Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
Скачиваний:
22
Добавлен:
07.02.2016
Размер:
352.26 Кб
Скачать

Лабораторна робота № 6-11

Розробка: Покотило В.І., Степанчиков Д.М. 08.03.2017.

Лабораторна робота № 6-11 Дослідження ємнісних властивостей p-n- переходу

Мета роботи:отримати вольтфарадну характеристику (ВФХ) варікапа, визначити коефіцієнт перекриття за ємністю, добротність, контактну різницю потенціалів, коефіцієнт нелінійності ВФХ.

Обладнання: лабораторна установка, генератор змінної частоти.

Теоретичні відомості

Перехід між областями напівпровідника з електропровідністю р- та n- типу називають електронно-дірковим або p-n- переходом. Параметри і характеристики переходу залежать від розподілу концентрацій домішок і геометричних розмірів областей. Якщо концентрація домішок в одній області – емітері значно більша, ніж в іншій – базі, то p-n- перехід є несиметричний. У більшості практичних випадків реалізується саме така ситуація. В умовах рівноваги (при нульовій зовнішній напрузі) область p-n- переходу збіднена вільними носіями і містить однакові за абсолютним значенням додатній та від’ємний заряди некомпенсованих іонів домішок. В цій області існує внутрішнє електричне поле і потенційний бар’єр для основних носіїв. Питомий опір збідненої області на багато порядків вищий за опір сусідніх нейтральних областей (бази та емітера). у стані рівноваги p-n- перехід характеризується висотою потенціального бар’єра (контактною різницею потенціалів) к, товщиною збідненого шару d і максимальною напруженістю внутрішнього електричного поля Em.

Електронно-дірковий перехід має всі властивості конденсатору, адже він складається з двох шарів (“обкладинок”) відносно високої провідності, розділених областю напівпровідника з низькою провідністю. Розглянемоp-n- перехід при оберненому зміщенні, причому поряд із постійною напругою оберненого зміщення на перехід подається ще й невелику змінну напругу з амплітудою(рис.1). Суцільні лінії визначають межі області просторового заряду (ОПЗ) при оберненій напрузі . У проміжок часу, коли наp-n- перехід подається напруга область просторового заряду розширюється (штрихові лінії на рис.1). Вільні носії – електрони вn- області і дірки в р- області, які знаходились в області поміж суцільною та штрихованою лініями, виштовхуються у зовнішнє коло. При напрузі на p-n- переході ширина ОПЗ зменшується (штрих-пунктирні лінії на рис.1), і вільні носії з зовнішнього кола заповнюють області поміж суцільною та точковою лініями. Таким чином, p-n- перехід здатний одну половину періоду коливань змінної напруги накопичувати електричний заряд, а в іншу – віддавати його у зовнішнє коло, тобто має певну ємність. Описаний тип електричної ємності при оберненому зміщенні p-n- переходу має назву бар’єрної ємності (), через те що вона пов’язана з формуванням потенційного бар’єрур-n- переходу.

При прямому зміщенні проявляється інший механізм електричної ємності – дифузійна ємність () електронно-діркового переходу. Така назва віддзеркалює той факт, що зміна повного заряду неосновних носіїв відбувається в результаті дифузії. Існують дві причини, які обумовлюють дифузійну ємністьp-n- переходу. Перша з них – та сама, що і при оберненій напрузі, це зміна заряду ОПЗ. Друга полягає у тому, що в залежності від прямої напруги, прикладеної до p-n- переходу, змінюється концентрація інжектованих носіїв у нейтральних областях поблизу межі p-n- переходу. Це призводить до зміни заряду, обумовленого цими носіями.

Повну ємність p-n- переходу можна записати у вигляді суми . У цій лабораторній роботі розглядається тільки бар’єрна ємність.

Величина бар’єрної ємності плоского одномірного p-n- переходу може бути розрахована за формулою плоского конденсатора:

(1)

де – діелектрична проникність напівпровідника; 0 – електрична стала; S – площа p-n- переходу; d – ширина ОПЗ.

На підставі результатів розрахунку ширини ОПЗ d (товщини p-n- переходу), за формулою (1) можна визначити бар’єрну ємність. Наприклад, для різкого несиметричного p-n- переходу і для бар’єрної ємності отримаємо вираз:

(2)

де– коефіцієнт нелінійності ВФХ1, е – елементарний заряд; N – концентрація домішок у базі; – контактна різниця потенціалів;U – зовнішня напруга оберненого зміщення (у формулу треба підставляти із знаком “”).

Формула (2) дозволяє зробити два важливих висновки. По-перше, бар’єрна ємність p-n- переходу залежить від напруги : чим більшою є величина прикладеної до переходу оберненої напруги, тим меншою буде ємність (рис.2). Такі ємності отримали назву нелінійних.

По-друге, бар’єрна ємність залежить від рівня легування напівпровідника домішками: чим більшою є концентрація домішок N, тим більшою буде величина ємності. Слід враховувати також, що бар’єрна ємність зростає (хоча і слабко) із підвищенням температури - внаслідок деякого зниження . Суттєвим також є вплив технології виготовленняр-n- переходу: для сплавних переходів, для яких розподіл домішок є різким, коефіцієнт нелінійності ВФХ , у той час як для дифузійних переходів, де спостерігається плавніший розподіл -. Отож за величиною, коефіцієнту нелінійності ВФХ, можна визначити тип переходу.

Ємнісні властивості р-n- переходу при оберненому зміщенні використовують у спеціальних діодних приладах, які отримали назву варікапи (від англ. variable capacitor – конденсатор змінної ємності). Варікап використовують як електричне керовану ємність. Основні області застосування варікапів є такими:

  • пристрої керування частотою коливального контуру ( у системах настроювання радіоприймачів, у схемах автоматичного підстроювання частоти телеприймачів);

  • параметричні підсилювачі надвисокої частоти;

  • схеми ділення та множення частоти сигналу;

  • пристрої частотної модуляції та керованого обертання фази.

Електричний перехід варікапів має складну структуру типу р-n-n+, p-i-p, p+-n-n+, метал-діелектрик-напівпровідник та ін. Базовим матеріалом для варікапів звичайно є кремній, германій та арсенід галію. Вольт-фарадні характеристики варікапів (рис.2) можна наближено описати таким виразом:

(3)

Це рівняння дозволяє визначити коефіцієнт нелінійності, отже тип переходу, маючи щонайменше дві експериментально виміряні ємності при різних значеннях оберненої напруги ():

(4)

Для успішного застосування рівняння (4) необхідно попередньо знайти контактну різницю потенціалівk. Контактна різниця потенціалів – це один з найважливіших параметрів р-n- переходу, який визначається як базовим матеріалом приладу, так і технологією виготовлення переходу. Існує декілька методів експериментального визначення цього параметру, серед яких найбільш поширений та надійний – аналіз прямої гілки вольт-амперної характеристики (рис.3). При великих напругах прямого зміщення, коли потенційний бар’єр р-n- переходу зменшується до нуля, майже уся зовнішня напруга падає на опорі бази . У цій області ВАХ діоду є майже прямою лінією, екстраполяція якої до перетину з віссю абсцис дає значення контактної різниці потенціалівk. Нахил цієї прямої дозволяє також розрахувати опір бази , який визначає втрати у базовій області і суттєво впливає на добротність варікапа на високих частотах:

(5)

Малосигнальну еквівалентну схему варікапу наведено на рис.4. На схемі – елементи індуктивності виводів варікапу (мкГн); конденсатор враховує ємність корпусу; резистормоделює омічний опір бази разом із опором контактів; резисторвраховує опір втрат переходу; конденсатор– еквівалент ємності переходу (бар’єрної ємності). На великих частотах параметрами схемитаможна знехтувати і обмежитися спрощеною схемою (на рис.4 така схема обведена штриховою лінією).

Згідно визначення, добротність варікапу– це відношення реактивного опору варікапу до повного опору втрат при номінальній напрузі на заданій частоті. Добротність варікапу можна розрахувати за допомогою спрощеної еквівалентної схеми при умові:

(6)

Аналіз рівняння (6) дозволяє зробити декілька висновків щодо частотної залежності добротності. На низьких частотах, і добротність визначається опоромпереходу:. Отже, за таких умов добротність лінійно зростає з частотою. На високих частотах,, і добротність визначається опором бази:. Тепер із підвищенням частоти добротність падає. Таким чином, залежність добротності варікапа від частоти має максимум при певній частоті. Типовий вигляд функціїподано на рис.5.

Крім добротності до основних параметрів варікапа відносяться такі:

  • ємність варікапа – виміряна при заданій оберненій напрузі;

  • коефіцієнт перекриття за ємністю – відношення ємностей варікапа при двох різних заданих значеннях оберненої напруги (звичайно беруть максимальні і мінімальні значення виміряної ємності):

(7)

  • максимальна допустима напруга на варікапі ;

  • максимальний зворотний струм .

Значення цих параметрів для варікапу КВ104Е, який досліджується в даній роботі, наведено у таблиці №1.

Таблиця №1.

,пФ

,мкА

95143

при В

2,5

45

150

при =10 МГц

5

Соседние файлы в папке ФТТ