Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

Лабник тверд эл

.pdf
Скачиваний:
48
Добавлен:
31.03.2015
Размер:
1.62 Mб
Скачать

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ МЭИ

____________________________________________________

И.Н. МИРОШНИКОВА, О.Б. САРАЧ, Б.Н. МИРОШНИКОВ

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОНИКИ ТВЕРДОТЕЛЬНАЯ ЭЛЕКТРОНИКА

Лабораторные работы Биполярные диоды и транзисторы Полевые транзисторы

Методическое пособие по курсу

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОНИКИ

Часть I Твердотельная электроника

для студентов, обучающихся по направлению «Электроника и наноэлектроника»

Москва

Издательский дом МЭИ

2013

 

1

УДК 621.383

М

Утверждено учебным управлением МЭИ Подготовлено на кафедре полупроводниковой электроники

Рецензенты: доктор технических наук, профессор А.И. Попов.

М Физические основы электроники (твердотельная электроника). Лабораторные работы: методическое пособие И.Н. Мирошникова, О.Б. Сарач, Б.Н. Мирошников. М.: Издательство МЭИ, 2013. 96 с.

Представлены теоретические сведения и методика выполнения цикла лабораторных работ по исследованию электрических явлений в полупроводниковых приборах, методах исследования их характеристик.

Методические указания предназначены для обеспечения учебного процесса при многоуровневой подготовке специалистов по укрупненной группе специальностей и направлений подготовки 210100 «Электроника и наноэлектроника», а также для образовательных программ технической и педагогической направленности.

© Национальный исследовательский университет МЭИ, 2013

Мирошникова Ирина Николаевна Сарач Ольга Борисовна Мирошников Борис Николаевич

Методическое пособие по курсу «Физические основы электроники», часть I «Твердотельная электроника»

для студентов, обучающихся по направлению «Электроника и наноэлектроника»

Редактор издательства

____________________________________________________________

Темплан издания МЭИ 2012, метод.

Подписано в печать

Печать офсетная

 

 

Формат 60×84/16

Физ. печ. л. 2,8

Тираж 200 экз. Изд. № Заказ

____________________________________________________________

2

Лабораторная работа № 1. Исследование статических вольтамперных характеристик полупроводниковых диодов

Цель работы: изучение принципа работы полупроводниковых диодов и светодиодов.

Контролируемое введение примеси, легирование, позволяет управлять концентрацией свободных носителей заряда в полупроводнике. Если атомы примеси отдают электроны, примесь называется донорной. Уровень донорной примеси Ed находится в запрещенной зоне вблизи дна зоны проводимости Ec (рисунок 1.1). Для ионизации атомов примеси требуется энергия Ec–Ed. Для Si и Ge донорной примесью могут быть элементы пятой группы. Если атомы примеси принимают электроны, примесь называется акцепторной. Уровень акцепторной примеси Ea находится в запрещенной зоне вблизи потолка валентной зоны Ev. Для ионизации атомов примеси требуется энергия Ea Ev. Для Si и Ge акцепторной примесью могут быть элементы третьей группы.

а) б)

Рис. 1.1. Зонная структура полупроводника:

а) полупроводник n-типа (электронный); б) полупроводник p-типа (дырочный)

При температурах, близких к комнатной концентрации основных носителей заряда совпадает с концентрацией легирующей примеси: nn0 Nd , pp0 Na .

Произведение концентраций свободных электронов и дырок в полупроводнике равно квадрату собственной концентрации носителей заряда nn0 pn0 pp0 np0 ni2 . Из этого соотношения находят концентрацию

неосновных носителей заряда, т.е. дырок в полупроводнике n-типа ( pn0 ) и электронов в полупроводнике p-типа ( np0 ).

Удельная электропроводность полупроводника σ ( 1 , где –

удельное сопротивление) прямо пропорциональна концентрации свободных носителей заряда и их подвижности μ:

q n n p p ,

(1.1)

где q – элементарный заряд (q=1,610–19 Кл).

3

Для расчета подвижности в германии может быть использована эмпирическая формула:

 

 

 

μ2

 

 

 

 

T

b

,

 

μ(N,T ) μ

 

 

 

 

 

 

 

 

(1.2)

1 (N / N

 

)a

300

 

1

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

где N Nd Na

суммарная концентрация ионов доноров и

акцепторов,

остальные

величины

являются

эмпирическими

постоянными.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Германий (Ge)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Носители

 

 

 

 

 

 

N0, см –3

 

a

b

 

заряда

 

 

см2/(В∙с)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Электроны

 

50

 

3850

 

8,11016

 

0,48

0,269ln(N) 10,9

 

Дырки

 

42

 

1860

 

1,41017

 

0,42

0,33ln(N) 14,5

Для расчета подвижности в кремнии (Si) и арсениде галлия (GaAs) следует использовать следующую также эмпирическую формулу:

μ(N,T ) μ max

B N

 

 

 

 

T

 

 

 

 

1 B N

 

 

 

 

 

300

 

 

 

T

b

 

 

 

,

 

300

(1.3)

где

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

N

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

g

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

min max

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

N

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

B N

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

 

 

 

(1.4)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

min

max

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

T 300K

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Тип п/п

Тип

 

 

max

,

 

 

 

 

 

 

min

,

 

N

g

,

 

 

 

 

носителей

 

 

 

 

 

 

 

 

материала

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

заряда

 

см2/(В·с)

 

 

 

 

см2/(В·с)

 

см-3

 

 

 

 

 

Si

Электроны

 

1414,0

 

 

 

 

 

 

 

68,5

 

 

9,2∙1016

2,42

0,26

 

0,71

Дырки

 

470,5

 

 

 

 

 

 

 

44,9

 

 

2,2∙1017

2,20

0,36

 

0,72

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

GaAs

Электроны

 

9400,0

 

 

 

 

 

750,0

 

 

7∙1016

2,3

0,50

 

0,5

Дырки

 

450,0

 

 

 

 

 

30,0

 

 

 

 

5∙1017

2,3

0,45

 

0,5

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Полупроводниковым диодом называют прибор с одним p-n- переходом и двумя выводами. Структура диода на основе p-n-перехода и его потенциальная диаграмма показаны на рисунке 1.2, а, условное обозначение – на рисунке 1.2, б.

4

Рис. 1.2. Диод на основе p-n перехода (здесь Na > Nd)

На границе областей n- и p-типа проводимости существует область, обедненная подвижными носителями заряда, – область пространственного заряда (ОПЗ). Нескомпенсированные ионы акцепторов у границы раздела создают отрицательный объемный заряд Q = qNa, нескомпенсированные ионы донорной примеси создают положительный объемный заряд Q+= qNd+. В результате в ОПЗ образуется внутреннее электрическое поле Eопз, препятствующее перемещению электронов из n-области в p-область и дырок из p– области в n-область.

Разность потенциалов между границами ОПЗ υk называется

контактной разностью потенциалов. Для резкого (ступенчатого) p-n-

перехода

k

Т ln

N

d

N

a

Т ln

n

n0

T ln

p p

.

(1.5)

 

 

 

 

 

 

n

2

 

np

pn0

 

 

 

i

 

 

 

 

 

Здесь υT = kT/q – тепловой потенциал равный 0,026 В при комнатной температуре, T – абсолютная температура (в Кельвинах), k – постоянная Больцмана (k=8,61710–5 эВ/К); np0 и pn0 – концентрации неосновных

носителей заряда в соответствующих областях в состоянии термодинамического равновесия.

При приложении к p-n-переходу внешнего напряжения практически все оно падает на ОПЗ, так как ОПЗ имеет наиболее высокое сопротивление. Если «+» источника напряжения соединяется с n- областью, а « » – с p-областью, внешнее электрическое поле совпадает по направлению с внутренним, высота потенциального барьера увеличивается и становится равной υk+U. Это обратное включение.

Если «+» источника напряжения соединяется с p-областью, а « » – с n-областью, внешнее электрическое поле направлено против внутреннего, высота потенциального барьера уменьшается и становится равной υk U. Это прямое включение. Если внешнее напряжение будет

5

близко к υk, носители смогут переходить через барьер, и через диод будет течь значительный ток.

Вольт-амперная характеристика (ВАХ) диода на основе p-n-

перехода показана на рисунке 1.3. При приложении напряжения состояние ТДР нарушается. При обратном смещении ОПЗ расширяется, потенциальный барьер повышается, концентрация неосновных носителей заряда (np и pn) будет меньше равновесной (np0 и pn0).

I

Идеальная

характеристик

Реальная

характеристи

Is

φk U

Рис. 1.3. Вольт-амперная характеристика диода

При приложении прямого смещения носители будут преодолевать понизившийся потенциальный барьер. Электроны за счет диффузии (т.е. из-за разницы концентраций) будут проникать из n-области в p- область, а дырки – из p-области в n-область, концентрация неосновных носителей заряда вблизи ОПЗ будет выше равновесной. Этот процесс называется инжекцией. Распределение концентраций носителей при прямом смещении показано на рисунке 1.4.

Концентрация носителей на границе ОПЗ:

 

pn хn pno exp U T .

(1.6)

np хp npo exp U T .

(1.7)

Зависимость распределения концентрации носителей от координаты определяется длиной области. В случае длинной области, превышающей утроенную диффузионную длину 3 Lp неосновных

носителей тока

pn x pn0 pn хn pn0 exp x Lp .

(1.8)

6

Рис. 1.4. Распределение концентрации носителей при прямом смещении

В случае короткой области

 

sh

W x

 

 

 

pn x pn0 pn хn pn0

 

Lp

 

.

(1.9)

 

 

 

sh

W

 

 

 

 

 

 

 

 

Lp

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Для расчета концентрации электронов формулы аналогичные.

Если количество инжектированных неосновных носителей заряда много меньше количества основных носителей заряда – это низкий уровень инжекции (НУИ).

Плотность диффузионного тока дырок на границе ОПЗ (x=xn):

 

qD p p

n0

 

U

 

 

J p диф =

 

e

Τ 1 .

(1.10)

 

 

 

Lp

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

плотность диффузионного тока электронов на границе ОПЗ (x= xp):

 

qDnn p0

 

U

 

 

Jn диф =

 

e

T 1 .

(1.11)

Ln

 

 

 

 

 

где Dn и Dp – коэффициенты диффузии электронов и дырок, см2/(В·с);

Dn

 

kT

n T n ,

Dp

 

kT

p T p

(1.12)

q

q

 

 

 

 

 

 

 

Ln – диффузионная длина электронов в p-области, Lp – диффузионная длина дырок в n-области:

 

 

 

 

 

 

 

Lp

Dp p ,

Ln

Dn n ,

(1.13)

Где τn – время жизни электронов в p-области, τp – время жизни дырок в n-области.

При условии НУИ и отсутствии генерации и рекомбинации носителей заряда в ОПЗ полная плотность тока через диод:

 

U

 

(1.14)

J = Js e

T 1 .

 

 

 

 

7

где Js – плотность тока насыщения:

 

 

 

 

 

 

 

q Dn np

 

q Dp

pn

 

2

 

 

D

 

 

 

 

Dp

 

(1.15)

J

 

J

 

J

 

 

 

 

 

 

 

q n

 

 

n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

s

 

sn

 

sp

 

L

 

L

p

 

i

 

 

L

p

p

L

p

n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n

 

 

 

 

 

 

 

n

 

 

n

 

Умножив плотность тока на площадь p-n-перехода S, получим ток

через диод:

 

 

 

 

I = Is eU T

1 .

(1.16)

 

 

 

 

При U > 0

ток экспоненциально растет с ростом напряжения, при

U < 0 exp U Т

<<1, следовательно,

ток через

p-n-переход равен току

насыщения.

Формула (1.16) описывает ВАХ идеализированного p-n-перехода. В реальных диодах напряжение падает не только на ОПЗ, но и на слаболегированной области диода – базе:

U T ln I

 

I S 1 I rБ .

(1.17)

Сопротивление базы

r

1

 

 

lБ U

 

 

 

 

 

 

Б

 

 

S

 

 

 

 

 

При обратном смещении ток через диод увеличивается из-за генерации электронно-дырочных пар в ОПЗ, при прямом смещении рекомбинация носителей в ОПЗ увеличивает общий ток. Плотность тока рекомбинации-генерации носителей заряда в ОПЗ:

J RG 0

(U )

q ni

W (U )

,

(1.18)

eff

 

 

 

 

где W (U ) – ширина ОПЗ, а eff – эффективное время жизни носителей заряда:

 

 

 

 

 

 

 

ln

p

.

 

 

eff

 

 

n

 

p

(1.19)

 

 

 

 

 

n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Для многих практических случает можно использовать следующие формулы:

– прямое смещение p-n-перехода:

 

 

 

 

 

пр

n p ,

(1.20)

– обратное смещение p-n-перехода:

 

обр n p .

(1.21)

8

Ширина ОПЗ согласно зависит от смещения. Для ступенчатого p-n- перехода ширина ОПЗ:

W U

 

2

0 s

 

 

U

N d

Na

 

,

(1.22)

 

q

k

N d

Na

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

где ε0 – электрическая постоянная (ε0 = 8,85410 –14 Ф/см),

s – относительная диэлектрическая проницаемость материала.

Влияние эффектов высокого уровня инжекции тоже искажает ВАХ. Прямая ветвь ВАХ диода показана на рисунках 1.5, 1.6.

Рис. 1.5. ВАХ с учетом

Рис. 1.6. Прямая ветвь ВАХ

сопротивления базы в

полупроводникового диода в

линейном масштабе

полулогарифмическом масштабе

Кроме того, вследствие саморазогрева прибора (выделение мощности IU) растет температура, и меняются параметры p-n-перехода (см. Лабораторную работу №2). При приложении большого обратного напряжения происходит пробой из-за лавинного увеличения количества носителей заряда в ОПЗ или из-за туннелирования электронов через ОПЗ. Он может перейти в тепловой пробой, ведущий к необратимому изменению характеристик.

Согласно идеализированной теории p-n-перехода I ~ exp U Т . При изменении тока в 10 раз (на декаду) напряжение получает приращение U = 2,3 Т . Путем экстраполяции прямой ветви ВАХ идеализированного p-n-перехода, построенной в полулогарифмическом масштабе (рисунок 1.6), к напряжению U = 0 можно найти значение тока насыщения Is. В области малых напряжений наклон ВАХ кремниевых диодов может быть меньше и определяться показателем экспоненты U/(m Т ). Если наклон соответствует коэффициенту m = 2, то преобладающим механизмом, определяющим протекание тока в диоде, считаются процессы генерации и рекомбинации носителей

9

заряда в ОПЗ, что позволяет экстраполяцией участка с наклоном U/(2 Т ) найти значение тока Irg 0 .

При домашней подготовке необходимо ознакомиться с типами р-n- переходов, изучить принцип работы полупроводникового диода, рассмотреть особенности ВАХ реальных диодов.

Предварительное расчетное задание

1.Провести расчет υk, Is и rб диодов.

2.Рассчитать и построить ВАХ идеального диода и ВАХ реального диода при температуре 300 K в одной системе координат.

Данные к расчету

Взять из задания к типовому расчету согласно номеру в журнале

Рабочее задание

1.Получить у преподавателя диод, отметить в протоколе материал, из которого сделан диод.

2.Измерить прямую и обратную ветви ВАХ диодов при масштабах ±5 В по напряжению и ±5 или ±15 мА, результаты занести в таблицы.

3.Отдельно промерить обратную ВАХ диода при масштабе ±100 В.

4.Построить графики ВАХ диодов в линейных масштабах по осям.

5.По усмотрению преподавателя, получить второй диод и повторить п. 1-4.

Анализ результатов измерений

1.Перестроив график прямой ветви ВАХ в полулогарифмическом масштабе, установить, есть ли на ней участок, соответствующий идеализированной теории p-n-перехода. Если такой участок есть, найти

значение тока насыщения Is. Если наклон в области малых напряжений соответствует коэффициенту m = 2, найти значение тока I +RG0.

2.По наклону прямолинейного участка прямой ветви ВАХ, построенной в линейном масштабе, приближенно найти значение сопротивления базы rб.

3.Графически оценить значение υk. При больших значениях прямого тока падение напряжения на ОПЗ приближается к значению

контактной разности потенциалов, т.е. U ≈ υk. Напряжение на диоде Uд=I rб+U, и, следовательно, при I = 0 на оси напряжений отсекается величина, приблизительно равная контактной разности потенциалов φk.

3. Сравнить экспериментально полученные ВАХ диодов с рассчитанными, объяснить различия.

Указания к отчету

Отчет должен содержать:

10