Электр_ЛБ#1

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»

Кафедра «Теории электрических цепей»

Отчёт по лабораторной работе

«Исследование идеализированного p-n перехода»

Дисциплина:

«Электроника»

Выполнил работу студент группы: БИН230У

Xxxx X X

Xxxx X X

Москва 2024 г.

Цель работы

Цель работы состоит в определении основных характеристик идеализированного р-n перехода: – контактной разности потенциалов; – толщины; – теплового тока (ток насыщения); – напряжения и типа пробоя; – барьерной ёмкости. Исходные данные: тип полупроводника, концентрация примесей, площадь р-n перехода.

Теоритические сведения

В идеализированном p-n переходе, образуемом однородно легированными p и n полупроводниками, контактную разность потенциалов можно определить по формуле, где φ_T = kT/q – термический потенциал, N_A, N_Д – концентрации примесей, n_i – собственная концентрация носителей, где N_C, N_V – эффективные плотности состояний, φ_З – ширина запрещенной зоны

Напряжение лавинного электрического пробоя можно рассчитать по эмпирической формуле, где N_б – концентрация примеси в базе p-n перехода

Напряжение туннельного электрического пробоя определяется выражением

Вольт-амперная характеристика (ВАХ) идеализированного p-n перехода описывается формулой Шокли, где I₀ – тепловой ток, U – напряжение на переходе

Тепловой ток выражается формулой, где D – коэффициент диффузии, S – площадь p-n перехода, L – диффузионная длина неосновных носителей в базе

В отсутствие напряжения барьерная ёмкость определяется соотношением

Ход работы

1) Открываем программу LAB1 и вносим исходные значения согласно заданному преподователем варианту

2) Получаем рисунок p-n перехода

3) Увеличиваем напряжение пробоя путем уменьшения концентрации примесей в акцепторной части и записываем значения в таблицу

4) Уменьшаем барьерную емкость путем уменьшения площади p-n перехода и записываем значения в таблицу

5) Уменьшаем тепловой ток путем увеличения концентрации примесей в акцепторной части и записываем значения в таблицу

Хар-ки p-n перехода	Исходный вариант	Вариант с увеличенным Uпроб.	Вариант с уменьшенной Cб0	Вариант с уменьшенным I0
Исходные данные
Тип п/п	Ge	Ge	Ge	Ge
NА, см-3	3*1015	2*1015	3*1015	4*1015
NД, см-3	3*1018	3*1018	3*1018	3*1018
S, см2	3*10-6	3*10-6	2*10-6	3*10-6
Результаты при T = 300 К
φk0, В	4.286*10-1	4.1811*10-1	4.286*10-1	4.3605*10-1
w, мкм	5.0312*10-1	6.085*10-1	5.0312*10-1	4.3955*10-1
I0, А	1.8318*10-13	2.2718*10-13	1.2212*10-13	1.5725*10-13
Uпроб.л., В	2.1317*101	2.8894*101	2.1317*101	1.718*101
Uпроб.т., В	1.475*101	2.2125*101	1.475*101	1.1063*101
Cб0, Ф	8.4475*10-14	6.9834*10-14	5.6317*10-14	9.6708*10-14

Контрольные вопросы

1. Градиент концентрации или концентрационный градиент — это векторная физическая величина, характеризующая величину и направление наибольшего изменения концентрации какого-либо вещества в среде.

2. Наличие градиента концентрации приводит к диффузии - движению носителей заряда из области с большей концентрацией в область с меньшей концентрацией, приводящее к выравниванию концентрации носителей заряда по полупроводнику.

3. Объемный заряд — это распределенный нескомпенсированный заряд, котороый возникает в процессе диффузии.

4. P-n переход называют обедненным слоем из-за малой концентрации в нём подвижных носителей заряда.

5. Дрейфовый ток — это направленное движение носителей в полупроводнике под воздействием электрического поля.

6. В p-n-переходе между диффузионным и дрейфовым токами устанавливается динамическое равновесие, и изменение пространственных зарядов прекращается.

Если к слоям полупроводника приложено внешнее напряжение так, что создаваемое им электрическое поле направлено противоположно существующему в переходе полю, то динамическое равновесие нарушается, и диффузионный ток преобладает над дрейфовым током, быстро нарастая с повышением напряжения.

2. Собственное электрическое поле P-N перехода характеризуется контактной разностью потенциалов . Диффузия не будет проходить до конца.

3. Омические контакты применяются для соединения полупроводниковых приборов, образованных в объёме или на поверхности полупроводникового кристалла, с металлическими проводниками.

Они должны обладать линейной вольтамперной характеристикой, то есть сопротивление омических контактов не должно зависеть от величины и направления электрического тока.

К этим контактам предъявляются дополнительные требования:

они должны иметь малое сопротивление;

не допускать инжекции носителей заряда из металла контакта в полупроводник;

обеспечивать достаточную прочность соединения полупроводникового кристалла и металла контакта.

2. Электрическое сопротивление нейтральных р- и n-областей считается пренебрежимо малым по сравнению с сопротивлением обедненного слоя, т.е. все внешнее напряжение практически полно­стью приложено к обедненному слою.

3. Распределение падения приложенного к п/п диоду внешнего напряжения между обедненной областью и нейтральными p и n областями:

4. При приложении внешнего напряжения к p-n переходу диффузионный ток увеличивается. Это происходит из-за уменьшения потенциального барьера, когда в соседнюю область из-за диффузии переходит большее количество основных носителей зарядов.

Дрейфовый ток при этом не меняется, так как он определяется количеством неосновных носителей на границе p-n перехода. Оно зависит только от степени очистки полупроводника и температуры кристалла.

2. 

3. К основным свойствам p-n перехода относятся:

- свойство односторонней проводимости;

- температурные свойства p-n перехода;

- частотные свойства p-n перехода;

- пробой p-n перехода.

2. Тип влияет на значение тока насыщения I0, что в свою очередь влияет на IПР и IОБР, причём не только идеализированного, но и реального P-N перехода.

2. Площадь влияет на значение тока насыщения, что видно из формулы 3 и барьерной ёмкости - формула 2. Чем больше площадь перехода, тем больше эти два показателя.

2. Пробой p-n-перехода — это резкое увеличение обратного тока при увеличении внешнего обратного напряжения.

3. Существуют следующие виды пробоя:

Туннельный пробой.

Лавинный пробой.

Тепловой пробой.

Поверхностный пробой.

2. Электрический пробой p-n перехода используется на практике для увеличения обратного тока через p-n переход.

Электрический пробой происходит в результате внутренней электростатической эмиссии и под действием ударной ионизации атомов. Под действием сильного электрического поля часть электронов освобождается из ковалентных связей и получает энергию, достаточную для преодоления высокого потенциального барьера p-n перехода. Двигаясь с большой скоростью, электроны сталкиваются с нейтральными атомами и ионизируют их. В результате ударной ионизации появляются новые свободные электроны и дырки. Они, в свою очередь, разгоняются полем и создают дополнительные носители тока.

Описанный процесс носит лавинообразный характер и приводит к значительному увеличению обратного тока через p-n переход.

2. Согласно источнику, вид пробоя p-n перехода зависит от следующих особенностей структуры:

• Туннельный пробой возникает при малой ширине p-n-перехода, когда при большом обратном напряжении электроны проникают за барьер без преодоления самого барьера.

• Лавинный пробой возникает в переходах с большими удельными сопротивлениями базы, то есть в p-n-переходе с широким переходом.

• Тепловой пробой характеризуется сильным увеличением тока в области p-n-перехода в результате недостаточного теплоотвода.

2. Барьерная емкость обусловлена наличием в p-n-переходе ионов донорной и акцепторной примесей, p - и n - области образуют как бы 2 заряженные обкладки конденсатора, а сам обедненный слой служит диэлектриком.

3. барьерная емкость р-п перехода используется в варикапах – диодах, применяемых в качестве конденсаторов переменной емкости.

4. Чтобы уменьшить барьерную емкость, уменьшаем площадь p-n перехода концентрацию акцепторной примеси, поскольку по формуле вычисления барьерной емкости она находится в прямой зависимости от площади и концентрации примеси в базе.

5. Диффузионная ёмкость p-n-перехода обусловлена накоплением в области неосновных для неё носителей (электронов в p-области и дырок в n-области) при прямом смещении.

Диффузионная ёмкость увеличивается с ростом прямого напряжения.