Методическое пособие 445

Практическое занятие № 3 Полупроводниковые диоды

Цель практических занятий: ознакомиться с характеристиками диодов

Теоретические сведения

Основным элементом большинства полупроводниковых приборов является электронно-дырочный переход (р-n-переход), представляющий собой переходный слой между двумя областями полупроводника, одна из которых имеет электронную электропроводность, другая – дырочную [4,6].

Разность потенциалов φк в переходе, обусловленную градиентом концентрации носителей заряда, называют

контактной разностью потенциалов [2]:

где k – постоянная Больцмана; е – заряд электрона; T – температура; Na и Nд — концентрации акцепторов и доноров в дырочной и электронной областях соответственно; рр и рn – концентрации дырок в р- и n-областях соответственно; ni – собственная концентрация.

Обычно контактная разность потенциалов имеет порядок десятых долей вольт.

Толщину несимметричного резкого р-n-перехода рассчитывают по формуле

40

где ε – относительная диэлектрическая проницаемость материала полупроводника; ε0 — диэлектрическая постоянная свободного пространства.

Толщина электронно-дырочных переходов имеет порядок от сотых долей до единиц микрометров.

Полупроводниковый прибор с p-n-переходом, имеющий два омических вывода, называют полупроводниковым диодом [2-5] (рис. 59 а). Одна из областей р-n-структуры (р+) называемая эмиттером, имеет большую концентрацию основных носителей заряда, чем другая область, называемая базой.

а) б)

Рис. 59 а) Полупроводниковый диод; б) ВАХ полупроводникового диода

Статическая вольт-амперная характеристика (ВАХ)

полупроводникового диода изображена на рис. 59 б. Здесь же пунктиром показана теоретическая ВАХ электронно-дырочного перехода, определяемая соотношением

где I0 – обратный ток насыщения (ток экстракции,

обусловленный неосновными носителями заряда; значение его очень мало); U – напряжение на p-n-переходе; φT = kТ/е – температурный потенциал (k – постоянная Больцмана, Т – температура, е – заряд электрона); m – поправочный

41

коэффициент: m = 1 для германиевых р-n-переходов и m = 2 для кремниевых p-n-переходов при малом токе.

Влияние температуры на вольт-амперные характеристики

На вольт-амперные характеристики диода оказывает существенное влияние температура окружающей среды [2,4]. При увеличении температуры обратный ток насыщения увеличивается примерно в 2 раза у германиевых и в 2,5 раза у кремниевых диодов на каждые 10 °С. Для германиевых

где ток I01 измерен при температуре T1.

Если через германиевый диод протекает постоянный ток, при изменении температуры падение напряжения на диоде изменяется приблизительно на 2,5 мВ/°С.

Для диодов в интегральном исполнении dU/dT составляет от –1,5 мВ/°С в нормальном режиме до –2 мВ/°С в режиме микротоков.

Максимально допустимое увеличение обратного тока диода определяет максимально допустимую температуру диода, которая составляет 80–100°С для германиевых диодов и 150–200°С для кремниевых.

Минимально допустимая температура диода лежит в пределах (60 70)°С

Дифференциальным сопротивлением диода называют отношение приращения напряжения на диоде к вызванному им приращению тока:

rдиф = dU/dI.

Из выражения (1) следует, что

rдиф ≈ φT/I.

42

Емкости диода

Схема замещения полупроводникового диода изображена на рис. 60 [2]. Здесь Сд — общая емкость диода, зависящая от режима; Rп – сопротивление перехода, значение которого определяют с помощью статической ВАХ диода (Rп = U/I); rб – распределенное электрическое сопротивление базы диода, его электродов и выводов.

Рис. 60. Схема замещения диода

Принято говорить об общей емкости диода Cд, измеренной между выводами диода при заданных напряжении смещения и частоте. Общая емкость диода равна сумме барьерной емкости Сб, диффузионной емкости Сдиф и емкости корпуса прибора Ск.

Барьерная (зарядная) емкость обусловлена нескомпенсированным объемным зарядом, сосредоточенным по обе стороны от границы p-n-перехода.

Барьерная емкость равна отношению приращения заряда на р-n-переходе к вызвавшему его приращению напряжения:

где – диэлектрическая проницаемость полупроводникового материала; П – площадь p-n-перехода.

Диффузионная емкость. Изменение величины объемного заряда неравновесных электронов и дырок, вызванное изменением прямого напряжения, можно рассматривать как следствие наличия так называемой диффузионной емкости,

43

которая включена параллельно барьерной емкости. Диффузионная емкость

Cдиф kTe Iпр ,

где – время жизни носителей заряда; Iпр – прямой ток.

Задания

1.Имеется сплавной германиевый p-n-переход с концентрацией Nд = 103 Nа, причем на каждые 108 атомов германия приходится один атом акцепторной примеси. Определить контактную разность потенциалов при температуре Т

=300 К (концентрации атомов N и ионизованных атомов ni принять равными 4,4 · 1022 и 2,5 · 1013 см–3 соответственно).

2.Имеется сплавной кремниевый p-n-переход с концентрацией Nд = 103 Nа, причем на каждые 108 атомов кремния приходится один атом акцепторной примеси.

Определить контактную разность потенциалов при температуре Т = 300 К. Концентрация атомов N = 5· 1022 см–3, концентрация ионизованных атомов ni = 1010 см–3.

3.Удельное сопротивление р-области германиевого p-n- перехода ρр = 2 Ом·см, удельное сопротивление n-области ρn = 1 Ом·см. Вычислить контактную разность потенциалов (высоту потенциального барьера) при Т = 300 К, если подвижности

электронов и дырок в германии соответственно равны μn = 0,39

и μр = 0,19 м2/(В·с).

4.Решить задачу 3 для кремниевого р-n-перехода с такими

же значениями удельных сопротивлений р- и n-областей.

5. Германиевый сплавной p-n-переход имеет обратный ток насыщения I0 = 1 мкА, а кремниевый с такими же размерами – ток I0 = 10–8 А. Вычислить и сравнить прямые напряжения на переходах при Т = 293 К, если через каждый диод протекает ток 100 мА.

44

6.Кремниевый p-n-переход имеет следующие данные: ширина p-n-перехода = 10–3 см, концентрация акцепторных

примесей Na = 1019 см–3, концентрация донорных примесей Nд = 2 · 1016 см–3, площадь поперечного сечения П = 10–4 см2, длина

областей ln = 10–4 см, lp = 10–3 см, коэффициенты диффузии неосновных носителей Dр = 8 см2/с; Dn = 25 см2/с, концентрация собственных носителей заряда ni = 1,5 · 1010 см–3. Определить: а) обратный ток насыщения I0; б) прямой ток и падение напряжения на объемах р- и n-областей при прямом напряжении, равном 0,65 В.

7.Германиевый диод, имеющий обратный ток насыщения I0

=25 мкА, работает при прямом напряжении, равном 0,1 В, и Т = 300 К. Определить сопротивление диода постоянному току R0 и дифференциальное сопротивление rдиф.

8.Для идеального p-n-перехода определить: а) напряжение, при котором обратный ток будет достигать 90% значения обратного тока насыщения при Т = 300 К; б) отношение тока при прямом напряжении, равном 0,05 В, к току при том же значении обратного напряжения.

9.Барьерная емкость диода равна 200 пФ при обратном напряжении 2 В. Какое требуется обратное напряжение, чтобы уменьшить емкость до 50 пФ, если контактная разность потенциалов φк = 0,82 В?

10.Обратный ток насыщения диода с барьером Шотки равен 2 мкА. Диод соединен последовательно с резистором и источником постоянного напряжения смещения Е = 0,2 В так, что на диод подается прямое напряжение. Определить сопротивление резистора, если падение напряжения на нем равно 0,1 В. Диод работает при Т = 300 К.

11.Определить выходное переменное напряжение Uвых схемы на рис. 61, если работа происходит при комнатной температуре.

45

кОм и сопротивление ограничительного резистора Rогр = 0,5 кОм.

Рис. 64. Схема

16.Барьерная емкость полупроводникового диода с резким переходом равна 25 пФ при обратном напряжении 5 В. Определить уменьшение емкости при снижении обратного напряжения до 7 В.

17.Пользуясь ВАХ туннельного диода ГИ304 (рис. 65), определить напряжение Е источника питания и сопротивление нагрузки, обеспечивающие работу туннельного диода в схеме усилителя.

Рис. 65. ВАХ туннельного диода

18. Емкость обедненного носителями заряда слоя резкого р- n-перехода вычисляют по формуле

= ⁄√ + к,

где k – постоянный коэффициент; U – обратное напряжение; φк – контактная разность потенциалов.

Было обнаружено, что если к такому р-n-переходу приложить переменное напряжение с амплитудой 0,5 В, то

47

максимальная емкость перехода составит 2 пФ. Определить контактную разность потенциалов и минимальное значение емкости, если емкость перехода при нулевом смещении равна 1 пФ.

19. Найти барьерную емкость германиевого р-n-перехода, если удельное сопротивление р-области ρр = 3,5 Ом·см, контактная разность потенциалов φк = 0,35 В, приложенное обратное напряжение Uобр = 5 В и площадь поперечного сечения перехода П = 1 мм2.

20. Полупроводниковый диод имеет прямой ток 0,8 А при прямом напряжении 0,3 В и температуре окружающей среды Т = 35°С. Определить: а) обратный ток насыщения; б) дифференциальное сопротивление диода при прямом напряжении 0,2 В; в) дифференциальное сопротивление диода при обратном напряжении 1 В.

Контрольные вопросы

1.Типы проводимостей.

2.Контактная разность потенциалов.

3.ВАХ диода.

4.Классификация диодов и их назначение.

5.Барьерная и диффузионная емкости диодов.

48

Практическое занятие № 4 Транзисторы. Одиночные каскады транзисторов

Цель практических занятий: ознакомиться с характеристиками транзисторов

Теоретические сведения

Устройство и принцип действия биполярного транзистора

Биполярным транзистором называется полупроводниковый прибор, имеющий два взаимодействующих между собой p-n-перехода [2-5].

В зависимости от последовательности чередования областей с различным типом проводимости различают n-p-n- транзисторы и p-n-p-транзисторы (рис. 66). Средняя часть рассматриваемых структур называется базой, одна крайняя область – коллектором, а другая – эмиттером.

Рис. 66. Обозначения транзистора

Влинейном (активном) режиме работы транзистора эмиттерный переход смещен в прямом направлении, а коллекторный – в обратном. В режиме насыщения оба перехода смещены в прямом направлении, а в режиме отсечки – в обратном. В инверсном режиме коллекторный переход смещен в прямом направлении, а эмиттерный – в обратном. Кроме рассмотренных режимов возможен еще один режим, который является не рабочим, а аварийным – это режим пробоя.

Взависимости от того, какой из электродов транзистора является общим для входной и выходной цепей, различают три

49