2.9. Определение зависимости эдс Холла величины индукции в

Установите произвольное значение тока образца I_п и поддерживайте его постоянным в течение опыта.

Снимите и постройте зависимость ЭДС Холла U_x от величины индукции В при фиксированном значении тока через кристалл (табл. 2.10).

Таблица 2.10

Iп = ? А
Iк, мА	?	?	?	?	?
В, Тл	?	?	?	?	?
Ux, мВ	?	?	?	?	?
n = nср  n, м–3	?
 = ср  м2/Вс	?

2.10. С помощью полученных данных по формулам (2.22) – (2.29) определите среднее значение концентрации носителей n_ср и их подвижность _ср.

2.11*. Рассчитайте погрешности концентрации носителей n_ср и подвижности _ср.

2.12. Выключите установку.

2.13. Рассчитайте (графически) среднее значение коэффициента Холла R_n (или R_р) по соотношению (2.30).

2.14. Сравните теоретические и экспериментальные зависимости, полученные в процессе испытаний.

Отчетные материалы

В лабораторной тетради представляются:

– заполненные таблицы с расчетными данными;

– экспериментальные зависимости I_п(U_п)|_B=0, U_x(I_п)|_B, U_x(B)|_Iп;

– расчетные значения n = n_ср  n; = _ср  ;

– расчетные значения R_n; , , R_ср, G_ср для исследуемого датчика Холла.

К защите представляется РГЗ с задачами по темам: Проводимость полупроводников, ″Гальваномагнитные явления″.

Тема 3. Полупродниковые диоды Лабораторная работа №3.1 ″Исследование полупроводниковых диодов″

Цели работы: исследование электрических свойств p-n-переходов и реальных диодов; определение вольтамперных характеристик, статического и дифференциального сопротивлений, изучение влияния температуры на электрические характеристики диодов.

Приборы и принадлежности: источники питания; полупроводниковые диоды типа Д2, Д242, Д226, диоды Шоттки типа 1N5817, RGFG1; электронные приборы для измерения напряжения и тока.

3.1. Характеристики полупроводниковых диодов

Общие сведения изложены в пособиях [1], рекомендованной литературе.

Полупроводниковый диод – прибор с выпрямляющим электронно-дырочным переходом (p-n-переходом) и двумя внешними выводами, в котором используется то или иное свойство выпрямляющего перехода.

Рис. 3.1. Прямое (а, б) и обратное (в, г) включение p-n-перехода (диода)

Электронно-дырочным переходом (p-n–переходом) называется полупроводниковая структура, располагаемая на границе двух слоев, толщиной l_p и l_n, первый из которых обладает дырочной (p), а другой – электронной (n) проводимостью (рис. 3.1, а, в). Двухслойная p-n-структура создается введением в один из объемов (слоев) монокристалла акцепторной примеси, а в другой – донорной примеси. Технологическая граница - сечение полупроводника при Х = 0. Вблизи этой границы создается область объемного заряда толщиной l₀ = (l_p + l_n), называемая p-n-переходом.

Подключение к p-n-структуре внешнего напряжения (напряжения смещения) приводит к изменению условий переноса носителей заряда через p-n-переход.

Когда внешнее напряжение +U подключено в прямом направлении: плюс ″+″ на аноде А (p-области), а минус ″–″ на катоде К (n-области) (рис. 3.1, б), протекает значительный ток I_пр(U) основных носителей заряда (первая четверть).

Когда внешнее напряжение –U подключено в обратном направлении: плюс на катоде К (n-области), а минус – на аноде А (p-области) (рис. 3.1, г), протекает незначительный ток I_обр(U) неосновных носителей заряда (третья четверть).

По мере увеличения прямого тока напряжение на p-n-переходе возрастает, стремясь (при достаточно больших токах) к некоторой величине U_{пр пред} (рис. 3.1, б), называемой прямое падение напряжения на прямосмещенном p-n-переходе. Как правило, в кремниевых диодах величина U_{пр пред} не более 0,8 – 1,2 В, в германиевых диодах – U_{пр пред} < 1 В. Одной из причин большего прямого падения напряженияU_{пр пред} в кремниевых диодах является большая величина контактной разности потенциалов ₀, связанная со большим значением ширины запрещенной зоны E_з.

Теоретическая зависимость ВАХ идельного p-n-перехода, описывается соотношением [1], [4]:

I(U)=I₀(e ^U – 1), (3.1)

где I₀ – тепловой ток;  = 1/_т = e/kT; _т – температурный (тепловой) потенциал.

Статическое R сопротивление определяется:

R = U/I, (3.2)

дифференциальное r_d сопротивление определяется:

r_d = dU/dI (3.3)

или форме конечных разностей (рис. 2, б)

r_d = U/I. (3.4)

При прямом смещении диод имеет малые значения R и r_d (единицы - десятки Ом), а при обратном смещении – очень большие (МОм).

В диапазоне рабочих температур концентрация основных носителей равна концентрации примесей (например, n_n = N_Д, p_p = N_A). Все примеси ионизированы, и поэтому концентрация основных носителей не изменяется с ростом температуры Т. В то же время концентрация n_i собственных носителей заряда экспоненциально растет с ростом температуры Т. Следовательно, по закону действующих масс (n_рp_n = p_рn_n = n_i²) концентрация неосновных носителей (как n_р, так и p_n) также нелинейно возрастает [1].

Поскольку концентрация (n_р, p_n) неосновных носителей заряда является экспоненциальной функцией от температуры кристалла, то и величина обратного тока I₀, обусловленного неосновными носителями, возрастает (примерно) по экспоненциальному закону при нагреве диода (рис. 3.3). По этой причине обратный ток I₀ = I_обр обычно называют тепловым.

Из закона действующих масс [1] можно показать, что концентрация неосновных носителей заряда уменьшается с ростом ширины запрещенной зоны. Так как ширина запрещенной зоны у кремния (E_з = 1,12 эВ) больше, чем у германия (E_з = 0,72 эВ), то при одинаковой концентрации примесей в объеме кристаллов (одинаковая степень легирования) обратный тепловой ток в кремниевых диодах меньше, чем в германиевых (рис. 3.3).

Идеальный диод

Следует различать диод, характеризуемый реальной структурой, особенностями конструкции, от его идеальной модели, описывающей свойства и характеристики прибора с определенными допущениями. На практике используют ряд упрощающих идеализированных моделей диодов, которые пригодны для анализа различных режимов работы.

Простейшей моделью электрического (аналогового) ключа, способного пропускать ток только в одном направлении, можно считать идеальный диод, у которого дифференциальным сопротивлением r_d при прямом включении пренебрегают, а статическое сопротивление R при обратном включении считают бесконечно большим. Аппроксимированная вольтамперная характеристика идеального диода приведена на рис. 3.2, а, линия 1. При более точных аппроксимациях учитывают прямое падение напряжения на открытом диоде и его сопротивление r_d, так что излом вольтамперной характеристики (а, линия 2) происходит не в начале координат, а в примерной точке +0,7 В для кремниевых и +0,3 В для германиевых диодов, причем прямая ветвь идет под некоторым наклоном к оси тока.

Реальный диод

Вольт-амперные характеристики реальных диодов представлены на рисунке 3.3: германиевого – типа Д2, кремниевого – типа Д226.

При увеличении напряжения U прямого смещения p-n-переход обогащается основными носителями, его сопротивление r_d падает (рис. 3.2, б, первый квадрант, пунктирная линия), прямой ток I_пр почти экспоненциально возрастает, и при достаточно малых напряжениях U_{пр пред} (до 1,2 В у кремниевых диодов) на прямо смещенном диоде ток I_пр достигает больших значений.

а) б)

Рис. 3.2. ВАХ идеального (а) и реального (б) диодов

При использовании справочников следует обратить внимание на величины:

– предельного прямого тока I_{пр мах} (при превышении прямого предельного тока диод ″сгорает″;

– предельного прямого напряжения (U_{пр пред} < 1 В);

– допустимого максимального обратного напряжения U_{обр мах} (при превышении максимального обратного напряжения диод ″пробивается″;

– обратного тока I_обр(U) в рабочем диапазоне температур и другие параметры.

а) б)

Рис. 3.3. ВАХ германиевого (а) и кремниевого (б) диодов

В паспортных данных задается максимальная величина допустимого прямого тока I_{пр max} при величине среднего прямого напряжения U_{пр cр}. Например, при комнатной температуре для германиевого диода: U_{пр cр} = 0,5 В (при токе 300 мА); для кремниевого диода: U_{пр cр} = 1 В (при токе 3 мА).

Значение прямого напряжения при допустимых прямых токах находится в пределах U_{пр пред} = (0,8  1,2) В у кремниевых диодов и U_{пр пред} < 1 В – у германиевых.

У реального диода зависимость тока I_пр(U) от напряжения не является чисто экспоненциальной функцией. В частности, при относительно больших токах следует учитывать падение напряжения на областях p- и n-типа, прилегающих к области p-n-перехода (см. работу 3.3).

Обратная ветвь реальных диодов показана на рисунке 3.3. По мере увеличения обратного напряжения происходит увеличение обратного тока за счет уменьшения тока диффузии (процесс диффузии обусловлен основными носителями) до нуля, поэтому единственной составляющей обратного тока остается только ток дрейфа (неосновные носители). Обратное сопротивление диода велико. Обратный ток реального диода немного зависит от приложенного обратного напряжения. Заметим, что у идеальных p-n-переходов обратный ток не изменяется, так как при неизменной температуре количество неосновных носителей заряда, создающих обратный ток, не зависит от величины обратного напряжения. Однако в реальных диодах существуют токи термогенерации, токи утечки [4], поэтому участок 1-2 на ВАХ имеет ″наклон″ (рис. 3.3).

Пробой диода

В отличие от идеального p-n-перехода, увеличение обратного напряжения на реальном диоде (рис. 3.2, б) приводит не только к росту (незначительному) обратного тока и при определенных напряжениях - к возникновению явления пробоя, при котором обратный ток резко возрастает.

Поэтому параметрами реального диода являются предельно допустимое обратное напряжение U_{обр max} и обратный ток I_обр при заданной температуре кристалла (на обратной ветви вольтамперной характеристики). В паспортных данных приводятся значения обратного тока I_обр при допустимых значениях U_{обр mах}, например, для Д7А: I_обр = 100 мкА (при 50 В); для Д7Ж: I_обр = 100 мкА (при 400 В); для 2Д202В: I_обр = 1 мА (при 100 В); для 2Д202В: I_обр = 1 мА (при 600 В).

Диоды с барьером Шоттки (диоды Шоттки, ДШ)– полупроводниковые приборы, в которых вместо p-n-перехода используется контакт металла с полупроводником n-типа (рис. 3.4, а).

Конструктивно они выполняются (рис. 3.4, б) в виде пластины низкоомного кремния (сильно легированная n⁺-база), на которую нанесена высокоомная (слабо легированная) эпитаксиальная (тонкая) пленка с электропроводностью n-типа. На поверхность этой пленки нанесено металлическое покрытие из пленок золота (толщиной 0,01 мкм). В других частях поверхность кремния защищена слоем окисла SiO₂. Подобные структуры создаются с помощью метода фотолитографии (см. тему 6).

а) б) в)

Рис. 3.4. УГО (а), строение (б), ВАХ (в) диода с барьером Шотки

В отличие от структуры обычного диода, ДШ характеризуются тем, что в них, с одной стороны, отсутствуют области p и p⁺-типов, с другой – присутствует контакт металл- полупроводник. В связи с этим, область объемного заряда, характерная для диодов, в ДШ возникает из-за различия в работе выхода электронов из металла и полупроводника.

Поскольку концентрация носителей заряда в металле (10²⁸ м^3) больше, чем в полупроводнике (n_n < 10²⁴ м^3), то область объемного заряда (барьер Шотки) и электрическое поле, возникающее в переходе (на границе металл-полупроводник), практически полностью локализованы в слое полупроводника n-типа (рис. 3.4, б).

Диод Шотки характеризуются быстрой рекомбинацией инжектированных носителей (время жизни носителей  крайне мало), а значит и высоким быстродействием. Благодаря минимальному сопротивлению базы и отсутствию процессов накопления и рассасывания избыточных зарядов, быстродействие получается достаточно высоким: диод может работать при частотах до f_гр = 10¹⁰ Гц.

Вольтамперная характеристика диода Шотки идентична ВАХ выпрямительного диода (рис. 3.4, в). Отличие заключается в том, что прямая ветвь диода Шотки близка к идеальной экспоненциальной кривой, а обратные токи достаточно малы (доли – десятки нА).

В целом, диоды с барьером Шотки выгодно отличаются от диодов с p-n-переходом по следующим параметрам:

 более низкое прямое падение напряжения U_{пр пред} – по сравнению с диодами с p-n-переходом величина U_{пр пред} меньше на 0,2 – 0,3 В;

 малый обратный ток;

 отличаются более высоким быстродействием и могут работать при высоких частотах электрического поля;

 максимальное обратное напряжение U_{обр max} диодов Шотки составляет около 150 В.

Малая величина U_{пр пред} и малое время восстановления обратного сопротивления обусловливают область применения диода Шотки – низковольтные высокочастотные выпрямители, в которых происходит выпрямления малых напряжений высокой частоты. Применение диодов Шотки в выпрямителе снижает потери мощности примерно на 10…15 %.

В диодах Шотки, в которых значение обратного напряжения U_обрmax понижено до 15 В, величина прямого напряжения U_{пр пред} также снижается до 0,3 – 0,4 В.

Структуры на основе диодов Шотки используются в качестве специальных диодов (детекторных, лавинно-пролетных, параметрических, смесительных и умножительных), фото- и светодиодов, транзисторов с барьером Шотки, в том числе в структурах интегральных микросхем.

Диоды Шотки имеют обозначение идентичное выпрямительным диодам, например, 2Д921, 2Д924, 2Д925, КД922, КД923, 3А529, 3А530 и т.п.

Упрощенная схема исследования диодов изображена на рис. 3.5.

Рис. 3.5. Упрощенная схема испытаний

1 – диод; 2 – источник постоянного напряжения; 3 – электронный вольтметр; 4 – электронный амперметр; 5 – шестиполюсный переключатель полярности; 6 – потенциометр