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
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
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 Примітка. початкові установки (пункти 1 # 150; 5) вже можуть бути зроблені до початку роботи, тому необхідно перевірити їх виконання. 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 . n = 3800 см 2 / Вс, p = 1800 см 2 / Вс, n = 10 мкс, p = 8 мкс, E = 1В / см, T = 20 C. n = 1300 см 2 / Вс, p = 480 см 2 / Вс, n = 20 мкс, p = 18 мкс, E = 1В / см, T = 20 C.
Таблиця результатів вимірювань
Схожі статті