Читать онлайн «Физика твердотельных структур: Учебное пособие»

Федеральное агентство по образованию Физика твердотельных структур Учебное пособие для вузов Составители: Лукин Анатолий Николаевич Тутов Евгений Анатольевич Воронеж 2007  2 Утверждено Научно-методическим советом физического факультета 27 марта 2007 г. , протокол № 3. Рецензент зав. кафедрой физики полупроводников и микроэлектроники, доктор физико-математических наук, профессор Бормонтов Евгений Николаевич Учебное пособие подготовлено на кафедре физики твердого тела и нано- структур физического факультета Воронежского государственного уни- верситета. Рекомендовано для студентов физического факультета дневной формы обучения Для специальности: 010409 – Физика твердого тела  3 1. Работа №1. Изучение свойств электронно-дырочного перехода Цель работы – изучение физики работы электронно-дырочного перехода при различных температурах на примере плоскостного диода. 1. 1. Основные определения Полупроводниковый диод – это прибор с одним выпрямляющим электрическим переходом и двумя внешними выводами, в котором исполь- зуется то или иное свойство выпрямляющего перехода. В качестве послед- него в полупроводниковых диодах могут быть электронно-дырочный пе- реход, гетеропереход или контакт металл – полупроводник. Обычно полупроводниковые диоды имеют несимметричные элек- тронно-дырочные переходы. Поэтому при прямом включении диода коли- чество неосновных носителей, инжектированных из сильнолегированной области в слаболегированную область, значительно больше, чем количест- во неосновных носителей, переходящих в противоположном направлении. В соответствии с общим определением, область полупроводникового дио- да, в которую происходит инжекция неосновных для этой области носите- лей, называют базой диода. Таким образом, в диоде базовой областью яв- ляется слаболегированная область. Характеристической длиной для диода является наименьшая из двух величин, определяющая свойства и характеристики диода: диффузионная длина неосновных носителей в базе или толщина базы. Плоскостным называют диод, линейные размеры которого, опреде- ляющие площадь выпрямляющего перехода, значительно больше характе- ристической длины. Точечным называют диод, у которого линейные размеры, опреде- ляющие площадь выпрямляющего перехода, значительно меньше характе- ристической длины. 1. 2. Потенциальный барьер в p-n переходе Рассмотрим процесс установления термодинамического равновесия в несимметричном p-n переходе с резким изменением типа проводимости на границе и получим выражение для контактной разности потенциалов. Обозначим концентрацию дырок в дырочной области рр, концентра- цию электронов в электронной области nn (основные носители), концен- трацию дырок в электронной области pn, концентрацию электронов в ды- рочной области np (неосновные носители), толщину области объемного за- ряда d, площадь p-n перехода S. В невырожденных, но достаточно сильно легированных полупро- водниках концентрации электронов в полупроводниках n – типа и дырок в  4 полупроводниках p – типа велики по сравнению с собственной концентра- цией носителей ni: nn >> ni, рр >> ni (*) Из уравнения электронейтральности ( p + N ∂* ) − (n + N a* ) , где N ∂* – число дырок на донорных уровнях, N a* – число электронов на акцепторных уров- нях, для полупроводников p – и n – типа, содержащих соответственно только донорные атомы с концентрацией Nд или акцепторные с концен- трацией Na следует: nn = Nд + рn, (**) рр = Na + np В этих равенствах учтено, что в рабочем диапазоне температурные примесные атомы, образующие мелкие уровни в запрещенной зоне, как, например, атомы III и V групп Периодической системы в Ge и Si, практи- чески полностью ионизированы.