- •Физические основы электроники
- •2. Краткие теоретические сведения
- •3. Методические указания по выполнению лабораторной работы
- •4. Содержание отчета
- •5. Контрольные вопросы
- •Лабораторная работа № 2 исследование металло-полупроводниковых переходов
- •1. Цель работы
- •2. Краткие теоретические сведения
- •3. Методические указания по выполнению
- •4. Содержание отчета
- •5. Контрольные вопросы
- •Лабораторная работа № 3 полупроводниковые диоды и их компьютерные модели
- •Цель работы
- •Краткие теоретические сведения
- •3. Методические указания по выполнению лабораторной работы
- •4.Содержание отчёта
- •Контрольные вопросы
- •Лабораторная работа № 4 исследование мдп–структуры
- •1. Цель работы
- •2. Задание
- •3. Краткие теоретические сведения
- •4. Методические указания по выполнению работы
- •5. Содержание отчёта
- •6. Контрольные вопросы
- •Лабораторная работа № 5 исследование биполярного транзистора
- •1. Цель работы
- •2. Краткие теоретические сведения.
- •3. Методические указания по выполнению работы
- •4. Содержание отчёта
- •5. Контрольные вопросы
- •Лабораторная работа № 6 Особенности применения биполярных транзисторов и их компьютерного моделирования
- •1. Цель работы
- •2. Краткие теоретические сведения
- •3.Методические указания по выполнению работы
- •4. Содержание отчёта
- •5. Контрольные вопросы
ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО СВЯЗИ
Федеральное государственное образовательное бюджетное учреждение
высшего профессионального образования
МОСКОВСКИЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ СВЯЗИ И ИНФОРМАТИКИ
Кафедра электроники
ПРАКТИКУМ № 1
по курсу
Физические основы электроники
Москва 2015
План УМД на 2014/2015 уч. г.
ПРАКТИКУМ № 1
по курсу
ЭЛЕКТРОНИКА
Составители: В.П. Власов, к.т.н., доцент,
В.Н. Каравашкина, к.т.н., доцент
утверждено советом факультета. . . . . . . . . . .
протокол № от
Рецензент Г.С. Берендеева
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №1
ИССЛЕДОВАНИЕ ИДЕАЛИЗИРОВАННОГО Р-N ПЕРЕХОДА
1. Цель работы
Целью настоящей работы является определение основных характеристик идеализированного р-n перехода. Исходными данными являются параметры конструкции: тип полупроводника, концентрация примесей, площадь р-n перехода. Определяются следующие характеристики идеализированного р-n перехода в отсутствие внешнего напряжения:
– контактная разность потенциалов;
– толщина;
– тепловой ток (ток насыщения);
– напряжение и тип пробоя;
– барьерная ёмкость.
2. Краткие теоретические сведения
P-n переход является одним из самых распространенных видов контактов, используемых в электронике. Его главным свойством является односторонняя проводимость, т.е. способность хорошо проводить ток только при одной полярности приложенного напряжения (прямое напряжение). При обратном напряжении ток на несколько порядков меньше.
В идеальном случае p-n переход представляет собой контакт однородных полупроводников p и n типа. Как правило, одна из областей имеет намного более высокую концентрацию донорной примеси Nд или акцепторной примеси Nа. Такие переходы называют асимметричными, их сильнолегированную область – эмиттером, слаболегированную – базой. Сильнолегированную область обозначают n+ или p+ :
Nд>>Nа Nа>>Nд
база эмиттер эмиттер база
p n+ p+ n
На границе p и n областей существуют значительные градиенты концентрации свободных электронов и дырок dn/dx и dp/dx. Поэтому в p-n переходе даже в отсутствие внешнего напряжения происходит диффузия основных носителей в смежную область, т.е. наблюдается диффузионный ток основных носителей. Переход основных носителей в смежную область, где они становятся неосновными, приводит к рекомбинации и, поэтому, к уменьшению концентрации основных носителей. В результате в приграничных областях концентрация свободных электронов и дырок низкая, образуется обедненный слой. Заряды ионов примесей в нём остаются нескомпенсированными. Нескомпенсированные ионы примесей в приграничных областях являются здесь наиболее количественно значимыми зарядами. Эти заряды создают собственное электрическое поле p-n перехода.
Собственное электрическое поле p-n перехода – тормозящее для диффундирующих основных носителей (образует потенциальный барьер). Это же поле вызывает встречный дрейф неосновных носителей, т.е. встречный дрейфовый ток. Возникает устойчивое равновесие диффузионного и дрейфового токов, в результате чего тока во внешней цепи нет. Выравнивания концентраций, как это было бы, например, при диффузии газов, не происходит.
Собственное электрическое поле p-n перехода характеризуют контактной разностью потенциалов k0. В идеализированном p-n переходе
NANД
k0 = T ln ––––– , (1)
ni2
где T – термический потенциал, NA, NД – концентрации примесей, – собственная концентрация:
, (2)
где NC, NV – эффективные плотности состояний, З – ширина запрещенной зоны.
Величинаk0примерно соответствует Uпр, при котором электрическое поле перехода исчезает и перестает препятствовать протеканию большого диффузионного тока (прямого тока Iпр). Типичные значенияk0= 0,3 ... 1,5 В.
Протяженность приграничных областей с нескомпенсированными ионами примесей называют толщиной p-n перехода w. Для идеализированного p-n перехода
(3)
где εε0 – диэлектрическая проницаемость полупроводника, q – элементарный электрический заряд.
От толщины р-n перехода зависит напряженность поля при обратном напряжении E Uобр/w. Если напряженность превышает критическую Eкр, возникает пробой. Поэтому толщина p-n перехода определяет напряжение пробоя, для увеличения которого одну из областей – базу делают слаболегированной. Типичные значения w = 0,1...2 мкм.
Анализ процессов в идеализированном p-n переходе приводит к так называемой формуле Шокли или теоретической ВАХ:
(4)
где I0 – тепловой ток (ток насыщения), I и U – ток и напряжение перехода. Величина I0 определяет величины Iпр и Iобр не только идеализированного, но и в значительной степени реального p-n перехода. Для идеализированного p-n перехода
, (5)
где D – коэффициент диффузии, S – площадь p-n перехода, L – диффузионная длина, Nб – концентрация примеси в базе. Значения I0 изменяются в больших пределах в зависимости от типа полупроводника, площади, особенностей изготовления и температуры p-n перехода.
В зависимости от толщины p-n перехода в нём возникает лавинный или, в очень тонких p-n переходах, туннельный пробой. Напряжение лавинного пробоя Uпроб.л можно рассчитать по приближенной формуле:
(6)
Напряжение туннельного пробоя Uпроб.т определяется выражением:
(7)
Возникает тот пробой, напряжение которого меньше. При Uпроб.л Uпроб.т характер пробоя – смешанный.
Р-n перехода обладает ёмкостью, т.е. способностью накапливать заряды. Поэтому при изменении внешнего напряжения возникают переходные процессы заряда или разряда этой ёмкости. В результате возникает задержка в процессе установления напряжения и тока, в частности, при отпирании или запирании перехода. Эта задержка определяет быстродействие отдельных элементов и интегральных схем с p-n переходами. Например, при отпирании перехода происходит разряд барьерной ёмкости Cб, от величины которой зависит длительность процесса отпирания. Аналогично проявляет себя диффузионная ёмкость.
Для идеализированного p-n перехода в отсутствие напряжения барьерная ёмкость определяется соотношением
(8)
где S – площадь перехода.
Характеристики реальных p-n переходов оказываются несколько иными из-за влияния сопротивления и неоднородности областей, неидеальности структуры и поверхности полупроводника и других факторов, не учитываемых в идеализированном p-n переходе. Реальные переходы отличаются также намного более сложным влиянием температуры, чем это учитывается в приведённых выше соотношениях. Поэтому исследование реальных p-n переходов является предметом других лабораторных работ.