Сборник 1

2

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №1

ИССЛЕДОВАНИЕ ИДЕАЛИЗИРОВАННОГО P-N ПЕРЕХОДА

1. Цель работы

Целью настоящей работы является определение основных характеристик идеализированного р-n перехода. Исходными данными являются параметры конструкции: тип полупроводника, концентрация примесей, площадь р-п перехода. Определяются следующие характеристики идеализированного р-п перехода в отсутствие внешнего напряжения:

-контактная разность потенциалов;

-толщина;

-тепловой ток (ток насыщения);

-напряжение и тип пробоя;

-барьерная ёмкость.

2. Краткие теоретические сведения

Р-п переход является одним из самых распространенных видов контактов, используемых в электронике. Его главным свойством является односторонняя проводимость, т.е. способность хорошо проводить ток только при одной полярности приложенного напряжения (прямое напряжение). При обратном напряжении ток на несколько порядков меньше.

В идеальном случае р-п переход представляет собой контакт однородных полупроводников р и п типа. Как правило, одна из областей имеет намного более высокую концентрацию донорной примеси Nд или акцепторной примеси Na. Такие переходы называют асимметричными, их сильнолегированную область - эмиттером, слаболегированную - базой.

На границе р и п областей существуют значительные градиенты концентрации свободных электронов и дырок dn/dx и dp/dx. Поэтому в р-n переходе даже в отсутствие внешнего напряжения происходит диффузия основных носителей в смежную область, т.е. наблюдается диффузионный ток основных носителей. 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

4

концентрация свободных электронов и дырок низкая, образуется обедненный слой. Заряды ионов примесей в нём остаются некомпенсированными. Некомпенсированные ионы примесей в приграничных областях являются здесь наиболее количественно значимыми зарядами. Эти заряды создают собственное электрическое поле р-n перехода.

Собственное электрическое поле р-n перехода - тормозящее для диффундирующих основных носителей. 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.

Собственное электрическое поле р-n перехода характеризуют контактной разностью потенциален В идеализированном р-n переходе

где - термический потенциал, - концентрации примесей, собственная концентрация:

поле перехода исчезает и перестает препятствовать протеканию большого

Протяженность приграничных областей с некомпенсированными ионами примесей называют толщиной р-n перехода w. Для идеализированного р-n перехода

От толщины р-n перехода зависит напряженность поля при обратном напряжении Если напряженность превышает критическую Екр, возникает пробой. Поэтому толщина р-n перехода определяет напряжение пробоя, для увеличения которого одну из областей - базу делают слаболегированной. Типичные значения w 0,1...2 мкм.

5

Анализ процессов в идеализированном р-n переходе приводит к так называемой формуле Шокли или теоретической ВАХ:

(4) где — тепловой ток (ток насыщения), I и U — ток и напряжение перехода.

Величина определяет величины и не только идеализированного, но и в некоторой степени реального р-n перехода. Для идеализированного р-n перехода

(5)

где D - коэффициент диффузии, S — площадь р-n перехода, L — диффузионная длина, - концентрация примеси в базе. Значения изменяются в больших пределах в зависимости от типа полупроводника, площади, особенностей изготовления и температуры р-n перехода.

В зависимости от толщины р-n перехода в нём возникает лавинный или, в очень тонких р-n переходах, туннельный пробой. Напряжение лавинного

пробоя можно рассчитать по приближенной формуле:

3

(6)

(7)

Возникает тот пробой, напряжение которого меньше. При характер пробоя - смешанный.

Барьерная емкость р-n перехода во многом определяет его инерционность, т.е. частотные и импульсные свойства. Для идеализированного р-n перехода в отсутствие напряжения

Характеристики реальных р-n переходов оказываются несколько иными из-за влияния сопротивления и неоднородности областей, неидеальности структуры и поверхности полупроводника и других факторов, не учитываемых в идеализированном р-n переходе. Реальные переходы отличаются также намного более сложным влиянием температуры, чем это учитывается в приведённых выше соотношениях. Поэтому исследование реальных р-n переходов является предметом других лабораторных работ.

6

3.Методические указания по выполнению лабораторной работы

3.1.Вызвать программу лабораторной работы, для чего кликнуть мышью на ярлыке ЛАБ1 на рабочем столе.

3.2.Ввести исходные данные согласно заданному преподавателем номеру варианта 1...12 и данным таблицы 1. При вводе чисел пользоваться

экспоненциальной формой записи. Например, число следует записать,

как ЗЕ17, число как 1Е-6. После набора каждого числа нажимать ENTER.

3.3.Перенести в отчёт рисунок р-n перехода с экрана.

3.4.Перенести в таблицу 2 результаты расчёта.

3.5.Исходя из теоретических сведений, предложить вариант конструкции

сувеличенным напряжением пробоя Внести исходные данные и результаты в таблицу 2.

3.6.Исходя из теоретических сведений, предложить вариант конструкции

3.7.Исходя из теоретических сведений, предложить вариант конструкции

суменьшенным тепловым током Внести исходные данные и результаты в таблицу 2.

4. Содержание отчета

Отчёт должен содержать:

-название и цель работы;

-рисунок р-n перехода с поясняющими надписями, согласующимися с заданным вариантом (как на экране);

-полностью заполненную таблицу 2.

5. Контрольные вопросы

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

2.Почему диффузия носителей не приводит к выравниванию концентраций?

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

4.Какой окажется контактная разность потенциалов при подаче внешнего напряжения, равного

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

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

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

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

7

Таблица 1. Данные исходных вариантов

Таблица 2. Результаты исследований

р-n переходе, собственное поле обуславливает равновесие диффузии и дрейфа и «перемешивания» носителей не происходит.

Рис. 1 Металло-полупроводниковые переходы при

Аналогично, при в m-n переходе образуется обедненный слой, а в т-р - обогащенный. Поэтому в этом случае m-n переход - выпрямляющий (Шотки), а т-р - омический.

Рис.2. Металло-полупроводниковые переходы при

В реальном металло-полупроводниковом переходе обычно существует еще один слой зарядов - на поверхности полупроводника (поверхностный заряд). Он возникает из-за дефектов кристаллической решетки полупроводника в его поверхностном слое и из-за захвата поверхностью посторонних акцепторных и донорных примесей. Поверхностный заряд может сильно влиять на электрические характеристики перехода, вплоть до изменения самого характера контакта (омический или Шотки). Поэтому диоды Шотки получили распространение намного позже р-n диодов, когда была создана технология, обеспечивающая высококачественный контакт металла с предельно чистой и бездефектной поверхностью полупроводника. Только у таких переходов контактная разность потенциалов близка к идеализированному значению

10

(1)

В настоящей работе металло-полупроводниковый переход полагается идеальным, описывающимся уравнением (1).

Если контакт омический, т.е. предназначен для подключения к полупроводниковой области, его наиболее важным параметром является сопротивление R. У такого контакта сопротивление практически не зависит от сопротивления m-области и обогащенного слоя. Поэтому R омического контакта определяется размерами и параметрами нейтральной части полупроводника:

(2)

где L и S — толщина и площадь поперечного сечения нейтрального слоя, и N - коэффициент подвижности и концентрация примеси в полупроводниковой области.

В случае контакта Шотки, когда используются его нелинейные свойства, важнейшими параметрами являются:

1. Контактная разность потенциалов в отсутствие внешнего напряжения

(1). Её величина примерно соответствует значению прямого напряжения при котором собственное поле перехода и обедненный слой практически исчезают и возникает большой прямой ток. определяет тепловые потери

и к.п.д. выпрямителей с диодами Шотки. По этим параметрам они значительно превосходят кремниевые р-n диоды.

2. Тепловой токопределяющий масштаб идеализированной ВАХ:

(3)

где А - константа, зависящая от типа полупроводника, Т - абсолютная температура, - термический потенциал.

3. Толщина перехода L, от которой зависит напряженность поля в

переходе Е U/L и поэтому - напряжение пробоя. Так как концентрация подвижных носителей в металле и полупроводнике высокая, толщина перехода определяется практически только толщиной обедненного слоя. В отсутствие внешнего напряжения толщина идеализированного контакта Шотки определяется аналогичным для р-n перехода выражением: