
- •Физические основы электроники Электрофизические методы исследования полупроводников и полупроводниковых приборов
- •Введение в настоящем пособии излагаются основные темы дисциплин, связанных с основами работы полупроводниковых приборов.
- •Требования к подготовке, выполнению и защите работ
- •Тема 1. Приборы, используемые для проведения исследований полупроводниковых приборов
- •1.1. Автоматические мосты переменного тока
- •1.2. Осциллографы
- •1.3. Генераторы
- •Тема 2. Проводимость полупроводников и металлов лабораторная работа № 2.1
- •2.1. Терморезисторы: термисторы и позисторы
- •Подготовка к работе
- •Измерения и обработка результатов
- •Отчетные материалы
- •Лабораторная работа № 2.2
- •2.2. Общие сведения
- •Подготовка к работе
- •Измерения и обработка результатов
- •1. Подготовка к работе
- •2. Исследование вольтамперной характеристики варистора
- •7. Исследование зависимости сопротивления от температуры
- •Отчетные материалы
- •Лабораторная работа № 2.3
- •2.3. Определение типа носителей в полупроводниках
- •2.3.1. Метод термозонда
- •2.3.2. Метод Холла
- •2.3.3. Определение концентрации и подвижности носителей
- •Подготовка к работе
- •Измерения и обработка результатов
- •1. Определение типа носителей с помощью метода термозонда
- •1.1. Подготовка к работе
- •1.2. Определение типа носителей разных кристаллов
- •2. Исследования по методу Холла
- •2.1. Определение типа основных носителей в датчике Холла
- •2.3. Исследование вольтамперной характеристики датчика
- •2.4. Определение микропараметров кристалла датчика Холла
- •2.6. Определение зависимости эдс Холла от величины тока
- •2.9. Определение зависимости эдс Холла величины индукции в
- •Отчетные материалы
- •Тема 3. Полупродниковые диоды Лабораторная работа №3.1 ″Исследование полупроводниковых диодов″
- •3.1. Характеристики полупроводниковых диодов
- •Подготовка к работе
- •Измерения и обработка результатов
- •1. Начальные установки
- •2. Исследование вольтамперной характеристики диода при t0
- •2.1. Исследование прямой ветви вах диода д2
- •2.2. Исследование обратной ветви вах диода д2
- •3*. Исследование вах диодов различных типов
- •4. Исследование зависимости обратного тока диода от температуры
- •Отчетные материалы
- •Лабораторная работа № 3.2
- •3.2. Полупроводниковые стабилитроны и стабисторы
- •3.3. Описание стенда
- •Измерения и обработка результатов
- •2. Исследование вольтамперной характеристики стабилитрона при комнатной температуре
- •5. Исследование влияния температуры на напряжение Uст
- •Отчетные материалы
- •Лабораторная работа №3.3
- •3.4. Характеристики светодиодов
- •3.4.1. Управляемые источника света. Светодиоды
- •3.4.2. Строение светодиодов
- •3.4.3. Общие сведения об обозначении светодиодов
- •3.4.4. Особенности лабораторной установки
- •Отчетные материалы
- •Лабораторная работа № 3.4
- •3.5. Общие сведения о фотоприемниках
- •3.5.2. Параметры и характеристики фоторезистора
- •3.5.3. Особенности работы фотодиодов
- •3.5.4. Описание установки
- •Подготовка к работе
- •Измерения и обработка результатов
- •3. Исследование параметров электрического сигнала от генератора
- •6. Определение параметров импульса эдс от облучаемого фотодиода
- •10. Определение параметров импульса в цепи фоторезистора
- •11. Оценка параметров сигнала от резистора Rизм
- •16*. Исследование величины светового потока от светодиода
- •Отчетные материалы
- •Тема 4. Биполярные транзисторы Лабораторная работа №4.1
- •4.1. Характеристики биполярных транзисторов
- •4.1.1. Схемы включения биполярных транзисторов
- •4.1.2. Схема с общей базой
- •4.1.3. Схема с общим эмиттером
- •4.1.4. Описание установки
- •Подготовка к работе
- •Измерения и обработка результатов
- •1. Исследование схемы с общей базой
- •1.2. Исследование входных характеристик транзистора в схеме об
- •1.6. Исследование выходных характеристик транзистора в схеме об
- •1.12*. Исследование характеристики обратной связи в схеме об
- •1.14. Исследование характеристик передачи тока в схеме об
- •2. Исследование схемы с общим эмиттером
- •2.2. Исследование входных характеристик транзистора в схеме оэ
- •2.6. Исследование выходных характеристик транзистора в схеме оэ
- •2.11*. Исследование характеристики обратной связи в схеме оэ
- •2.13. Исследование характеристики передачи тока в схеме оэ
- •Отчетные материалы
- •Тема 5. Полевые транзисторы Лабораторная работа № 5.1
- •5.1. Характеристики полевого транзистора
- •5.1.1. Полевой транзистор с управляющим p-n-переходом
- •5.1.2. Полевой транзистор с изолированным затвором
- •5.1.3. Особенности схемы измерения
- •Подготовка к работе
- •Измерения и обработка результатов
- •2. Исследование стоковой (выходной) характеристики
- •Отчетные материалы
- •Тема 6. Элементы технологии производства имс Лабораторная работа № 6.1
- •6.1. Элементы технологии изготовления имс
- •6.1.1. Классификация имс
- •6.1.2. Понятие о технологическом цикле производства имс
- •6.1.3. Производство планарного биполярного транзистора
- •6.1.4. Производство планарного полевого транзистора
- •6.1.5. Структура транзисторов статических микросхем памяти
- •6.1.6. Общие сведения о топологии микросхем памяти
- •6.1.7. Описание установки и процедуры испытаний
- •Подготовка к работе
- •Измерения и обработка результатов
- •1. Исследование элементов технологии гибридных имс
- •1.4. Исследование сопротивления резисторов на бгис
- •2. Исследование элементов технологии твердотельных имс
- •2.4. Градуировка окуляров с помощью дифракционной решетки
- •3. Исследование твердотельных микросхем на установке "мим"
- •4. Анализ топологии и параметров микросхемы памяти
- •Отчетные материалы
- •Задачи по темам Аналоговая и Цифровая Электроника
- •П2. Диоды и тиристоры
- •П3. Источники вторичного напряжения
- •П4. Транзисторы
- •П5. Аналоговые устройства
- •П6. Операционные усилители и схемы на их основе
- •П7. Преобразовательные устройства и генераторы
- •П8. Стабилизаторы
- •П9. Логические микросхемы
- •П10. Логические схемы
- •П11. Схемы на лэ
- •П12. Триггеры
- •П13. Регистры и счетчики
- •П14. Преобразователи кодов
- •П15. Мультиплексоры, демультиплексоры, сумматоры
- •П16. Цифро-аналоговые преобразователи
- •П17. Микросхемы (технология и устройство)
- •Рекомендуемая литература Основная литература
- •Дополнительная
Лабораторная работа №3.3
″Исследование светодиодов″
Цель работы: исследование электрических свойств реальных диодов светодиодов; определение параметров светодиодов: вольтамперных характеристик (ВАХ), дифференциального сопротивления и других.
Приборы и принадлежности: источники питания, полупроводниковые светодиоды типа 3Л331, АЛС331А, измерительные приборы.
3.4. Характеристики светодиодов
3.4.1. Управляемые источника света. Светодиоды
Полупроводниковый светоизлучающий диод (СИД, светодиод) – это прибор с одним или несколькими электрическими p-n-переходами, предназначенный для непосредственного преобразования электрической энергии в энергию светового излучения.
В полупроводнике (рис. 2.6, а) непрерывно происходят процессы тепловой генерации (переход I) и рекомбинации (переход II) свободных носителей заряда. Процесс рекомбинация может быть фононным или фотонным.
В ″обычных″ диодах рекомбинация электронов и дырок происходит с выделением тепла без светового излучения (фононная рекомбинация). Название процесса (″фотонная″) связана с тем, что появляются частицы, называемые ″фононы″, характеризующие степень нагрева кристалла.
При фотонной рекомбинации за счет выделения энергии появляются, главным образом, оптические частицы – фотоны.
Другими словами, в светоизлучающих диодах световое излучение возникает за счет преобразования электрической энергии (источника) в электромагнитную (световую, инфракрасную) энергию за счет фотонной рекомбинации основных электронов и дырок, переходящих через p-n-переход при прямом смещении (рис. 3.1, а). В результате выделяются электромагнитные волны (свет), характеризуемые частотой (длиной ).
В соответствии с частотным диапазоном генерируемого излучения различаются: инфракрасные излучающие диоды и светоизлучающие диоды (светодиоды), лазеры.
В лазерах (см. рекомендованную литературу) обычно излучение имеет относительно точное значение частоты (длины волны), например, =555 нм (зеленый цвет). В отличие от лазеров, в том числе, лазерных диодов, излучение светодиодов характеризуется достаточно широкой полосой частот в области некоторой частоты 0.
Человеческий глаз воспринимает излучение светодиодов как ″одноцветное″ (красное, синее и т.п.), однако, в реальности в спектре излучения светодиода, например, синего, могут присутствовать и другие, более длинноволновые цвета.
Принцип действия светодиодов основан на том, что на границе рnперехода образуется энергетический барьер (рис. 3.1), величина которого при возрастании степени легирования приближается к величине ширины запрещенной зоны Eз (эВ) материала полупроводника [1].
Рассмотрим принцип работы светодиодов. При включении светодиода в прямом направлении (рис. 3.11, а; рис. 3.1, а) через рnпереход проходит большой ток. Этот ток обусловлен тем, что свободные носители заряда (основные электроны и дырки) инжектируются (переходят) через p-n-переход. Например (рис. 3.1, а), дырки из p+-области, пройдя через переход, попадают в n+-область и непосредственно вблизи границы ln перехода начинают рекомбинировать с основными носителями – электронами в n-области. Аналогично следует сказать и об электронах, инжектированных из n-области в p-область. Скорость рекомбинации носителей вблизи границ переходов (ln и lp) возрастает по мере увеличения прямого тока.
а) б) в) г)
Рис. 3.11. Схема измерения (а), ВАХ светодиодов (б, в) и мощности излучения (г)
В отличие от ″обычного″ диода, в котором энергияW ≈ Eз, выделяемая при рекомбинации, расходуется на нагрев прибора, в светодиоде энергия Eз переходит в энергию оптического излучения:
W ≈ Eз = Eф = hф, (3.9)
где ф - частота, связанная с длиной ф волны и скоростью света с; h- постоянная Планка; h = 6,63·10–34 Дж/с.
Как отмечено выше, частота ф (длина ф) волны излучения, энергия квантов Eф связаны с энергией, которая выделяется при рекомбинации (рис. 2.6, а) с шириной запрещенной зоны Eз.
Поэтому возникает излучение той или иной длины (частоты) волны, зависящей от энергии, выделяющейся при межзонной рекомбинации, например:
Eз = hф = hc/ф3.10
Поскольку частота излучения ф, в первую очередь, связана со значением Eз, то для изменения спектра излучения СИД нужно выбирать соответствующий полупроводниковый материал, из которого будет изготовлен светодиод. При этом следует учитывать, что чем больше частота изучения, тем больше значение Eз, и, значит, тем больше значение Uпр пред, определяемое по прямой ветви ВАХ (рис. 3.11, в). При сравнении светодиодов, имеющих различные спектры излучения, можно видеть, что по мере возрастания частоты излучения (1 > 2 > 3) прямое напряжение на диоде возрастает.
Электрические и оптические свойства светодиодов взаимосвязаны. В частности, при сильном легировании областей p- и n-типа, прилегающих к p-n-переходу, контактная разность потенциалов к → Eз/e ([к ] ≡ В; е – заряд электрона, е – 1,6·10–19 Кл). С другой стороны, при приближении прямого напряжения смещения U → к ток через прибор интенсивно возрастает. Именно, поэтому в пределе напряжение Uпр пред (рис. 3.11, б, кривая 1) сравнимо со значением
Uпр пред ≈ к ≈ Eз/e. (3.11)
Таким образом, анализ вольтамперной характеристики светодиода, в частности, величины предельного напряжения Uпр пред, позволяет с достаточной степенью точности оценить значение длины волны излучения:
ф= hc/Eз= hc/еUпр пред.3.12
Заметим, что значение ф, определяемое по соотношению (3.12) характеризует наиболее короткие длины волн, присутствующие в спектре, наряду с которыми имеются и более длинные волны. Этот факт можно проверить, используя для анализа излучения оптическую призму.
Вольтамперная и люкс-амперная характеристики излучения реального светодиода от прямого тока приведены на рис. 3.11, б, кривая 2; рис. 3.12, г, кривая 1.
В отличие от идеального p-n-перехода, вольтамперная характеристика которого описывается экспоненциальной зависимостью (рис.3.1, б, кривая 1; рис. 3.3, г, кривая 2), ВАХ реального светодиода (рис. 3.11, б, кривая 2; рис. 3.12, г, кривая 1) представляется функцией, которая в области больших напряжений и токов представляется линейной зависимостью, наклон которой зависит от особенностей структуры прибора (рис. 3.12, а), в том числе, сопротивления Rpn собственно p-n-перехода и сопротивлений Rp и Rn прилегающих слоев (рис. 3.12, б).
Именно падение напряжения на резисторах Rp и Rn характеризует линейность ВАХ в области больших напряжений (рис. 3.11, б, в; 3.12, г); в частности, наклон линии 2 - касательной к ВАХ реального светодиода (рис. 3.12, г), определяет суммарное сопротивление R = Rp + Rn:
R = Rp + Rn = U/I. (3.13)
Для определения значения Uпр пред следует придерживаться следующего алгоритма. Определив экспериментальную ВАХ светодиода (рис. 3.12, г, кривая 1), необходимо провести к ней прямую касательную линию 2 в области больших напряжений (линейный участок). Параллельным переносом данную прямую линию можно перенести в начало координат, так что данная прямая линия (2*) характеризует ВАХ суммарного сопротивления R, определяемого по соотношению (3.13).
а) б) в) г)
Рис. 3.12. Вид (а), структура (б) светодиода, схема замещения (в), анализ ВАХ (г)
Вольтамперную характеристику идеализированной структуры p-n-перехода (рис. 3.12, г, кривая 3) следует построить путем вычитания значения абсциссы линии 2* от абсциссы кривой 1 (при фиксированном токе I), как показано на рис. 3.12, б. Построение кривой 3 дает возможность определить экспериментальное значение Uпр пред, и путем дальнейшего расчета величины Ез по (3.10), по (3.12) и т.п.
Заметим, что увеличение прямого тока отдельного светодиода приводит лишь к возрастанию его яркости свечения (увеличению светового потока), но не меняет частоту излучения ф, т.е. цвет излучения остается постоянным, но визуально диод светит ″ярче″ - возрастает яркость излучения Е, лк. Отметим, что параметр яркость пропорционален мощности излучения, связанной, в свою очередь, с прямым током прибора.