LS-Sb87955

УДК 621.382

Полупроводниковые приборы: методические указания к выполнению лабораторных работ по дисциплине «Твердотельная электроника» / сост.: С. М. Мовнин, А. Е. Синев, А. К. Шануренко. СПб.: Изд-во СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2012. 32 с.

Содержат описания четырех лабораторных работ, направленных на изучение устройства, принципа действия, параметров и характеристик ряда полупроводниковых приборов.

Предназначены для студентов специальности 210105.65 «Электронные приборы и устройства» и направления 210100.62 «Электроника и наноэлектроника», обучающихся по очно-заочной (вечерней) и заочной формам обучения.

Утверждено редакционно-издательским советом университета

в качестве методических указаний

© СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2012

Введение

Методические указания к выполнению лабораторных работ предназначены для студентов-вечерников и студентов-заочников специальности 210105.65 «Электронные приборы и устройства» и направления 210100.62 «Электроника и наноэлектроника», проходящих обучение на кафедре электронного приборостроения.

Целью данных указаний является оказание методической помощи студентам, выполняющим лабораторные работы по курсу «Твердотельная электроника». В указаниях описана методика выполнения работ, выделены наиболее важные вопросы, определены основные понятия и термины, приведены описания лабораторных макетов, даны указания по рациональному порядку выполнения работ, по форме и содержанию отчета, а также контрольные вопросы, позволяющие студентам проверить свои знания перед началом работы, и перечень рекомендуемой литературы.

В результате выполнения лабораторных работ студенты углубляют свои знания по основным типам полупроводниковых приборов, приобретают навыки снятия характеристик и расчета основных параметров.

Лабораторная работа 1

ИССЛЕДОВАНИЕ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ДИОДОВ

Цель работы: исследование вольт-амперных характеристик (ВАХ) выпрямительных диодов из германия и кремния, кремниевого стабилитрона, вольт-фарадной характеристики варикапа.

1.1. Общие сведения

Контакт двух полупроводниковых приборов с разными типами электропроводности р–п-переход составляет основу большинства полупроводниковых приборов.

Свойство односторонней проводимости полупроводниковых диодов непосредственно связано с повышенным сопротивлением р–п-перехода. В области контакта существует нескомпенсированный основными носителями объемный заряд ионизированных атомов примесей. Этот объемный заряд определяет напряженность электрического поля контакта и контактную разность потенциалов к . Контактная разность потенциалов представляет собой

3

При обратном включении потенциальный порог вырастает на величину, чуть меньшую значения приложенного напряжения (см. рис. 1.1, в). Число основных носителей, обладающих кинетической энергией, достаточной для преодоления потенциального порога, в этом случае невелико. Протекание обратного тока определяется дрейфовым потоком неосновных носителей, которые беспрепятственно проходят через контакт как при прямом, так и при обратном смещениях на переходе. При обратном включении уменьшается концентрация неосновных носителей в приконтактных областях, это явление называют экстракцией неосновных носителей заряда. Зависимость тока от напряжения в идеализированном диоде показана на рис. 1.2.

Если концентрация донорных примесей в базе диода ND гораздо меньше концентрации акцепторных примесей N A в эмиттере, т. е. ND N A , то возникает резко несимметричный р–п-переход. Ширина области объемного заряда в этом случае зависит от приложенного напряжения:

где относительная диэлектрическая проницаемость полупроводникового материала, 0 электрическая постоянная. Прямое включение приводит к сужению контактного слоя, обратное к его расширению.

Плоскостной р–п-переход можно рассматривать как плоский конденсатор, роль диэлектрика в котором играет обедненный носителями приконтактный слой. Емкость этого конденсатора называют барьерной емкостью диода. Барьерная емкость диода определяется соотношением

5

Если точность измерения обратного тока кремниевого диода Д2 на микроамперметре окажется недостаточной, с помощью ЛЦВ V1 можно измерить падение напряжения, создаваемое обратным током на измерительном

Рис. 1.4. Электрические схемы исследования полупроводниковых диодов:

а прямой и обратной ветвей ВАХ стабилитрона; б прямых ветвей ВАХ выпрямительных диодов из германия Д1 и из кремния Д2; в обратных ветвей ВАХ выпрямительных диодов; г схема осциллографирования ВАХ выпрямительных диодов

сопротивлении R1 (ключ П7 разомкнут). Коэффициент пропорциональности между падением напряжения на сопротивлении R1, измеряемым ЛЦВ, с учетом его внутреннего сопротивления и Iобр следует определить, сравнив ре-

зультаты измерения тока этим методом с показаниями микроамперметра при достаточно большом значении Iобр .

4. Осциллографирование ВАХ. При осциллографировании ВАХ полупроводниковых выпрямительных диодов используется схема (рис. 1.4, г) с электронно-лучевым индикатором И-6. На горизонтальные отклоняющие пластины осциллографической трубки подается переменное напряжение U~ 2 В. На вертикальные отклоняющие пластины подается падение напряжения на измерительном сопротивлении R2 = 3 Ом. Ключ П5 попеременно подключает к схеме осциллографирования диоды Д1 и Д2. Переменное напряжение U~ регулируется автотрансформатором и контролируется воль-

7

Для измерения зависимости барьерной емкости варикапа от напряжения служит схема, приведенная на рис. 1.6. Обратное напряжение на диоде регулируется потенциометром R1 и измеряется ламповым вольтметром ЛВ; ток через диод ограничен сопротивлением R2. Разделительный конденсатор С включен в измерительный контур последовательно с измеряемой емкостью

варикапа ( C 104 пФ). Для измерений используется образцовая катушка L0 0,034 мкГн, предназначенная для работы в частотном диапазоне 80 … 230 МГц. Калиброванный образцовый конденсатор переменной емкости C0 и генератор переменного напряжения являются элементами фарадаметра.

1.3.Порядок выполнения работы

1.Ознакомиться с макетами, измерительными приборами, их назначением и пределами измерений.

2.Собрать схему для измерения ВАХ кремниевого стабилитрона. Для этого подключить миллиамперметр, ЛЦВ и источник питания. При подключении ЛЦВ следить за тем, чтобы экран входного кабеля соединялся с заземленным полюсом источника питания.

Используя ЛЦВ, нельзя допускать, чтобы измеряемое напр я- жение превышало предельное значение, установленное перекл ю- чателем «ПРЕДЕЛЫ».

Для стабилитрона, тип которого устанавливает преподаватель, по справочнику установить значения напряжения стабилизации Uст , максимальной

емкости рассеяния Pmax и минимального тока стабилизации Iст min . Рассчитать минимальный ток стабилизации, зная Pmax и Uст .

Снятие ВАХ стабилитрона начинать с обратной ветви (переключатель П2 в правом положении). Предел измерения на ЛЦВ 100 В. Снять по точкам обратную ветвь стабилитрона, изменяя обратный ток от Iст min до Iст max через 5 мА, отмечая малые приращения напряжения. Результаты измерений записать в таблицу по форме табл. 1.1

Снять прямую ветвь стабилитрона (переключатель П2 в левом положении). Прямой ток изменять от 0 до 50 мА через 5 мА, отмечая падение

9