Лабник тверд эл

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»

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

____________________________________________________________

____________________________________________________________

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:

где q – элементарный заряд (q=1,6∙10–19 Кл).

3

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

Здесь υT = kT/q – тепловой потенциал равный 0,026 В при комнатной температуре, T – абсолютная температура (в Кельвинах), k – постоянная Больцмана (k=8,617∙10–5 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.

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

носителей тока

6

Рис. 1.4. Распределение концентрации носителей при прямом смещении

В случае короткой области

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):

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

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

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

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:

7

где Js – плотность тока насыщения:

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

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:

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:

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

Для многих практических случает можно использовать следующие формулы:

8

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

где ε0 – электрическая постоянная (ε0 = 8,854∙10 –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.

Кроме того, вследствие саморазогрева прибора (выделение мощности I∙U) 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