random books / коллектив авторов - Оптика и квантовая физика _ лаб. практикум по физике

8.4 Подготовка к работе

В ходе домашней подготовки к выполнению лабораторной работы студенты знакомятся с теоретической частью (п. 8.5) настоящего методического указания. Кроме того, ими подготавливается бланк отчета по лабораторной работы, содержащей титульный лист (см.: Приложение А); цель работы (п. 8.1); краткое описание экспериментального оборудования (п. 8.2); письменные ответы на контрольные вопросы (п. 8.8) при использовании теоретической части (п. 8.5) и рекомендуемой литературы (п. 8.9).

8.5 Теоретическая часть

8.5.1 Общие сведения Различные части образца полупровод­ никового материала могут обладать как р-проводимостью, так и п- проводимостью (рис. 8.1а). Например, если в одну грань кристалла германия вплавить каплю индия, то область чистого германия будет иметь и-проводимость, а легированая индием - р-проводимость. Между такими областями возникает пограничный слой, через который диффундируют основные носители, стремясь уравнять значения концентрации по обе стороны от границы раздела областей. В результате по обе стороны от нее возникает тонкий слой, в котором почти отсутствуют свободные носители заряда, т.е. - двойной электрический слой, в котором внутреннее электрическое поле Е препятствует дальнейшей диффузии основных носителей заряда.

В условиях равновесия полный ток диффузии должен равняться нулю. Благодаря возникновению двойного электрического слоя, положительные носители заряды возвращаются обратно вр-область, а отрицательные - в «-область. Это означает, что в условиях равновесия в материале «-типа будет меньше положительных носителей, чем в материале р-типа. Соотношение концентраций р-типа в обеих областях будет даваться уравнением:

Больцмана; Т- абсолютная температура материала.

122

Произведение qp-Vp_„ в числителе показателя экспоненты - это энергия, которая требуется, чтобы пронести заряд qp сквозь разность потенциалов Vp.„. Точно такое же уравнение существует и для концентрации носителей «-типа:

Рисунок 8.1—Двойной электрический слой в области контактар- и п-областей полупроводникового материала и концентрация «. - "р-дырок"

и и. -"и-свободных электронов":

а) в отсутствии приложенного напряжения при хаотической диффузия носителей заряда;

б) при приложенном прямом напряжении, когда реализуется прямой электрический ток, рекомбинация носителей заряда в зоне р-п перехода; в) при приложенном обратном напряжении, когда происходит увеличение пространственных размеров двойного электрического слоя и уменьшение концентрации носителей заряда в районе р-п перехода, а обратный ток очень мал.

где: Nn - концентрация «-носителей в полупроводниковом

произведение Nn-Np должно быть для р- и «-областей одним и тем же

(-<?Р= ?п)-

В условиях равновесия токи /0, текущие в обе стороны, будут одинаковыми, вследствие чего выполняется соотношение:

h~ ^pin-область) = Npip-область) exp(-q-Vv_n/кТ) . (8.3)

123

Приложив к р-п переходу внешнюю разность потенциалов ДК(по значению меньше Vp.n) так, чтобы снизить значение потенциала двойного электрического слоя Vp.n - ЛИ, из уравнения (8.3) следует:

h ~ Щ{п-область) = Ыр(р-область) exp[-g(Vp.n - Д V) I кТ\ . (8.4)

Ток /i превосходит ток /0 в ехр(д-ДК / £Т) раз, и связь между ними записывается в виде I\ = I0 exp(q-AV I kT), в итоге ток положительных носителей /, текущий через переход, будет определяться разницей токов в обе стороны:

Уравнения (8.4) - (8.5) описывают процесс диффузии носителей зарядов при малой внешней разности потенциалов. При напряжениях, сравнимых с естественной внутренней разностью потенциалов V (или превышающих ее), в механизм процесса вступают новые явления, и ток уже не подчиняется столь простым уравнениям.

Несмотря на малую толщину р-п перехода (порядка 10" ...10" мм), он имеет большое электрическое сопротивление. Внешнее напряжение изменяет толщину этого слоя. Если положительный полюс источника напряжения соединен с р-областью, а отрицательный - с n-областью (прямое напряжение), то большое число основных носителей диффундирует в пограничный слой, где они рекомбинируют (рис.8.16), уменьшая пространственные размеры двойного электрического слоя. При этом возникает относительно большой прямой электрический ток.

При обратной полярности приложенного внешнего напряжения (обратное напряжение) основные носители покидают пограничный слой (рис. 8.1 в), тем самым еще больше увеличивая пространственные размеры двойного электрического слоя. В рекомбинации участвует лишь небольшое число неосновных носителей заряда и возникает очень слабый обратный электрический ток, р-п переход работает как выпрямитель, пропуская ток только из р-области в и-область. Полупроводниковый прибор с р-п переходом называется диодом. Он служит для выпрямления переменного тока.

Согласно рис.8.\,р-п переход имеет пространственно разделенные заряды, причем толщина двойного электрического слоя и концентрация носителей заряда на р-п переходе изменяются в зависимости от полярности и значения внешнего приложенного электрического потенциала. Поэтому от приложенного напряжения

124

зависит не только проводимость, но и электрическая емкость р-п перехода.

Увеличение потенциального барьера при обратном смещении приводит к увеличению разности потенциалов между р- и п- областями полупроводника и, таким образом, к увеличению их объемных зарядов. Поскольку объемные заряды неподвижны и связаны с ионами доноров и акцепторов, увеличение объемного заряда может быть обусловлено только расширением его области, а следовательно, уменьшением электрической емкости р-п перехода.

При прямом смещении к емкости слоя объемного заряда (так называемой зарядной емкостью) добавляется т.н. диффузная емкость, обусловленная тем, что увеличение напряжения на р-п переходе приводит к увеличению концентрации основных и неосновных носителей заряда, то есть к изменению заряда. Зависимость электрической емкости от приложенного напряжения позволяет использовать р-п переход в качестве параметрического диода (варикапа, варистора) - прибора электрической емкостью которого можно управлять, изменяя напряжение смещения.

8.5.2 Вольт-амперные характеристики диодов (эмпирика).

Вольт-амперные характеристики (ВАХ) диодов представляет собой зависимость тока через диод от приложенного напряжения. На (рис. 8.2.а) представлена примерная характеристика. Участок "прямой ток" соответствует включению диода в прямом, пропускном направлении - прямая ветвь ВАХ, участок "обратный ток" соответствует включению диода в обратном, запорном направлении - обратная ветвь ВАХ.

Рисунок 8.2 - Вольт-амперная характеристика диода:

а) с теоретической зависимостью тока от напряжения согласно уравнению 8.6; б) эмпирический график прямого и обратного тока диода Т=20 °С; кривые, обозначенные "+" и "-" ограничивают примерный "коридор" значений тока при повышенной и пониженной температуре

125

Символом "+" (рис. 8.26) отмечена вольт-амперная характе­ ристика при повышенной температуре окружающей среды, "-" - при пониженной. При повышении температуры прямой и обратный токи увеличиваются. Если через диод протекает постоянный прямой ток, то при изменении температуры падение напряжения на диоде изменяется приблизительно на 2 мВ на каждый 1 °С.

Дифференциальное сопротивление (отношение приращения напряжения к приращению тока) диода в прямом направлении сильно зависит от протекающего тока и уменьшается с увеличением тока. С достаточной точностью можно считать, что для диодов всех типов (независимо от их мощности и размера) дифференциальное сопротивление Ra,„p при прямом токе и температуре +20 °С равно (эмпирическое правило):

где: 1пр -прямой ток; Вар «26-103 Ом -А - эмпирический параметр. Важно отметить, что прямой ток через диод экспоненциально зависит от приложенного прямого напряжения. Прямое напряжение, при котором начинается резкое возрастание прямого тока, зависит от конструкции диода. Оно минимально для германиевых точечных диодов и максимально для кремниевых плоскостных (выпрямительных диодов). Напротив, величина обратного тока слабо зависит от приложенного напряжения. При большом обратном напряжении происходит пробой р-п перехода диода, и ток через диод резко возрастает. Так как размеры р-п перехода малы, выделившееся

тепло обычно приводит к необратимому разрушению диода. Дифференциальное сопротивление диода при обратных

напряжениях очень велико: от нескольких десятков килоом до сотен мегом. При работе на обратной ветви ВАХ. диод часто характеризуется величиной обратного сопротивления RoC)p, равного отношению обратного напряжения к величине обратного тока. Величина R06P резко уменьшается при повышении температуры вследствие сильного увеличения обратного тока. Обратный ток при увеличении температуры на каждые 10 °С, увеличивается в 2 раза у германиевых и в 2.5 раза у кремниевых диодов.

8.5.3 Параметры варикапов (эмпирика). Варикап - это специ­ ально сконструированный диод, емкость которого можно изменять в

126

J

широких пределах. Емкость р-п перехода диода зависит от приложенного напряжения. С увеличением обратного напряжения эта емкость уменьшается по закону:

где: C{U) - емкость диода при обратном напряжении U; С(0) - емкость при нулевом напряжении на диоде; Vp.n - величина контактного потенциала (обычно составляет несколько десятых долей вольта), п-2 для резких переходов и п=Ъ для плавных.

Основной параметр варикапа - номинальная емкость Сном при номинальном напряжении смещения. Кроме того, имеются максимальная СЛ!0КС и минимальная Смин емкости диода соответственно при минимально возможном и максимальном напряжениях смещения.

8.6 Устройство и принцип работы измерительной установки

8.6.1.Установка состоит из объектов (объекта) исследования и устройства измерительного, выполненных в виде конструктивно законченных изделий. Устройство измерительное устанавливается на лабораторном столе, а объекты исследования поочередно присоединяются к гнезду, установленному на передней панели устройства измерительного.

8.6.2.Объекты исследования конструктивно выполнены в виде вилок, в которых установлены серийно выпускаемые диоды. Корпуса вилок выполнены из прозрачного материала для возможности ознакомления с его устройством. Тип диодов указан на корпусе вилки или на шильдике, помещенном внутри вилки.

Объект исследования ФПКО6М.01.00.00.00 выполнен в виде единого устройства, в котором установлены аналогичные диоды (3 шт.) и переключатель образцов, ручка управления которым выведена на переднюю панель. В положении переключателя "0" образцы отключены. На задней стенке объекта исследования установлены штыри для подключения его к устройству измерительному. Верхняя стенка объекта исследования прозрачная, для обеспечения возможности ознакомления с его устройством

8.6.3. В устройстве измерительном применена однокристальная микро-ЭВМ с дополнительными устройствами, позволяющими

127

производить установку и формирование значения и полярности напряжения, прикладываемого к р-п переходу образца и к объекту исследования, измерение емкости р-п перехода и тока через него в зависимости от приложеного напряжения, а также осуществлять управление установкой (регулирование напряжения, установку режимов работы при измерении вольт-амперной характеристики ВАХ прямой, ВАХ обратной или вольт-фарадной характеристики ВФХ). В состав устройства измерительного входят также источники питания, как самого устройства измерительного, так и объекта исследования.

На передней панели устройства измерительного имеются гнезда для подключения объекта исследования, а также размещены

следующие органы управления и индикации:

а) кнопки "+", "-" и "СБРОС для регулирования напряжения и установки его в нулевое значение (при кратковременном нажатии происходит установка единиц, а при длительном - десятков, переключение диапазонов происходит автоматически);

б) кнопка "ВАХ" - "ВФХ' для установки соответствующего режима работы (измерение ВАХ или ВФХ);

в) кнопка "ПРЯМАЯ" - "ОБРАТНАЯ" предназначенная для установки режима работы при измерении ВАХ (ВАХ прямой или ВАХ обратной);

г) цифровая панель "В" для индикации значения регулируемого напряжения;

д) цифровая панель "мА мкА пФ" для индикации единиц измерения и величины измеряемых значений тока или емкости в процессе работы;

е) индикаторы "ВАХ-ВФХ' для индикации установленного режима работы (управляется кнопкой "ВАХ-ВФХ1, во время установки соответствующего режима индикатор светится);

ж) индикатор "ПРЯМАЯ-ОБРАТНАЯ", предназначенный для индикации установленного режима работы при измерении ВАХ (управляется кнопкой "ПРЯМАЯ-ОБРАТНАЯ', во время установки соответствующего режима индикатор светится);

Примечание: При работе переключение диапазонов измерения происходит автоматически.

На задней панели устройства измерительного расположены выключатель "СЕТЬ", клемма заземления, держатели предохранителей (закрыты предохранительной скобой) и сетевой шнур с вилкой.

Устройство измерительное с помощью сетевого шнура подключается к сети напряжения 220 В, 50 Гц.

128

8.7Последовательность выполнения лабораторной работы

8.7.1.Подключить сетевой шнур устройства измерительного к сети и включить установку выключателем "СЕТЬ" на задней панели устройства измерительного (при этом на цифровых панелях "В" и "мА мкА пФ" должны установиться нули и светиться индикаторы

"ВАХ' и "ПРЯМАЯ").

8.7.2.Дать прогреться в течение 5... 10 мин.

8.7.3.В случае применения устройства измерительного Ф1Ж06М.01.00.00.00, переключателем образцов, расположенным на его передней стенке, выбрать образец диода (р-п перехода), характеристики которого будут исследоваться.

8.7.4.Устанавливая с помощью кнопок "+" и "-" необходимые значения тока (таблица 8.1) на цифровой панели "мА мкА пФ" на р-п

переходе (единица измерения при этом показывается светодиодами индикатора, знак напряжения не индицируется) и считывая при этом

сцифровой панели "В" значения прямого напряжения через р-п переход, записать измеренные данные в табл. 8.1 для построения прямой ветви ВАХ. По окончании измерений нажать кнопку

"СБРОС.

Примечание: При достижении значения тока 50 мА следует прекратить измерения, так как при этом значении (оно является максимальным) источник питания р-п перехода переключается в режим ограничения тока.

Таблица 8.1 - Протокол измерений прямой вольт-амперной характеристика диодов

8.7.5. Нажать кнопку "ПРЯМАЯ-ОБРАТНАЯ" для включения режима подготовки данных к построению обратной ветви вольтамперной характеристики. При этом погаснет индикатор "ПРЯМАЯ" и будет светиться индикатор "ОБРАТНАЯ".

129

8.7.6. Устанавливая с помощью кнопок "+" и "-" необходимые значения тока (таблица 8.2) по цифровой панели "мА мкА пФ" на р-п переходе (единица измерения показывается светодиодами индикатора, знак напряжения не индицируется) и считывая при этом с цифровой панели "В" значения обратного напряжения через р-п переход, записать измеренные данные в табл. 8.2 для построения обратной ветви ВАХ. По окончании измерений нажать кнопку

"СБРОС".

Примечание: При достижении значения напряжения - 30 В следует прекратить измерения, так как при этом значениии (оно является максимальным) источник питания р-п перехода переключается в режим ограничения напряжения.

8.7.7.Нажать кнопки "ВАХ-ВФХ' и "ПРЯМАЯ-ОБРАТНАЯ" для включения режима подготовки данных для построения прямой вольтфарадной характеристики. При этом погаснет индикатор "ВАХ' и будет светиться индикатор "ВФХ' и "ПРЯМАЯ".

8.7.8.Устанавливая с помощью кнопок "+" и "-" необходимые значения напряжения {таблица 8.3) на р-п переходе и считывая при этом с цифровой панели "мА мкА пФ" значения емкости р-п перехода

{единица измерения при этом показывается светодиодами индикатора), записать измеренные данные в табл. 28.3 для построения прямой вольт-фарадной характеристики. По окончании измерений нажать кнопку "СБРОС".

8.7.9.Нажать кнопку "ПРЯМАЯ-ОБРАТНАЯ' для режима подготовки данных к построению обратной ветви ВФХ. При этом должны засветиться индикаторы "ВФХ' и "ОБРАТНАЯ".

8.7.10.Устанавливая с помощью кнопок "+" и "-" необходимые значения напряжения {таблица 8.4) на р-п переходе и считывая при этом с цифровой панели "мА мкА пФ" значения емкости р-п перехода

{единица измерения при этом показывается светодиодами индикатора), записать измеренные данные в табл. 28.4 для построения обратной вольт-фарадной характеристики. По окончании измерений нажмите кнопку "СБРОС.

8.7.11.Подключить к устройству измерительному второй объект исследования (в случае использования объекта исследования ФПКОбМ.01,00.00.00 переключателем образцов, расположенным на его передней стенке, выбрать следующий образец диода {р-п пе­ рехода), характеристики которого будут исследоваться).

130

Таблица 8.2 - Протокол измерений обратной вольт-амперной характеристика диодов

Продолжение таблицы 8.2 - Протокол измерений обратной вольтамперной характеристика диодов

131