МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ

УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«ДОНСКОЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Кафедра «ФИЗИКА»

Физические основы работы полупроводниковых приборов (оптопар, биполярного и полевого транзисторов)

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ЛАБОРАТОРНЫМ РАБОТАМ №1, 1П, 24, А

Ростов-на-Дону 2014

УДК 530.1

Составители: канд. физ.-мат. наук, доцент С.М. Максимов канд. физ.-мат. наук, ст. преп. И.В. Ершов

Физические основы работы полупроводниковых приборов (оптопар, биполярного и полевого транзисторов): метод. указания к лабораторным работам №1, 1П, 24а.– Ростов н/Д: Издательский центр ДГТУ, 2014 – 30 с.

Методические указания предназначены для организации самостоятельной работы студентов при подготовке к лабораторному практикуму и рейтинговому контролю студентами всех форм обучения по физике, ФОЭ, ФОПИ. В указаниях рассмотрены физические принципы работы полупроводниковых оптопар. Указания содержат описание принципов работы биполярного и полевого тран­зисторов, схемы включения и методики измерения их основных параметров.

Печатается по решению методической комиссии факультета «Автоматизация, мехатроника и управление»

Научный редактор канд. физ.-мат. наук И.В. Бажин

© Издательский центр ДГТУ, 2014

Содержание

Краткая теория 4

Лабораторная работа № 24,а 25

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ВРЕМЕНИ ЖИЗНИ НЕРАВНОВЕСНЫХ НОСИТЕЛЕЙ ЗАРЯДА С ПОМОЩЬЮ ОПТОПАРЫ 25

Лабораторная работа №1 26

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РАБОТЫ БИПОЛЯРНОГО ТРАНЗИСТОРА И СХЕМЫ ЕГО ВКЛЮЧЕНИЯ 26

Лабораторная работа №1П 31

ИЗУЧЕНИЕ РАБОТЫ ПОЛЕВЫХ ТРАНЗИСТОРОВ 31

Составители Максимов С.М., Ершов И.В. 33

Краткая теория

Химически чистые полупроводники называют собственными полупроводниками. При абсолютном нуле температур валентная зона укомплектована у них полностью, зона проводимости является пустой. При повышении температуры вследствие термического возбуждения часть электронов валентной зоны приобретает энергию, достаточную для преодоления запрещенной зоны, и переходит в зону проводимости. Это приводит к появлению в зоне проводимости свободных электронов, а в валентной зоне – положительно заряженных дырок. При приложении к кристаллу электрического поля, в нем возникает встречное направленное движение равных по численности электронов и дырок. Такая проводимость полупроводника называется собственной. В примесных полупроводниках проводимость обусловлена в основном носителями одного знака: электронами в полупроводниках донорного типа и дырками в полупроводниках акцепторного типа. Эти носители называются основными. Помимо основных, полупроводники содержат всегда и некоторое число неосновных носителей, появляющихся в результате межзонной тепловой генерации: донорный полупроводник – дырки, акцепторный – электроны. Их концентрация, как правило, значительно меньше концентрации основных носителей.

Неравновесные носители

При температуре, отличной от абсолютного нуля, в полупроводнике происходит тепловое возбуждение (генерация) свободных носителей заряда. Если бы этот процесс был единственным, то концентрация носителей непрерывно возрастала бы с течением времени. Однако вместе с процессом генерации возникает процесс рекомбинации: электроны, перешедшие в зону проводимости или на акцепторные уровни, вновь возвращаются в валентную зону или на донорные уровни, что приводит к уменьшению концентрации свободных носителей заряда. Динамическое равновесие между этими процессами при любой температуре приводит к установлению равновесной концентрации носителей. Такие носители называются равновесными.

Помимо теплового возбуждения, возможны и другие способы генераций свободных носителей в полупроводниках: под действием света, ионизирующих частиц, инжекции (впрыскивании) их через контакт и др. Действие таких факторов приводит к появлению дополнительных, избыточных, по сравнению с равновесными, свободных носителей.

При неизменной интенсивности внешнего фактора концентрация избыточных носителей растет вначале быстро, а затем, вследствие увеличивающейся скорости рекомбинации, рост замедляется и в конце устанавливается стационарное состояние, при котором скорость генерации носителей равна скорости их рекомбинации. Свойства неравновесных носителей ничем не отличаются от свойств равновесных.

В полупроводниках кроме тока проводимости (дрейфа носителей) может возникать еще и диффузионный ток. Причиной его возникновения является не электрическое поле, а разность концентраций носителей заряда. Например_, если часть полупроводника подвергнуть облучению светом, то в ней усилится генерация пар носителей и возникнет дополнительная концентрация носителей, называемая избыточной. Возникновение дополнительных свободных носителей приводит к повышению электропроводности полупроводника. Если увеличение проводимости произошло под действием света, то это явление принято называть фотопроводимостью, а сам процесс внутреннего освобождения электронов под действием света – внутренним фотоэффектом. Механизм этого явления заключается в следующем. Энергия падающего на полупроводник света (энергия фотона Е = hν) передается электронам валентной зоны (для собственного полупроводника) или примесного уровня (для примесного полупроводника). Для каждого определенного полупроводника существует наименьшая частота света, которая может вызвать в нем фотоэффект, поэтому свет меньшей частоты полупроводником поглощаться не может. Освобожденные светом электроны в течение очень короткого времени (порядка 10^-3-10^-7 сек) находятся в зоне проводимости. В отсутствие электрического поля они хаотически перемещаются в межатомных промежутках. Если же к кристаллу приложена разность потенциалов, они участвуют в электропроводности. При непрерывном освещении полупроводника устанавливается динамическое равновесие между генерируемыми светом носителями и рекомбинирующими. Если за счет воздействия светом в некоторой части полупроводника создана избыточная концентрация носителей, а затем внешнее воздействие прекратилось, то избыточные носители будут рекомбинировать и распространяться путем диффузии в другие части полупроводника. Избыточная концентрация начнет убывать по экспоненциальному закону, показанному графически для электронной концентрации на рис.1,а. Время, в течение которого избыточная концентрация уменьшится в е раз (~2,7 раза), т. е. станет равна ~ 0,37 её первоначального значения, называют временем жизни неравновесных носителей τ_n. Этой величиной характеризуют процесс убывания избыточной концентрации во времени.

Рекомбинация неравновесных носителей происходит внутри полупроводника и на его поверхности и сильно зависит от примесей, а также от состояния поверхности. Значения τ_n, τ_p (для электронов и дырок соответственно) в большинстве полупроводников могут быть от долей микросекунды до сотен микросекунд и более.

При диффузионном распространении неравновесных носителей вдоль полупроводника их концентрация (n или р) вследствие рекомбинаций также убывает с расстоянием по экспоненциальному закону (рис. 1,б). Расстояние L_n или L_p, на котором избыточная концентрация неравновесных носителей уменьшается в е раз, называют диффузионной длиной. Она характеризует убывание избыточной концентрации в пространстве.

Таким образом, убывание избыточной концентрации происходит и во времени, и в пространстве, а сами величины τ_n и L_n, τ_p и L_p оказываются связанными друг с другом следующей зависимостью:

D_n ,D_p – коэффициенты диффузии электронов и дырок