2. Отчет по работе

Так как заполнение таблиц бланка отчета производится в процессе выполнения работы, то оформление отчета включает в себя построение графиков и осциллограмм, расчет необходимых величин и выводы по работе. Оформление отчета производится в соответствии с разделом «Указания к составлению отчета», имеющимся в описании каждой лабораторной работы.

При записи электрических величин (в таблицах, на осях координат и др.) кроме их обозначений необходимо написать единицы измерения, например: I_К, мА; U_КЭ,В; R_i,Ом и т.д.

При построении графиков следует рационально выбирать масштабы по координатным осям так, чтобы наиболее полно использовать всю площадь графика. Цифры масштаба должны быть расставлены вдоль координатных осей через равные промежутки. На график необходимо наносить реальные значения величин (четко обозначенные точки), полученные в результате эксперимента. Результирующая кривая, построенная по этим точкам, должна иметь монотонный характер и проходить через большинство точек, но не обязательно через каждую точку. Общий вид кривой должен соответствовать реальной характеристике исследуемого прибора.

При выполнении числовых расчетов надо написать формулу, сделать численную подстановку и произвести вычисления, а не писать сразу готовый результат, например:

Оформление отчета и его защита производится индивидуально каждым студентом в часы, отведенные на выполнение данной работы. Как исключение допускается защита лабораторных работ на консультации для отстающих студентов. До начала следующей работы должны быть защищены все выполненные ранее лабораторные работы. Студенты, защитившие все лабораторные работы по мере их выполнения, получают зачет по курсу «Электроника».

Лабораторная работа №1 Исследование полупроводникового диода

Цель работы: изучение устройства полупроводникового диода, физических процессов, происходящих в нём; исследование характеристик и параметров полупроводниковых диодов.

Подготовка к лабораторной работе

Изучить следующие вопросы курса:

1. Электрические свойства полупроводников. Собственные и примесные полупроводники

2. Электронно-дырочный переход и его характеристики. Прямое и обратное включение p-n перехода.

3. Вольт-амперная характеристика и параметры полупроводникового диода

4. Типы полупроводниковых диодов, их особенности и характеристики.

Краткая теория

Полупроводниковый диод - это электронный прибор, представляющий собой контакт двух полупроводников с различным типом проводимости р и n.

Вольтамперная характеристика идеализированного р-п перехода, представляющая собой зависимость тока I от приложенного к переходу напряжения V имеет вид:

. (1)

В этих формулах - сумма плотностей тока, S – площадь перехода .

Предэкспоненциальный множитель в (1)

(2)

называют током насыщения р-п перехода или обратным тепловым током. Как вытекает из (2), ток насыщения определяется концентрацией неосновных носителей тока, что обуславливает малое значение тока насыщения и его сильную зависимость от температуры.

При прямом смещении , что обеспечивается подачей на полупроводниковый диод прямого напряжения ( ), как следует из (1), ток через р-п переход будет расти по экспоненциальному закону с ростом напряжения. При обратном смещении ( )ток стремится к току насыщения. При обратном смещении через полупроводниковый диод протекает весьма незначительный обратный ток i_обр (I<0) величина которого у германиевых полупроводниковых диодов имеет порядок 10^-5-10^-8 А, а у кремневых 10^-9-10^-12 А.

Таким образом, р-п переход характеризуется односторонней проводимостью. На явлении односторонней проводимости р-п перехода основана работа выпрямительных, универсальных и некоторых СВЧ диодов.

На рисунке 1 приведены вольтамперные характеристики идеализированного р-п перехода, изготовленного из германиевого (1) и кремниевого (2) полупроводников.

Величина прямого напряжения, при которой начинает протекать значительный прямой ток, называется пороговым . Как видно из рисунка, пороговое напряжение кремниевого р-п перехода больше чем германиевого: и . Это обусловлено большей шириной запрещенной зоны кремния чем германия. Концентрация собственных носителей, а вместе с ним и концентрация неосновных носителей тока на основе закона действующих масс, в германии на несколько порядков больше чем в кремнии. Поэтому обратные токи в германиевых р-п переходах также значительно выше чем в кремниевых .

Если степень легирования р- и п- областей р-п перехода примерно одинакова, то такой р-п переход является симметричным и электроны и дырки через р-п переход инжектируются в равной степени. На практике находят применение несимметричные переходы, в которых инжектируются только дырки, если р- область легировано сильнее , или только электроны в противном случае . В несимметричных переходах высоколегированную (низкоомную) область принято называть эмиттером, а низколегированную (высокоомную) область – базой.

Вольтамперная характеристика реального р-п перехода отличается от идеализированной. Это объясняется тем, что при выводе идеализированной вольтамперной характеристики (1) не учитывались целый ряд факторов. Эти факторы обуславливают отличие как прямой, так и обратной ветвей вольтамперной характеристики реального р-п перехода от идеализированной.

Прямая вольтамперная характеристика реального р-п перехода

На вид реальной вольтамперной характеристики р-п перехода в прямом направлении влияют три фактора: 1) явление рекомбинации носителей тока в запорном слое; 2) распределенное сопротивление базы, т.е. объемное сопротивление высокоомной области базы и 3) модуляция сопротивления базовой области при высоких уровнях инжекции. Рассмотрим эти явления подробнее.

В области р-п перехода в реальных условиях протекают дополнительные токи за счет генерационно-рекомбинационных процессов, не учтенных при теоретических расчетах. В условии равновесия токи, возникающие за счет рекомбинации и генерации, равны друг другу и противоположно направлены и ток через переход остается равным нулю. При прямом смещении из-за инжекции основных носителей в области перехода резко возрастают концентрации неравновесных электронов и дырок. Это приводит к росту вероятности их рекомбинации и, тем самым, роста рекомбинационного тока. Рекомбинационный ток накладывается на инжекционный ток и вызывает рост прямого тока. Однако с ростом прямого напряжения вклад рекомбинационного тока в общий ток уменьшается и ток через переход определяется только током инжекции (рис.2,а)

С учетом рекомбинационного тока уравнение вольтамперной характеристики можно записать в виде:

(3)

где m – коэффициент неидеальности, который может принимать значения от 1 до 2. В случае преобладания инжекционной составляющей прямого тока m =1, а при преобладании генерационной составляющей m = 2.

При выводе вольтамперной характеристики предполагается, что все внешнее напряжение приложено к р-п переходу. В реальных несимметричных р-п переходах сопротивление базовой области может быть сравнимой с сопротивлением р-п перехода. Это приводит к перераспределению приложенного внешнего напряжения между р-п переходом и базовой областью: . Таким образом, к р-п переходу приложено только часть внешнего напряжения , что приводит к уменьшению прямого тока: вольтамперная характеристика смещается вправо (рис.2,а).

Вольтамперная характеристика реального р-п перехода с учетом сопротивления базы примет вид:

. (4)

При малых токах I влиянием сопротивления базы можно пренебречь. Однако с ростом прямого тока падение напряжения на р-п переходе уменьшается, а падение напряжения на сопротивлении базы увеличивается и при больших прямых токах ток может определяться только сопротивлением базовой области. При этом вольтамперная характеристика р-п перехода практически становится линейной (омический участок) (см. рис. 2,а). Необходимо учесть, что из-за наличия сопротивления базы и падения напряжения на нем ухудшается выпрямляющее свойство р-п перехода и возрастает мощность, рассеиваемая на переходе.

Рост прямого тока вызывает рост инжектированных неосновных носителей в базовую область и их концентрация может стать сравнимой с концентрацией основных носителей, что противоречит условиям при выводе идеализированной вольтамперной характеристики. Это приводит к уменьшению сопротивления базы и, тем самым, уменьшению падения напряжения на нем и некоторому росту прямого тока. Вольтамперная характеристика при этом откланяется влево. Это явление называется эффектом модуляции сопротивления базы.

Обратная вольтамперная характеристика реального р-п перехода

Величина обратного тока в реальных р-п переходах отличается от расчетной также за счет трех факторов: 1) из-за тока термогенерация в запорном слое перехода; 2) из-за поверхностных токов утечки на переходе и 3) из-за явления пробоя перехода при больших напряжениях.

При обратном напряжении на р-п переходе возрастает его ширина и высота потенциального барьера. Рекомбинационный ток практически равен нулю, так как инжекция носителей тока не происходит. Зато за счет расширения обедненного слоя возрастает вероятность генерации электронно-дырочной пары. Такая генерация может происходить за счет переброса электронов из валентной зоны в зону проводимости как через запрещенную зону полупроводника в области перехода, так и за счет переброса через локальные уровни, что более вероятно. Возникающие при генерации свободные дырки и электроны разделяются электрическим полем перехода так, что электроны переводятся в п- область, а дырки в р- область, создавая дополнительный обратный ток . Расчеты показывают, что этот ток прямо пропорционально объему р-п перехода и скорости тепловой генерации собственных носителей Qi

где - ширина р-п перехода при обратном смещении, - ширина р-п перехода в отсутствии внешнего напряжения.

В реальных р-п переходах из-за технологических особенностей граница перехода обязательно выходит на поверхность. Как известно, на поверхности полупроводника возникают поверхностные состояния за счет различных факторов. В связи с этим состояние поверхности оказывает влияние на вид реальной ВАХ-ки р-п перехода. Это влияние особенно сильно сказывается на обратных токах из-за его малой величины. Поверхностные заряды, имеющиеся на поверхностных состояниях, и возможные загрязнения поверхности приводит к образованию каналов проводимости между областями р-п перехода и протекания токов утечки Ток утечки растет линейно с напряжением и может даже превышать ток генерации. Таким образом, при обратных напряжениях на переходе величина обратного тока составит:

.

На рисунке 2,б приведены вольтамперные характеристики обратной ветви р-п перехода с учетом рассмотренных факторов.

При больших обратных напряжениях возможен пробой р-п перехода, что приводит к резкому росту обратного тока. Пробой р-п перехода играет важную роль в работе ряда полупроводниковых приборов, например, в стабилитронах, поэтому это явление рассмотрим более подробно.

При больших обратных напряжениях наблюдается электрический пробой в кремниевых р-n переходах, который обусловлен лавинным размножением носителей тока или туннельным их прохождением через р-n переход. Явление электрического пробоя используется для создания стабилитронов.

С табилитроном называется полупроводниковый диод, на обратной ветви вольтамперной характеристики которого имеется участок с сильной зависимо­стью тока от напряжения (рис. 1.2.), т.е. с большим значением крутизны I/U.

Напряжение стабилизации U_ст равно напряжению пробоя p–n–перехода при некотором заданном токе стабилизации I_ст. Стабилизирующие свойства характеризуются дифференциальным сопротивлением стабилитрона

r_д= U/I, (1.2)

которое должно быть как можно меньше. Температурная зависимость напряжения стабилизации характеризуется температурным коэффициентом напряжения

_ст=(dU_ст/dT)U^-1, (1.3)

где dU_ст и dT – изменение напряжения и температуры.

Промышленностью выпускаются стабилитроны с параметрами: U_ст от 1,5 до 180 В, токи стабилизации от 0,5 мА до 1,4 А; _ст от 0,05 до 0,15%К; r_д от долей и единиц ома (у мощных стабилитронов) до сотен и даже тысяч Ом (у высоковольтных маломощных стабилитронов). Особую группу составляют прецизионные стабилитроны, имеющие _ст до 0,0005 %К, т.е. в сотни раз ниже, чем обычные. Их используют в качестве источников опорного напряжения. Прецизионные стабилитроны представляют собой три р-n перехода, два из которых включены в прямой направлении, а третий работает в режиме лавинного пробоя.

Выпускаются также двуханодные стабилитроны, служащие для стабилизации разнополярных напряжений и представляющие собой встречно включённые p–n–переходы.

Для стабилизации малых напряжений (0.6-1,5 В) используется прямая ветвь ВАХ-ки диода. Такие приборы называются стабисторами и они изготавливаются из высоколегированных полупроводников.