Залежність струму від напруги має вигляд:
Повний струм через перехід
Пробій p-n-переходу. Прикладання великої оберненої напруги до p-n-переходу може викликати пробій переходу.
Зустрічаються три типи пробою:
тепловий;
тунельний;
ударна іонізація.
Рис. 4. p-n-перехід ВАХ
Тепловий пробій можливий, коли кількість теплоти, що виділяється в результаті проходження струму, більша від кількості теплоти, яке відводиться від переходу. Зростання температури напівпровідника сприяє збільшенню концентрації неосновних носіїв, тобто, зворотного струму. У свою чергу, збільшення зворотного струму приводить до подальшого розігрівання напівпровідника, процес наростає лавиноподібно і, як наслідок, наступає пробій.
Тунельний пробій пов'язаний з можливістю при достатньо високій зворотній напрузі тунельного проходження електронів з валентної зони діркового напівпровідника в зону провідності електронного. В основі тунельного пробою лежить так званий тунельний ефект. Це явище в класичній фізиці не має аналога і може бути пояснене тільки з точки зору, квантової механіки. Суть-його полягає у тому, що електрон, який мав енергію, меншу за висоту потенціального бар'єру, може все-таки "просочитися" через потенціальний бар'єр. Електрон немовби користуеться своєрідним тунелем, щоб проникнути через бар'єр, не піднімаючись над його рівнем.
Пробій ударної іонізації виникав у тому випадку, коли електрони при зіткненні з атомами мають енергію, достатню для іонізації, атома. Ударна іонізація характерна для напівпровідників з великою довжиною вільного пробігу і малим питомим опором.
Пробій p-n-переходу завжди розвивається лавиноподібно. При неконтрольованому процесі можливе руйнування p-n-переходу, наприклад, внаслідок локального розплавлений напівпровідника в зоні переходу. У деяких випадках шляхом обмеження зворотного струму ділянку пробою використовують як робочу ділянку приладів для стабілізації напруги.
Властивості р-n-переходу, що розглядалися, широко застосовуються в електронному та напівпровідниковому приладобудуванні. На основі p-n-переходів створені численні прилади: діоди, тріоди, тиристора і т.п. Практично вся сучасна мікроелектроніка базується на створенні комбінацій з p-n-переходів та використанні їх чудових властивостей.
Таблиці результатів вимірювань:
Пряма напруга
0
0,5
0,6
0,65
0,7
0
6
17
26
45
Зворотня напруга
0
2
4
6
8
10
12
0
40
76
105
150
190
230
Графік ВАХ діода в координатах I=f(U) Графік ВАХ діода в координатах ln I=f(U)
Осцилограма схеми “зміний струм” Осцилограма “схеми І”
Осцилограма “схеми ІІ”
Графік ВАХ діода в координатах I=f(Uзв) Графік ВАХ діода в координатах ln I=f(Uзв)
Осцилограма роботи стабілітрона
Висновок:
На даній лабораторній роботі я ознайомився із застосуванням кристалічного діода в ролі випрямляча та стабілізуючого пристрою, отримав його вольт-амперну характеристику.
Ділись своїми роботами та отримуй миттєві бонуси!
0%
Оголошення від адміністратора