- •Физические основы электронной техники
- •Содержание
- •1. Исследование характеристик полупроводникового выпрямительного диода и кремниевого стабилитрона
- •1.1. Цель работы
- •1.2. Программа работы
- •1.3. Краткие теоретические сведения
- •1.4. Описание лабораторного стенда
- •1.5. Указания к выполнению работы
- •1.6. Содержание отчета
- •1.7. Вопросы для самоконтроля
- •1.8. Рекомендованная литература
- •2. Исследование импульсных свойств p-n-перехода
- •2.1. Цель работы
- •2.2. Программа работы
- •2.3. Динамические процессы в р-n-переходе
- •2.4. Описание лабораторной установки
- •2.5. Указания к выполнению работы
- •2.6. Содержание отчета
- •2.7. Контрольные вопросы
- •2.8. Рекомендованная литература
- •3.4. Описание лабораторной установки
- •3.5. Указания к выполнению работы
- •3.6. Содержание отчета
- •3.7. Вопросы для самоконтроля
- •3.8. Рекомендованная литература
- •4. Исследование вольтамперных характеристик полупроводниковых оптопар
- •4.1. Цель работы
- •4.2. Программа работы
- •4.3. Краткие теоретические сведения
- •4.4. Описание лабораторной установки
- •4.5. Указания к выполнению работы
- •4.6. Содержание отчета
- •4.7. Вопросы для самоконтроля
- •4.8. Рекомендованная литература
- •5. Исследование статического и динамического режимов работы биполярного транзистора
- •5.1. Цель работы
- •5.2. Программа работы
- •5.3. Статический и динамический режимы работы биполярного транзистора
- •5.4. Описание лабораторной установки
- •5.5. Указания к выполнению работы
- •5.6. Содержание отчета
- •5.7. Вопросы для самоконтроля
- •5.8. Рекомендуемая литература
- •6. Исследование однокаскадного усилителя на биполярном транзисторе.
- •6.1. Цель работы
- •6.2. Программа работы
- •6.3. Усилительный каскад с общим эмиттером
- •6.4. Описание лабораторной установки
- •6.5. Указания к выполнению работы
- •6.6. Содержание отчета
- •6.7. Вопросы для самоконтроля
- •6.8. Рекомендуемая литература
- •7.4. Описание лабораторной установки
- •7.5. Указания к выполнению работы
- •7.6. Содержание отчёта
- •8.4. Указания к выполнению работы
- •8.5. Содержание отчета
- •8.6. Рекомендуемая литература
2.3. Динамические процессы в р-n-переходе
2.3.1. Емкость р-n-перехода
Инжекция неосновных носителей заряда в случае приложения к р-n-переходу прямого напряжения и экстракция неосновных носителей заряда в случае приложения к переходу обратного напряжения приводят к изменению по сравнению с равновесными концентраций носителей заряда вблизи перехода. Изменение величины приложенного внешнего напряжения вызывает изменение распределения избыточных носителей вблизи перехода, а следовательно, величины суммарного объёмного заряда. Это явление напоминает процессы в обычном конденсаторе, в котором изменение напряжения, приложенного к обкладкам, вызывает изменение накопленного заряда по закону ∆q=С∆U. Поэтому принято считать, что р-n-переход обладает емкостными свойствами или просто ёмкостью. Емкость р-n-перехода оказывает чрезвычайно важное влияние на его импульсные свойства.
Емкостные свойства р-n-перехода различны при прямом и обратном смещениях. Так, при прямом смещении они обусловлены главным образом накоплением избыточных концентраций неосновных носителей заряда в р- иn-областях и характеризуются так называемойдиффузионной емкостью, которая определяется выражением
, (2.1)
где S– площадь р-n-перехода;pn,np– равновесные концентрации дырок вn-области и электронов в р-области;Lp,Le– диффузионные длины дырок вn-области и электронов в р-области;U– внешнее напряжение, приложенное к р-nпереходу; Т – температура полупроводника;k– постоянная Больцмана; е – заряд электрона.
Из уравнения (2.1) видно, что с увеличением прямого напряжения (U>0) диффузионная ёмкость р-n-перехода быстро возрастает. При обратном смещении (U<0) диффузионная ёмкость уменьшается, и при достаточно большой величине обратного напряжения ее можно считать равной нулю.
При обратном смещении емкостные свойства р-n-перехода обусловлены образованием областей объемных зарядов ионизированных примесных атомов и характеризуются так называемойбарьерной ёмкостью, которая для резкого р-n-перехода определяется выражением
, (2.2)
гдеNa,Nд– концентрации атомов акцепторной примеси в р-области и донорной примеси вn-области, соответственно;UK– контактная разность потенциалов р-nперехода;- относительная диэлектрическая проницаемость полупроводника;0– электрическая постоянная.
Из выражения (2.2) следует, что барьерная ёмкость тем больше, чем выше концентрации примесей в полупроводнике и чем меньше напряжение, приложенное к переходу. Учитывать барьерную ёмкость особенно важно при достаточно больших обратных смещениях р-nперехода, так как диффузионная емкость при этом практически равна нулю. При прямом смещении барьерная емкость значительно меньше диффузионной.
Для анализа динамических процессов в р-n-переходе пользуются его эквивалентной схемой замещения, представленной на рис.2.1. Схема содержит два конденсатора Сбари Сдиф, отражающих барьерную и диффузионную ёмкости р-n-перехода, а также два резистораRdиRб. Первый из них отражает электропроводность области объёмных зарядов р-nперехода, а второй – электропроводность р- иn- областей полупроводника, носящих название базы. Характерно, что все элементы в схеме на рис.2.1 являются нелинейными, их параметры зависят от величины и знака приложенного напряженияUд.
Зависимости Сбари Сдифот напряжения рассмотрены выше. СопротивлениеRdпри большом обратном напряжении велико, т.к. в области объёмных зарядов практически отсутствуют подвижные носители. При подаче на р-n-переход прямого напряжения область объёмных зарядов, во - первых, сужается, а во - вторых, обогащается подвижными носителями, что приводит к резкому снижению величиныRd.
Сопротивление Rбзависит от приложенного напряжения слабее, чемRd. Тем не менее при обратном смещении оно больше из-за экстракции неосновных носителей, а при прямом смещении оно меньше из-за инжекции неосновных носителей в р- иn-области полупроводника.
2.3.2. Переходные процессы в р-n-переходе при подаче прямого напряжения
Рассмотрим переходные процессы в р-n-переходе на примере полупроводникового диода, включенного по схеме, приведённой на рис.2.2. Условимся также, что параметры схемы таковы, что при подаче напряжения Е положительной полярности величина токаIв цепи не зависит от процессов, происходящих в диоде. Это возможно в том случае, если сопротивлениеRвнешней по отношению к диоду цепи значительно больше суммарного сопротивления диода.
Наглядное представление о характере происходящих при подаче прямого напряжения переходных процессов дают временные диаграммы напряжений и токов, приведённые на рис.2.3. Проанализируем их.
Прямое напряжение складывается из напряжения на p-nпереходе и напряжения на базе (Uд=U+Uб). При подаче на вход схемы скачком напряжения Е(t) положительной полярности (рис.2.3,а) ток через диод также скачком нарастает до величиныI+=E/R(рис.2.3,б).
В начальный момент времени полное падение напряжения на диоде Uд(рис.2.3,д) равно падению напряженияUбна сопротивлении базыRб(рис.2.3,г) и определяется величиной токаI+
Uд ( 0 ) = Uб ( 0 ) = U1 = RбI+ (2.3)
По мере диффузии неосновных носителей заряда в базу её сопротивление уменьшается, а следовательно, уменьшается и падение напряжения на ней (рис.2.3,г). В то же время напряжение на р-n-переходе возрастает, так как ёмкость р-n-перехода заряжается. Полное падение напряжения на диоде определяется суммой напряженийUбиUи изменяется по закону, показанному на рис.2.3,д.
Если величина тока I+невелика, то уровень инжекции неосновных носителей заряда в р-n-переходе низок, а сопротивление базыRбизменяется незначительно. Диаграмма напряженияUбв этом случае практически повторяет диаграмму токаI(рис.2.3,б), а на диаграмме суммарного напряжения на диодеUдотсутствует первоначальный пикU1, как это показано на рис.2.3,д пунктиром. При больших значениях токаI+наблюдается режим с высоким уровнем инжекции неосновных носителей, который сопровождается бóльшим изменением напряжения на базе (см. рис.2.3,г), при этом на диаграмме напряженияUдпоявляется характерный пик.
2.3.3. Переходные процессы в р-n-переходе при выключении диода
Выключение диода может быть достигнуто либо уменьшением входного напряжения до нуля, либо подачей входного напряжения обратной полярности. Рассмотрим вначале переходные процессы, возникающие в р-n-переходе при снятии скачком входного напряжения. Временные диаграммы этих процессов также представлены на рис.2.3.
В момент tu(рис.2.3,а), когда входное напряжение Е скачком уменьшается до нуля, также скачком уменьшаются до нуля ток диодаI(рис.2.3,б) и падение напряженияUбна сопротивлении базы (рис.2.3,г). В то же время напряжениеUна р-n-переходе скачком измениться не может, так как не могут измениться скачком концентрации неосновных носителей заряда в р- иn-областях. Накопленные вблизи границ р-n-перехода избыточные неосновные носители заряда постепенно рассасываются путём диффузии вглубь базы и рекомбинации там с основными носителями. Ёмкость р-nперехода постепенно разряжается и напряжение на переходе падает (рис.2.3,в). Полное падение напряжения на диоде (рис.2.3,д) при этом равняется падению напряжения на р-n-переходе.
Анализ показывает, что описанный выше процесс снижения напряжения на p-n-переходе подчиняется приближённому закону
(2.4)
где U3– напряжение на р-nпереходе в момент снятия внешнего напряжения (рис.2.3,в); τр– время жизни неосновных носителей заряда в полупроводнике.
Из уравнения (2.4) следует, что напряжение на р-nпереходе уменьшается практически линейно. Это обстоятельство используют для экспериментального определения времени жизни неосновных носителей заряда в базе диода. Величинаропределяется по наклону линейного участкаU(t) по формуле:
(2.5)
где tиUпоказаны на рис.2.3,д.
Следует отметить, что время жизни неосновных носителей заряда зависит от уровня инжекции, которая определяется величиной напряжения Е, приложенного к р-n-переходу. Измерение напряженияU3на р-n-переходе, которое часто называют послеинжекционным, в зависимости от величины прямого тока через диод позволяет найти контактную разность потенциалов на р-n-переходе. С увеличением амплитуды импульсов прямого тока величинаU3стремится к постоянному значению, приближающемуся к контактной разности потенциаловUk.
Рассмотрим теперь переходные процессы, возникающие в р-n-переходе при подаче скачком напряжения обратной полярности. Временные диаграммы, иллюстрирующие рассматриваемый случай, представлены на рис.2.4.
Вмоментt0входное напряжение скачком изменяется от положительного значения Е+до отрицательного значения Е-(рис.2.4,а). Поскольку концентрация неосновных носителей в р- иn- областях диода не может измениться мгновенно, то с момента переключения накопленные неосновные носители начинают диффундировать через р-n-переход в обратном направлении. При этом через диод протекает обратный ток, который может быть довольно значительным. Величина обратного токаI-ограничивается в основном только сопротивлением внешней цепиR(рис.2.2).
Протекание обратного тока сопровождается уменьшением избыточных концентраций неосновных носителей в р- и n-областях, но до тех пор, пока эти концентрации на границах р-n-перехода выше равновесных, обратный ток постоянен (ступенька на рис.2.4,б). Времени жизни τРнеосновных носителей заряда в базе может быть найдено по формуле
, (2.6)
где tст– длительность «ступеньки» обратного тока (см. рис. 2.4б);
функция - интеграл вероятности, график которого приведен на рис.2.5. Аналитически зависимостьотможно аппроксимировать функцией
, (2.7)
где х = , рассчитывается по формуле (2.6).
Из (2.7) можно найти искомую величину времени жизни τРнеосновных носителей заряда в базе:
(2.8)
Для нахождения τРнеобходимо по диаграмме тока диода (рис.2.4,б) определить величиныI-, I+и tст. Далее поI-, I+рассчитывается величина х, подстановка которой в (2.8) позволяет найти искомое τР.
В момент t1(рис.2.4,в) концентрация неосновных носителей заряда на границах р-n-перехода достигает равновесного значения, вследствие чего напряжение на переходе обращается в нуль. С этого момента на р-n-переходе появляется обратное смещение, растущее с течением времени и достигающее в конце концов значения приложенного внешнего напряжения. Кроме того, с моментаt1концентрация неосновных носителей на границах р-n-перехода становится ниже равновесной, зона перехода обедняется носителями, что приводит к снижению обратного тока, который в конце концов достигает величины обратного тока насыщения (рис.2.4,б).
Характер напряжения на сопротивлении базы (рис.2.4,г) определяется характером тока через диод. Полное падение напряжения на диоде (рис.2.4,д) представляет собой сумму напряжений на р-n-переходе и на сопротивлении базы.
Переходные процессы, происходящие при переключении напряжения на р-n-переходе, определяют его быстродействие – основной параметр полупроводниковых приборов, используемых в схемах импульсной и вычислительной техники. Для увеличения быстродействия р-n-перехода необходимо уменьшать его емкость и время жизни неосновных носителей заряда. Первое достигается изготовлением р-n-переходов как можно с меньшей площадью, второе – использованием материалов с высокой скоростью рекомбинации.