Визначення дифузійної довжини неосновних носіїв заряду

Назва роботи: Визначення дифузійної довжини неосновних носіїв заряду

Предметна область: Фізика

Опис: Визначення дифузійної довжини засноване на вимірі просторового розподілу концентрації нерівноважних носіїв порушених світлом. Дифузійна довжина неосновних носіїв заряду. Частина зразка l x 0 висвітлюється слабо поглинається світлом так що відбувається рівномірна генерація нерівноважних носіїв заряду у всьому обсязі освітленій області зразка n0  p0 рис.

Розмір файлу: 231 KB

Роботу скачали: 27 чол.

Лабораторна робота № 16

Визначення дифузійної довжини неосновних носіїв заряду

Мета роботи: Визначення дифузійної довжини і часу життя неосновних носіїв заряду. Визначення дифузійної довжини засноване на вимірі просторового розподілу концентрації нерівноважних носіїв порушених світлом.

Вимірювання проводяться на зразках кремнію з досить малою концентрацією легуючої домішки при кімнатній температурі.

Дифузійна довжина неосновних носіїв заряду.

Є напівпровідник n-типу провідності (n 0 >> p 0), товщина якого значно менше його довжини. Частина зразка (- l

Визначення дифузійної довжини неосновних носіїв заряду

Рис.1. Схематичне зображення вимірюваного зразка

У слабких електричних полях виконується умоваквазінейтральності  n   p і розподіл концентрації надлишкових носіїв може бути знайдено в результаті рішення рівняння біполярної дифузії. У стаціонарному стані (dp / dt = 0) для неосвітленій області напівпровідника n-типу провідності маємо:

d 2 ( p) / dx 2 # 150; ( p E / D p) * d ( p) / dx # 150; ( p / D p ) = 0,

Таким чином, в області тіні по обидві сторони від освітленій області зразка концентрація надлишкових носіїв заряду спадає за експоненціальним законом з постійними спаду L 1 і L 2. За відсутності електричного поля (LE = 0), коли має місце тільки дифузія носіїв заряду, експоненціальне спад концентрації носіїв заряду визначається лише величиною LD = (D p ) 1/2. яка називається дифузійної довжиною неосновних носіїв заряду (в даному випадку # 150; дірок). Дифузійна довжина є середня відстань, яке носії заряду проходять під дією дифузії за час життя, тобто до моменту рекомбінації.

При наявності електричного поля з напруженістю E постійні спаду L 1 і L 2 відрізняються від дифузійної довжини L D і в залежності від напрямку електричного поля можуть бути більше або менше L D.

При E> 0 L 2> L D> L 1; при E <0 L 2

Визначення дифузійної довжини неосновних носіїв заряду

Величини L 1 і L 2 називають "дифузійної довжиною вздовж поля" і "дифузійної довжиною проти поля". На рис.2 представлені розподілу нерівноважних носіїв заряду в відсутності і при наявності електричного поля. Так як під час вирішення завдання передбачалося виконання умови квазінейтральності, то зображені на рис.2 розподілу справедливі і для електронів і для дірок.

Ріс.2..Распределеніе нерівноважних носіїв уздовж зразка

Для визначення дифузійної довжини L D треба виміряти розподіл концентрації нерівноважних носіїв заряду вздовж напівпровідникового зразка. Можна, однак, вимірювати надмірну концентрацію  n (x) або  p (x), а будь-яку пропорційну їй величину, тобто виконати відносні вимірювання надлишкової концентрації. Для цього можна використовувати будівник контакт, який являє собою p - n перехід з розмірами L k <

Для виділення тієї частини струму колектора, яка зобов'язана дійшли до нього нерівновагим носіям, застосовується модульоване в часі (імпульсна) освітлення напівпровідника. Тривалість і частота проходження імпульсів підбираються так, щоб концентрація нерівноважних носіїв досягала, по-перше, сталого значення протягом імпульсу освітлення, а, по-друге, встигала спадати до нуля в інтервалі між двома сусідніми імпульсами. Обидва цих умови виконуються, якщо тривалість імпульсу і інтервал між двома сусідніми імпульсами в кілька разів перевищують середній час життя неосновних носіїв в напівпровіднику.

Після експериментального підбору тривалості імпульсів і періоду їх слідування можна виміряти амплітуду модульованої частини струму через колекторний контакт (тобто амплітуду напруги на з'єднаному послідовно з p - n переходом вимірювальному опорі R вим).

Судження про розподіл нерівноважних носіїв заряду за межами освітленій області зразка можна отримати, вимірявши залежність амплітуди імпульсу напруги на опорі R вим  U від відстані межу колекторним p - n переходом і краєм освітленій області x.

Виміряна напруга  U пропорційно концентрації нерівноважних носіїв заряду поблизу колекторного контакту. З рівнянь (6) і (8) при E = 0 випливає, що

Блок-схема макета установки представлена ​​на рис.3. Об'єктом вимірювань служить частина кремнієвої пластини зі сформованими в її поверхневому шарі локальними дифузійними p - n переходами.

Підключення p - n переходу, службовця колекторним контактом для неосновних носіїв заряду, до вимірювального стенду здійснюється за допомогою зондового пристрою, один з зондів якого контактує з p-області p - n переходу, а інший # 150; з металізованої поверхнею столу. Імпульси з виходу генератора подаються через обмежувальний резистор на напівпровідниковий лазер, укріплений на штативі над зразком. Резистор R огр обмежує струм через напівпровідниковий лазер, оберігаючи його від виходу з ладу. Імпульси напруги, що подаються на лазер, можуть бути проконтрольовані на екрані осцилографа. Сінхроімпульс з виходу генератора підключений до входу зовнішньої синхронізації осцилографа.

До p - n переходу прикладається зворотне зміщення від джерела ТЕС-14 (або іншого) близько 1 # 150; 2 В. Імпульси струму в ланцюзі колекторного контакту, що виникають при освітленні зразка імпульсним світлом, перетворюються в імпульси напруги  U на вимірювальному опорі R зм і спостерігаються на екрані осцилографа. Ця напруга  U пропорційно концентрації нерівноважних носіїв поблизу колектора.

Порядок виконання роботи

  1. Увімкніть осцилограф, генератор і джерело напруги і дайте їм прогрітися протягом 30 хв.
  2. Підключіть вихід синхроимпульса генератора до гнізда блоку синхронізації осцилографа, встановіть перемикач на блоці синхронізації в положення «ВНЕШ. 1: 1 ».
  3. Встановіть наступні параметри вихідного імпульсу за допомогою органів управління генератора:
  • період повторення імпульсів # 150; не менш як 300 мкс;
  • тривалість імпульсів # 150; близько 10 мкс;
  • амплітуда імпульсів # 150; 20 В.
  1. Встановіть органи управління осцилографа в положення, відповідні, параметрам подаються імпульсів.
  2. Підключіть вихід генератора до входу осцилографа і добийтеся появи на екрані осцилографа стійкої осцилограми імпульсів напруги.
  3. Вимкніть напругу на виході генератора. Вимкніть вхід осцилографа від виходу генератора і з'єднайте блоки макета вимірювальної установки відповідно до блок-схемою.

Примітка. початкові установки (пункти 1 # 150; 5) вже можуть бути зроблені до початку роботи, тому необхідно перевірити їх виконання.

  1. Увімкніть напругу на виході генератора. Збільшуючи амплітуду імпульсів напруги, що подаються на напівпровідниковий лазер, добийтеся появи світлового плями на поверхні пластини.
  2. Переміщаючи за допомогою мікрометричного гвинта зразок з p - n переходом щодо світлового променя, добийтеся появи на екрані осцилографа стійкої осцилограми імпульсів напруги на резисторі R вим. Момент збігу світлового плями з p - n переходом визначається за максимальним значенням напруги  U.
  3. Виміряйте розподіл амплітуди імпульсу  U по відстані від p - n переходу, переміщаючи за допомогою мікрометричного гвинта зразок з p - n переходом так, щоб світлова пляма віддалялося від p - n переходу. Результати вимірювань запишіть в наступну таблицю.


Таблиця результатів вимірювань

Для розрахунку дифузійної довжини введіть у комірку B 5 значення шкали мікрометричного гвинта в розподілах, відповідне попаданню світлового плями на p - n-перехід, тобто максимального значення напруги  U. Потім введіть в комірки D 7 # 150; D 16 виміряні значення  U. а в осередку B 7 # 150; B 16 відповідні їм значення шкали мікрометричного гвинта l (в розподілах). Exel розрахує відхилення (в мм) світлової плями від p - n-переходу x (в осередках C 7 # 150; C 16 і F 7 # 150; F16) ln ( U) (в осередках E 7 # 150; E 16 і G7 # 150; G16), побудує графік залежності ln ( U) = f (x) і апроксимує його прямою лінією.

Визначте інтервал значень x. в якому частина цього графіка можна вважати відрізком прямої і видаліть в шпальтах F і G значення x і  U. відповідні точкам, які не лежать на цій прямій. На графіку залишилися точки будуть з'єднані відрізком прямої. Рівняння цієї прямої і коефіцієнт регресії наведені в рамці на графіку.

В осередку H 8 розділіть 1 (одиницю) на коефіцієнт a при x і отримаєте значення дифузійної довжини в L D в мм. За певної величини дифузійної довжини і значенням рухливості розрахуйте за формулою (10) час життя неосновних носіїв заряду в слаболегірованних області зразка .

  1. Короткий конспект опису лабораторної роботи, що містить блок-схему макета вимірювальної установки і методику визначення дифузійної довжини.
  2. Параметри імпульсу напруги на виході генератора: амплітуда U [В], тривалість  [мкс] і період T [мкс]; значення зворотної напруги на p - n перехід.
  3. Масштаби по осях x [мкс / справ] і y [В / справ] осцилографа.
  4. Таблицю результатів вимірювань і результати розрахунку дифузійної довжини і часу життя неосновних носіїв.
  1. Дати визначення дифузійної довжини і часу життя неосновних носіїв заряду. Зв'язок між дифузійної довжиною, часом життя і рухливістю.
  2. Що таке дифузійна довжина неосновних носіїв заряду і як вона залежить від електричного поля в напівпровіднику? Фізичний сенс дифузійної довжини.
  3. Використана в роботі методика визначення дифузійної довжини неосновних носіїв заряду. Блок-схема вимірювальної установки.
  4. Пояснити розподіл нерівноважних носіїв заряду уздовж зразка при висвітленні його світлом під час відсутності електричного поля і з полем.
  5. Розрахувати для германію n-типу провідності диффузионную довжину неосновних носіїв заряду і дифузійні довжини «по полю» і «проти поля» за таких умов:

 n = 3800 см 2 / Вс,  p = 1800 см 2 / Вс,  n = 10 мкс,  p = 8 мкс, E = 1В / см, T = 20  C.

  1. Розрахувати для кремнію p-типу провідності диффузионную довжину неосновних носіїв заряду і дифузійні довжини «по полю» і «проти поля» за таких умов:

 n = 1300 см 2 / Вс,  p = 480 см 2 / Вс,  n = 20 мкс,  p = 18 мкс, E = 1В / см, T = 20  C.

  1. Вивести співвідношення Ейнштейна.

Схожі статті