Физика - Лекции и методички / Учебно-методическая документация / практикум №1 Физические Основы Электроники

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО СВЯЗИ

Федеральное государственное образовательное бюджетное учреждение высшего профессионального образования

МОСКОВСКИЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ СВЯЗИ И ИНФОРМАТИКИ

Кафедра электроники

ПРАКТИКУМ № 1

по курсу

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОНИКИ

Москва 2015

2

План УМД на 2014/2015 уч. г.

ПРАКТИКУМ № 1

по курсу

ЭЛЕКТРОНИКА

Составители: В.П. Власов, к.т.н., доцент, В.Н. Каравашкина, к.т.н., доцент

утверждено советом факультета. . . . . . . . . . .

Рецензент Г.С. Берендеева

3

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №1

ИССЛЕДОВАНИЕ ИДЕАЛИЗИРОВАННОГО Р-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-n перехода. Определяются следующие характеристики идеализированного р-n перехода в отсутствие внешнего напряжения:

–контактная разность потенциалов;

–толщина;

–тепловой ток (ток насыщения);

–напряжение и тип пробоя;

–барьерная ёмкость.

2. Краткие теоретические сведения

P-n 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 p-n переход представляет собой контакт однородных полупроводников p и n типа. Как правило, одна из областей имеет намного более высокую концентрацию донорной примеси Nд или акцепторной примеси Nа. Такие переходы называют асимметричными, их сильнолегированную область – эмиттером, слаболегированную – базой. Сильнолегированную

На границе p и n областей существуют значительные градиенты концентрации свободных электронов и дырок dp/dx. Поэтому в p-n

4

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

Собственное электрическое поле p-n перехода – тормозящее для диффундирующих основных носителей (образует потенциальный барьер). 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 p-n перехода характеризуют контактной разностью потенциалов k0. В идеализированном p-n переходе

где NC, NV – эффективные плотности состояний, З – ширина запрещенной зоны.

Величина k0 примерно соответствует Uпр, при котором электрическое поле перехода исчезает и перестает препятствовать протеканию большого

диффузионного тока (прямого тока Iпр). Типичные значения k0= 0,3 ... 1,5 В. Протяженность приграничных областей с нескомпенсированными ионами примесей называют толщиной p-n перехода w. Для идеализированного

p-n перехода

5

где εε0 – диэлектрическая проницаемость полупроводника, q – элементарный электрический заряд.

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

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

где I0 – тепловой ток (ток насыщения), I и U – ток и напряжение перехода. Величина I0 определяет величины Iпр и Iобр не только идеализированного, но и в значительной степени реального p-n перехода. Для идеализированного p-n перехода

где D – коэффициент диффузии, S – площадь p-n перехода, L – диффузионная длина, Nб – концентрация примеси в базе. Значения I0 изменяются в больших пределах в зависимости от типа полупроводника, площади, особенностей изготовления и температуры p-n перехода.

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

пробоя Uпроб.л можно рассчитать по приближенной формуле:

характер пробоя – смешанный.

Р-n перехода обладает ёмкостью, т.е. способностью накапливать заряды. Поэтому при изменении внешнего напряжения возникают переходные процессы заряда или разряда этой ёмкости. В результате возникает задержка в процессе установления напряжения и тока, в частности, при отпирании или запирании перехода. Эта задержка определяет быстродействие отдельных

6

элементов и интегральных схем с p-n переходами. Например, при отпирании перехода происходит разряд барьерной ёмкости Cб, от величины которой зависит длительность процесса отпирания. Аналогично проявляет себя диффузионная ёмкость.

Для идеализированного p-n перехода в отсутствие напряжения барьерная ёмкость определяется соотношением

где S – площадь перехода.

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

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 3 1017 следует записать,

как 3E17, число 10 6 – как 1Е–6. После набора каждого числа нажимать

ENTER.

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

3.4.Перенести в таблицу 2 результаты расчёта.

3.5.Исходя из теоретических сведений, предложить вариант конструкции

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

3.6.Исходя из теоретических сведений, предложить вариант конструкции

суменьшенной барьерной емкостью Cб0. Внести исходные данные и результаты в таблицу 2.

3.7.Исходя из теоретических сведений, предложить вариант конструкции

суменьшенным тепловым током I0. Внести исходные данные и результаты в таблицу 2.

7

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 U=0. Какие составляющие (электронная, дырочная) будут преобладать?

2.Почему диффузия носителей не приводит к выравниванию концентраций?

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

4.Какой окажется контактная разность потенциалов k при подаче внешнего напряжения, равного k0?

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?

Смалым напряжением туннельного пробоя?

Таблица 1. Данные исходных вариантов

8

Таблица 2. Результаты исследований

9

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 2

ИССЛЕДОВАНИЕ МЕТАЛЛО-ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПЕРЕХОДОВ

1. Цель работы

Целью работы является исследование металло-полупроводниковых переходов при использовании различных сочетаний металла и полупроводника. При этом определяются следующие характеристики и параметры:

–тип контакта (омический или Шотки);

–сопротивление омического контакта.

Для контакта Шотки при U = 0 определяются:

–контактная разность потенциалов;

–толщина;

–тепловой ток;

–барьерная емкость.

2. Краткие теоретические сведения

Контакт металл-полупроводник, как и р-n переход, относится к наиболее распространенным в электронике типам контактов. Чаще всего это обычный, омический контакт, сопротивление которого невелико и не зависит от знака и величины приложенного напряжения. Однако некоторые металлы и полупроводники образуют так называемые контакты Шотки, обладающие, как и р-n переход, односторонней проводимостью. Такие контакты используются в диодах Шотки и некоторых типах транзисторов.

Характер контакта металл–полупроводник зависит от соотношения работ выхода1 контактирующего металла qм и полупроводника qп. Если, например, qмqп, будет преобладать диффузия электронов из металла в полупроводник. При этом в m-n переходе в приграничной области полупроводника образуется избыток свободных электронов, т.е. обогащенный слой, рис. 1. В таком виде в контакте подвижные носители имеются во всех его частях, и поэтому он обладает очень маленьким электрическим сопротивлением. При этом же соотношении qмqп в m-p переходе также преобладает диффузия электронов из металла в полупроводник. Однако из-за рекомбинации электронов с дырками в р-области образуется не обогащенный, а обедненный слой с очень низкой концентрацией подвижных носителей, т.е. с большим сопротивлением. Уменьшение концентрации основных носителей приводит к появлению нескомпенсированных отрицательных ионов акцепторной примеси. Их заряд,

1 Работой выхода называется работа по удалению электрона из данного вещества в бесконечность, где потенциал электрического поля = 0. За исходное значение энергии электрона принимается энергия уровня Ферми данного вещества.

10

вместе с положительным зарядом ионов в приграничной части m-области, образует два слоя зарядов, создающих собственное поле m-p перехода. Как и в р-n переходе, собственное поле обуславливает равновесие диффузии и дрейфа и «перемешивания» носителей не происходит.

Рис. 1 Металло-полупроводниковые переходы при qм qп

Аналогично, при qм qп в m-n переходе образуется обедненный слой, а в m-p – обогащенный. Поэтому в этом случае m-n переход – выпрямляющий (Шотки), а m-p – омический.

Рис.2. Металло-полупроводниковые переходы при qм qп

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