Министерство цифрового развития, связи и массовых коммуникаций Российской Федерации

Ордена Трудового Красного Знамени федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования

МОСКОВСКИЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

СВЯЗИ И ИНФОРМАТИКИ

(МТУСИ)

Факультет "Радио и телевидение"

Кафедра "Электроника"

ОТЧЁТ

по дисциплине "Электроника"

на тему:

"Исследование идеализированного р-n перехода"

Выполнил:

Студент гр. БИК2309 ____________________ Р. Ю. Улендеев

Проверил:

Доцент, к. т. н. _______________________ В. П. Власов

Москва 2024

Лабораторная работа №1.

Исследование идеализированного р-n перехода.

Целью настоящей работы является определение основных характеристик идеализированного р-n перехода.

Исходными данными являются параметры конструкции: тип полупроводника, концентрация примесей, площадь р-n перехода. Определяются следующие характеристики идеализированного р-n перехода в отсутствие внешнего напряжения:

• контактная разность потенциалов;

• толщина;

• тепловой ток (ток насыщения);

• напряжение и тип пробоя;

• барьерная ёмкость.

Выполнение работы

В данном разделе представлен порядок выполнения работы.

Исходные данные

Необходимо вести исходные данные согласно заданному преподавателем номеру варианта. В нашем случае данные соответствуют варианту 4.

Таблица 1

№ варианта	Тип полупроводника	Концентрация акцепторной примеси NA, см–3	Концентрация донорной примеси NД, см–3	Площадь, см2
4	Ge	3·1015	3·1018	3·10–6

На Рисунок 1 изображена схема p-n перехода с исходными параметрами. При таких исходных данных, сильнолегированная область (эмиттер) имеет более высокую концентрацию донорных примесей, поэтому эмиттер обозначается как n+.

Рисунок 1 – p-n переход при исходных данных

Вариант с увеличенным напряжением туннельного пробоя_.

На Рисунок 2 изображена схема p-n перехода с увеличенным напряжением пробоя.

Рисунок 2 – p-n переход с увеличенным напряжением туннельного пробоя

Чтобы увеличить величину напряжения туннельного пробоя, мы уменьшим концентрацию акцепторной примеси до 2,7E+15, так как в формуле (1) для расчета напряжения туннельного пробоя концентрация акцепторной примеси находится в знаменателе.

При уменьшении концентрации акцепторной примеси увеличится значение напряжения туннельного пробоя.

Вариант с уменьшенной барьерной емкостью

На Рисунок 3 изображена схема p-n перехода с уменьшенной барьерной емкостью.

Рисунок 3 – p-n переход с уменьшенной барьерной емкостью

Чтобы уменьшить величину барьерной емкости, мы уменьшим площадь p-n перехода до 2,7E-6, так как в формуле (2) для барьерной емкости площадь p-n перехода является одним из множителей, влияющих прямо пропорционально.

Вариант с уменьшенным тепловым током

На Рисунок 4 изображена схема p-n перехода с уменьшенным тепловым током.

Рисунок 4 – p-n переход с уменьшенным тепловым током

Чтобы уменьшить величину теплового ток, мы увеличим концентрацию акцепторной примеси до 3,3E+15, так как в формуле (3) теплового тока концентрация акцепторной примеси я находится в знаменателе.

При увеличении концентрации акцепторной примеси у уменьшится величина теплового тока.

Далее представлена таблица с результатами наших исследований.

Таблица 2

Характеристики p-n перехода	Исходный вариант	Вариант с увеличенным Uпроб.	Вариант с уменьшенной Сб0	Вариант с уменьшенным I0
Исходные данные
Тип п/п	Ge	Ge	Ge	Ge
NA, см–3	3E+15	2,7E+15	3E+15	3,3E+15
NД, см–3	3E+18	3E+18	3E+18	3E+18
S, см2	3E-6	3E-6	2,7E-6	3E-6
Результаты при Т = 300 К
k0, В	4,2860E-1	4,2588E-1	4,2860E-1	4,3107E-1
w, мкм	5,0312E-1	5,2862E-1	5,0312E-1	4,8111E-1
I0, А	1,8318E-13	1,9371E-13	1,6486E-13	1,7414E-13
Uпроб. л., В	2,1317E+1	2,3070E+1	2,1317E+1	1,9847E+1
Uпроб. т., В	1,4750E+1	1,6389E+1	1,4750E+1	1,3409E+1
Сб0, Ф	8,4475E-14	8,0397E-14	7,6028E-14	8,8345E-14

Вывод: основные характеристики идеализированного р-n перехода такие как: контактная разность потенциалов; толщина; тепловой ток (ток насыщения); напряжение и тип пробоя; барьерная ёмкость определены.

1. Указать направление диффузии и дрейфа в асимметричном р-n переходе при U=0. Какие составляющие (электронная, дырочная) будут преобладать?

Характер тока определяется основными носителями заряда: в полупроводниках р-типа – дырками, а в полупроводниках n-типа – электронами.

Направленное движение носителей заряда под действием сил электрического поля называют дрейфом, а вызванный этим движением ток – дрейфовым током.

Направленное движение носителей заряда из слоя с более высокой их концентрацией в слой, где концентрация ниже, называют диффузией, а ток, вызванный этим явлением, – диффузионным током. Этот ток, как и дрейфовый, может быть электронным или дырочным, в зависимости от преобладающей примеси.

2. Почему диффузия носителей не приводит к выравниванию концентраций?

Собственное электрическое поле p-n перехода – тормозящее для диффундирующих основных носителей (образует потенциальный барьер). Это же поле вызывает встречный дрейф неосновных носителей, т.е. встречный дрейфовый ток. Возникает устойчивое равновесие диффузионного и дрейфового токов, в результате чего тока во внешней цепи нет. Выравнивания концентраций, как это было бы, например, при диффузии газов, не происходит.

3. Какие заряды количественно преобладают вблизи контакта р- и n- областей? Почему на границе областей концентрация подвижных носителей невелика?

Вблизи p преобладают акцепторные примеси, вблизи n – донорные.

Переход основных носителей в смежную область, где они становятся неосновными, приводит к рекомбинации и, поэтому, к уменьшению концентрации основных носителей. В результате в приграничных областях концентрация свободных электронов и дырок низкая, образуется обедненный слой. Следовательно, с обоих сторон преобладают ионы неосновных носителей.

4. Какой окажется контактная разность потенциалов φ k при подаче внешнего напряжения, равного φ k0?

При прямом включении источника + источника подсоединяется к p-области, - к n-области. Поле, создаваемое источником внешнего напряжения, направлено навстречу собственному полю p-n перехода и напряжение источника вычитается из контактной разности потенциалов. Следовательно, разность потенциалов будет равно 0.

5. Как на свойства р-n перехода влияет выбор типа полупроводника?

В первую очередь в зависимости от типа проводника меняется ширина запрещенной зоны. Например, для кремния она равна 1.11, для арсенида галлия 1,42, для германия - 0,67.

Также численно изменяются основные параметры полупроводника, такие как контактная разность потенциалов, толщина, тепловой ток, напряжения лавинного и туннельного пробоя и барьерная емкость. Также меняется подвижность носителей.

6. Как на свойства р-n перехода влияет концентрация примесей?

При увеличении концентрации акцепторной примеси увеличивается контактная разность потенциалов φ k0, Барьерная емкость, уменьшаются толщина, тепловой ток, напряжения лавинного и туннельного пробоя.

При увеличении донорной примеси увеличивается контактная разность потенциалов φ k0, уменьшается толщина и барьерная емкость.

7. Как на свойства р-n перехода влияет его площадь?

При увеличении площади уменьшается тепловой ток, при уменьшении, соответственно, тепловой ток увеличивается.

8. Каким должен быть р-n переход с большим напряжением лавинного пробоя? С малым напряжением туннельного пробоя?

Большое напряжение лавинного пробоя достигается меньшей концентрацией акцепторной примеси, малое напряжение туннельного пробоя достигается большей концентрацией акцепторной примеси.