Описание лабораторных работ

МИРОШНИКОВА И.Н.

кафедра Полупроводниковой электроники

Описание лабораторных работ по дисциплине

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОНИКИ часть I

Твердотельная электроника

Лабораторная работа № 1

Исследование статических вольт-амперных характеристик полупроводниковых диодов

Цель работы: изучение принципа работы полупроводникового диода.

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.

Рис. 1.1. Зонная структура полупроводника:

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

Произведение концентраций свободных электронов и дырок в полупроводнике равно квадрату собственной концентрации носителей заряда n0 p0 = ni2. Из этого соотношения

находят концентрацию неосновных носителей заряда, т.е. дырок в полупроводнике n- типа и электронов в полупроводнике p-типа.

Удельная электропроводность полупроводника σ (σ=1/ρ, где ρ – удельное сопротивление) прямо пропорциональна концентрации свободных носителей заряда и их подвижности μ:

для электронного Ge: μ1 = 50 см2/(В∙с); μ2 = 3850 см2/(В∙с); N0 = 8,1∙1016 см –3; a = 0,48;

b = [0,269∙ln(N) 10,9] при N < 1020 см –3; b = 1,5 при N > 1020 см–3;

для дырочного Ge: μ1 = 42 см2/(В∙с); μ2 = 1860 см2/(В∙с); N0 = 1,4∙1017 см –3; a = 0,42; b = [0,33∙ln(N) 14,5] если N < 1020 см–3; b = 1,5 если N > 1020 см–3.

Полупроводниковым диодом называют полупроводниковый 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.

Eопз

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); nn0 и pp0 – концентрации основных 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 близко к υk, носители смогут переходить через барьер, и через диод будет течь значительный ток.

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

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:

Умножив плотность тока на площадь p-n-перехода получим ток через диод:

следовательно, ток через p-n-переход равен току насыщения.

Формула (1.10) 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 электроннодырочных пар в ОПЗ, при прямом смещении рекомбинация носителей в ОПЗ увеличивает общий ток. Плотность тока рекомбинации-генерации носителей заряда в ОПЗ:

Влияние эффектов высокого уровня инжекции тоже искажает ВАХ. Кроме того, вследствие саморазогрева прибора (выделение мощности I∙U) растет температура, и меняются параметры p-n-перехода. 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. Реальная ВАХ диода приведена на рисунке 3

Согласно идеализированной теории p-n перехода I ~ ехр [U/(υТ)]. При изменении тока в 10 раз (на декаду) напряжение получает приращение U = 2,3 υТ. Путем экстраполяции прямой ветви ВАХ идеализированного p-n-перехода, построенной в полулогарифмическом масштабе, 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/(mυТ). Если наклон соответствует коэффициенту m = 2, то преобладающим механизмом, определяющим протекание тока в диоде, считаются процессы генерации и рекомбинации носителей заряда в ОПЗ, что позволяет экстраполяцией участка с наклоном U/(2υТ) найти значение тока I +rg0.

При домашней подготовке необходимо ознакомиться с типами р-n-переходов, изучить принцип работы полупроводникового диода, рассмотреть особенности ВАХ реальных диодов ([1] – с. 117-128, [2]).

Предварительное расчетное задание

1.Провести расчет υk, Is и rб диодов на основе германия и кремния.

2.Рассчитать и построить ВАХ диодов при 300 К с учетом сопротивления базы.

Данные к расчету

Взять из задания к типовому расчету согласно номера в журнале

Рабочее задание

1.Занести в протокол тип, маркировку и приводимые в справочнике основные электрические параметры исследуемых диодов.

2.Измерить прямую и обратную ветви ВАХ диодов, результаты занести в

таблицы.

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

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 υk.

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

Контрольные вопросы

1.Какие заряды образуют ОПЗ?

2.От каких параметров полупроводникового диода зависит величина контактной разности потенциалов?

3.Что происходит с величиной потенциального барьера при подаче на р-n-переход прямого и обратного напряжений?

n

(логарифмический масштаб)

3 2

1

Nd

Рис. 2. Температурная зависимость концентрации свободных носителей заряда

Значение подвижности рассчитывается по формуле (1.2), а затем по формулам (1.8) и (1.9) рассчитать необходимые величины.

При домашней подготовке необходимо ознакомиться с температурными зависимостями в диодах ([1] – с. 33-53, 117-128? [2]).

Предварительное расчетное задание

1.Провести расчет υk, Is и rб диодов на основе германия и кремния при 250,

300 и 350 К.

2.Рассчитать и построить ВАХ диодов при 250, 300 и 350 К с учетом сопротивления базы.

Данные к расчету

Взять из задания к типовому расчету согласно номера в журнале

Рабочее задание

1.Занести в протокол тип, маркировку и приводимые в справочнике основные электрические параметры исследуемых диодов.

2.Измерить прямую и обратную ветви ВАХ диодов, результаты занести в

таблицы.

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

Анализ результатов измерений

1.Графически оценить значение υk.

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

Контрольные вопросы

1.Объясните зависимость от температуры концентрации носителей и положения уровня Ферми.

2.Объясните зависимость подвижности от температуры и концентрации ионов

примеси.

3.Объясните электропроводность полупроводников и ее зависимость от температуры. Определение Eg по температурным зависимостям электропроводности.

4.Какие параметры диода изменяются при повышении температуры?

Лабораторная работа № 3

Изучение статических характеристик биполярного транзистора, включенного по схеме с общей базой

Цель работы: изучение принципа работы биполярного транзистора.

Биполярный транзистор – это полупроводниковый прибор с двумя p-n- переходами и тремя или более выводами, усилительные свойства которого обусловлены явлениями инжекции и экстракции неосновных носителей заряда. Биполярный транзистор – активный прибор, так как он позволяет осуществлять усиление мощности.

Биполярный транзистор состоит из трех областей чередующегося типа электропроводности (рисунок 3.1), которые образуют два p-n-перехода, расположенных в непосредственной близости один от другого. В зависимости от порядка расположения областей различают p-n-p и n-p-n-транзисторы. Условное обозначение транзистора показано на рисунке 3.2. В активном режиме работы транзистора (режиме усиления мощности) на эмиттерный переход подается прямое смещение, а на коллекторный переход – обратное.

В p-n-p-транзисторе эмиттерный p-n-переход при прямом смещении инжектирует дырки из эмиттера в базовую область транзистора. Как правило, концентрация

легирующей примеси в эмиттере значительно больше, чем в базе, в этом случае ток дырок Iэp, инжектируемых в базу, практически равен полному току эмиттера Iэ. Эффективность

эмиттера характеризуется коэффициентом инжекции γ = Iэp /Iэ, который должен быть близок к единице.

Часть дырок, инжектированных эмиттером, будет рекомбинировать в базе с

электронами. Если толщина базы w много меньше диффузионной длины дырок в базе Lp, то большинство дырок дойдет до коллектора. Коллекторный переход смещен в обратном направлении, поэтому все дырки, дошедшие до ОПЗ коллектора, будут захвачены электрическим полем перехода и переброшены в квазинейтральную область коллектора – произойдет экстракция дырок коллектором. Эффективность перемещения неосновных

носителей через базу характеризуется коэффициентом переноса ж = Iкp /Iэp, где Iкp – ток дырок, достигающих границы ОПЗ коллекторного перехода. Значение κ в транзисторе

с малым отношением w/Lp близко к единице.

При токе эмиттера Iэ = 0 через коллекторный переход протекает обратный ток, обусловленный приложенным к нему обратным напряжением, как в изолированном p-n-

где αN = γ ж – коэффициент передачи тока эмиттера при нормальном включении, т.е.,

когда эмиттер инжектирует электроны, а коллектор – собирает. (Возможен и инверсный режим, когда коллектор инжектирует электроны, а эмиттер – собирает.)

Транзистор может быть включен по схеме с общей базой ОБ (базовый вывод на земле, он является общим для входной и выходной цепей), с общим эмиттером и общим коллектором. Схемы включения транзистора показаны на рисунке 3.3.