МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Московский государственный машиностроительный университет (МАМИ)/Университет машиностроения/

Р.А. Малеев, В.П. Хортов, Е.Н. Волчкова

ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК p-n ПЕРЕХОДА

Учебно-методическое пособие к лабораторным работам по курсу "Физические основы электроники по направлению подготовки 140400 "Электроэнергетика и электротехника" (профиль подготовки «Электрооборудование автомобилей и тракторов»)

Одобрено учебно-методической комиссией по укрупненной группе специальностей и направлений 140000 "Энергетика, энергомашиностроение и электротехника"

Москва 2013

Разработано в соответствии с государственным образовательным стандартом ВПО 2009г. по направлению подготовки 140400 "Электроэнергетика и электротехника" на основе примерной рабочей программы дисциплины "Физические основы электроники"

Рецензенты: к.т.н. профессор кафедры "Автотракторное электрооборудование" Университета машиностроения Ш.М. Нигматуллин к.т.н. доцент кафедры "Автоматика и процессы управления" Университета машиностроения А.С. Зубков.

Работа подготовлена на кафедре "Автотракторное электрооборудование"

Исследование характеристик p-n перехода: учебно-методическое пособие/ Р.А. Малеев, В.П. Хортов, Е.Н. Волчкова. - М.: Университет машиностроения, 2013. – с.21

В учебно-методическом пособии рассматриваются физические процессы, происходящие в p-n переходе, прямые и обратные ветви вольтамперных характеристик как идеальных, так и реальных p-n переходов, приводятся основные характеристики и параметры стабилитронов, методы расчета цепей со стабилитронами, лабораторные работы по исследованию характеристик стабилитронов.

© Р.А. Малеев, В.П. Хортов, Е.Н. Волчкова, 2013

© Университет машиностроения, 2013

СОДЕРЖАНИЕ

Введение…………………………………………………………………………...4

1. Электропроводность полупроводников. Примесные полупроводники……4

2. Закон равновесного состояния носителей зарядов…………………………..6

3. Виды движения носителей зарядов…………………………………………...6

4. Полупроводниковый диод …………………………………………………….7

5. Прямая ветвь вольтамперной характеристики……………………………….9

6. Обратная ветвь вольтамперной характеристики……………………………10

7. Уравнение идеального p-n перехода…………………………………………11

8. Вольтамперная характеристика реального p-n перехода…………………..11

9. Стабилитрон…………………………………………………………………...12

10. Основные параметры стабилитронов………………………………………12

11. Расчет цепей со стабилитронами…………………………………………...14

12. Влияние температуры на вольтамперные

характеристики стабилитронов………………………………………………...15

13. Лабораторная работа. Исследование характеристик p-n перехода ……...16

13.1. Предварительная подготовка …………………………………………….16

13.2. Задание……………………………………………………………………..17

13.3. Порядок выполнения работы……………………………………………..17

13.4. Содержание отчета………………………………………………………...19

13.5. Контрольные вопросы……………………………………………………..19

Литература……………………………………………………………………….21

Введение.

В настоящее время происходит бурное развитие электроники во всех областях техники, в том числе и на автомобилях. На современных автомобилях количество электронных изделий измеряется сотнями, а стоимость электрического и электронного оборудования составляет 50-60% стоимости автомобиля, особенно на гибридных автомобилях. Практически на всех изделиях электрооборудования устанавливаются электронные узлы или детали. Применение электронных приборов повышает качество работы различных изделий автомобиля, увеличивает надежность их работы, а также позволяет улучшить характеристики и точность работы, уменьшить габариты и вес различных изделий и узлов, автоматизировать или облегчить управление узлами автомобиля, увеличить срок службы узлов и деталей автомобиля, повысить безопасность и комфортабельность как для водителя, так и пассажиров.

В электронике практически основное применение находят кремниевые полупроводниковые приборы ввиду более высоких температурных показателей. Понимание работы изделий электроники практически невозможно без знаний в области физических основ электроники, которые являются общими для любых электронных изделий. Поэтому изучение физических основ электроники является основой и базой для изучения электронных изделий и систем современных автомобилей.

Полупроводниковые приборы появились после открытия p-n перехода, который является основой для создания более сложных приборов и систем в том числе и микропроцессорных.

В данном учебно-методическом пособии рассматриваются физические процессы, происходящие в p-n переходе, его характеристика и параметры. Исследования проводятся на кремниевом стабилитроне. Изучаются характеристики стабилитрона в прямом и обратном направлениях, его основные свойства и параметры, методы расчета цепей со стабилитронами.

1 Электропроводность полупроводников. Примесные полупроводники.

При производстве полупроводниковых приборов кроме чистых полупроводниковых материалов, в качестве которых, в основном используются германий и кремний, применяются примесные полупроводники, у которых электропроводность значительно выше и повышается в десятки и сотни тысяч раз в зависимости от концентрации примесей.

Введение примесей, кроме увеличения удельной электропроводности изменяет тип проводности в зависимости от валентности материала примесей. Если в чистый полупроводниковый материал (германий или кремний) относящихся к IV группе валентности добавить материалы, относящиеся к V группе (сурьма, фосфор, мышьяк), атомы которых имеют пять валентных электронов, то один электрон остается свободным. Таким образом образуется полупроводник с электропроводностью n-типа, в которых основной ток создается движением свободных электронов.

Если в чистый полупроводниковый материал (германий или кремний) добавить материалы, относящийся к III группе валентности (индий, галий, алюминий, бор), атомы которых имеют три валентных электрона, то четвертая ковалентная связь с соседними атомами исходного полупроводника в кристаллической решетке остается незаполненной. Недостающий валентный электрон для заполнения связи принимается от одного из соседних атомов кристаллической решетки, т.к. требуемая для этого энергия невелика. Переход электрона приводит к образованию дырки в ковалентной связи соседнего атома, откуда ушёл электрон. Таким образом отсутствие электрона в ковалентной связи равносильно появлению в данном месте положительного заряда, который приписывается «дырке». На энергетической диаграмме образование «дырки» после перехода электрона в зону проводимости отождествляется с появлением вакантного уровня энергии в валентной зоне, что позволяет электронам валентной зоны (находящихся в ковалентных связях с атомами) изменять энергию под действием электрического поля, т.е. перемещаться в кристалле от атома к атому и участвовать в создании тока. Фактическое перемещение валентных электронов при их последовательном заполнении образовавшегося разрыва ковалентной связи формально может быть заменено движением «дырок» между узлами кристаллической решетки в противоположном направлении. Такой полупроводник называется полупроводником p-типа, в котором основными носителями зарядов являются положительно заряженные «дырки».

Следует отметить, что так как электроны перемещаются на свободном уровне энергии, а «дырки» на валентном уровне, где уровень энергии ниже, то полупроводники n-типа имеют большую подвижность и быстродействие и максимальную частоту, чем полупроводники p-типа.

В полупроводниках n-типа и p-типа кроме основных носителей зарядов имеются и неосновные носители, которые создаются за счет увеличения температуры, при которой электроны переходят из валентной зоны в зону проводимости (свободную зону). В чистом полупроводнике при температуре больше абсолютного нуля (-273) переход из валентной зоны в зону проводимости возможен у многих электронов. В результате этого процесса, получившего название «термогенерации носителей заряда», в полупроводнике создается некоторая концентрация электронов в свободной зоне и равная ей концентрация дырок в валентной зоне.

Примеси в полупроводник вносятся в таком количестве, при котором концентрация основных носителей заряда значительных (на два-три порядка) больше концентрации неосновных носителей заряда.