Федеральное агентство по образованию

Саратовский государственный технический университет

Балаковский институт техники, технологии и управления

Исследование параметров полупроводникового диода

Методические указания к выполнению лабораторной работы

по курсу «Электроника и микросхемотехника»

для студентов дневной формы обучения

специальности 210100

Одобрено

редакционно-издательским советом

Балаковского института техники,

технологии и управления.

Балаково 2007

Цель работы: исследование характеристик полупроводникового диода (ППД). Оценка погрешности измерений и вычисление параметров ППД.

1. Основные поНятия

Полупроводниковый диод (ППД) представляет собой двухэлектродный полупроводниковый прибор, характеризующийся высокой проводимостью при прямом включении и низкой проводимостью при обратном включении.

ППД реализуется на основе p-n структуры или структуры металл-полупроводник. В настоящее время на основе p-n структуры и её модификаций разработаны различные типы полупроводниковых диодов различного функционального назначения с различными ВАХ, свойствами и параметрами. В основе ППД лежит структура р-n перехода (или контакт металл-полупроводник). Структуру р-n перехода рассмотрим в рамках его физической и энергетической модели.

Энергетическая модель. Построение энергетической модели основывается на зонной теории полупроводников и свойствах уровня Ферми F_ф. Для полупроводников ширина запрещенной зоны (Т₀-комнатная температура). Примесные уровни расположенные выше середины запрещенной зоны определяют полупроводник n-типа, ниже - полупроводник р-типа (рис.1,а,1,б).

Уровень Ферми, есть точка отсчета, относительно которой энергия электрона отсчитывается вверх, а энергия дырки - вниз. Уровень Ферми в собственном полупроводнике (рис.1,в) располагается точно по середине запрещенной зоны (примесный уровень здесь располагаться не может). В полупроводнике n-типа – уровень Ферми располагается между примесным уровнем и дном зоны проводимости, в р-полупроводнике - располагается между примесным уровнем и потолком валентной зоны.

а) б) в)

Рис. 1: Полупроводники: а) - n-типа; б) - p-типа; в) - собственный

В системе, состоящей из N – полупроводников в случае термодинамического равновесия, уровень Ферми располагается по объему системы одинаковым образом и является единой точкой отсчета.

Модель системы, состоящая из двух различных полупроводников, называют моделью p-n – контакта.

Построение энергетической модели p-n – контакта. для случая термодинамического равновесия начинаем с построения уровня Ферми – прямой горизонтальной линии. Рассмотрим одномерную пространственную модель (уровень Ферми совпадает с осью х). Выделим область р и n – полупроводника, предполагая, что между ними должна существовать область, где будет осуществляться переход от р – полупроводника к n – полупроводнику (рис.2). Предполагая, что свойства р и n – полупроводников меняются только в промежуточной области, а в р и n – полупроводниках зонные диаграммы соответствуют самим полупроводникам, построим зонные диаграммы для р и n – полупроводников.

Так как зона проводимости и валентная зона непрерывны, то, соединив их, получаем энергетическую модель р – n перехода (рис.3).

Энергетическая модель позволяет выявить основные свойства р – n перехода. Электроны из n – полупроводника не могут переходить в р – полупроводник, так как существует потенциальный барьер на их пути, то же наблюдается и для дырок. Возникший потенциальный барьер связан с электрическим полем с напряженность , возникшим в области контакта. Это поле направлено от n – полупроводника к р – полупроводнику, то есть в n – области существует положительный заряд, а в р – области отрицательный заряд. Поле препятствует переходу электронов из n – полупроводника в р – полупроводник, а для дырок из р – полупроводника в n – полупроводник. Внутреннее поле можно менять, прикладывая к р – n переходу внешнее напряжение.

При прямом включении поле уменьшается, уменьшается потенциальный барьер, увеличивается ток электронов и дырок.

При обратном включении поле возрастает, возрастает потенциальный барьер, уменьшается ток электронов и дырок до нуля.

Таким образом, р – n переход обладает нелинейной ВАХ.

Физическая модель. Пусть рассматривается физический контакт р – полупроводника к n – полупроводнику, выполненный тем или иным способом так, что в области контакта отсутствуют окисные пленки и какие-либо воздушные зазоры.

Для р – полупроводника концентрация дырок во много раз больше концентрации электронов: p_p >> n_p. Дырки р_р - основные носители, электроны n_p - не основные носители заряда.

В n – полупроводнике n_n >> p_p. Электроны n_n - основные носители, дырки p_n - не основные носители заряда. Можно считать, что n_p≈ p_n - одного порядка. Тогда в р-n системе (контакте): n_n >> n_p и p_p >> p_n, что является необходимым условием для запуска механизма диффузии: электроны начинают перемещаться из n – полупроводника в р – полупроводник, а дырки наоборот (из области, где их больше в область, где их меньше).

Электроны и дырки уходят из припограничных областей полупроводника, прилегающих к границе раздела (контакта) полупроводников. Эти области теряют свободные носители заряда. Но на их месте остаются: слой положительно заряженных атомов примесей в n-полупроводнике и слой отрицательно заряженных атомов примесей в р-полупроводнике. Возникает двойной электрический слой (рис. 4).

Рис. 4: P-n – структура в равновесном состоянии

Между электрическими слоями существует расстояние l. Очевидно, что между слоями возникнет внутреннее электрическое поле, напряженностью Е. Величина будет возрастать при переходе области контакта электронов изn-полупроводника и дырок из р-полупроводника. Так как поле препятствует их переходу, то количество перешедших будет все меньше и в конечном итоге переход закончится. Интересна судьба электронов, перешедших в р-полупроводник, а дырок – в n-полупроводник. Электрон, попадая в р-область, рекомбинирует с дыркой и пара электрон-дырка исчезают как свободные носители заряда. Тоже самое происходит и с дыркой в n-полупроводнике.

Двойной электрический слой называют р-n переходом или запорным слоем. В запорном слое свободных носителей заряда не существует, так как внутреннее электрическое поле не позволяет им там находится. Запорный слой характеризуется большим значением сопротивления.

Рассмотримр-n переход, включенный в электрическую цепь. Прямое включение соответствует подаче на p-полупроводник положительного потенциала, а на n-полупроводник отрицательного потенциала (рис.5).

Рис. 5: P-n – структура при прямом внешнем напряжении

Действительное поле Ē = Ē_внеш+ Ē_внутр, или Е = Е_внеш +Е_внутр. Отсюда следует, что действительное поле зависит от Е_внеш и может быть равным нулю, что физически трактуется как исчезновение запорного слоя l=0. Через контакт свободно начинают переходить р_р и р_n – основные и не основные дырки, а также n_n и n_p – основные и неосновные электроны. Общий ток J₊ будет:

.

Обратное включение соответствует подаче на р-полупроводник отрицательного, а на n-полупроводник положительного потенциала (рис. 6).

Действительное поле определится какĒ = Ē_внеш+ Ē_внутр, или

Е = Е_внеш +Е_внутр.

Действительное полеЕ в области контакта возрастает, что можно трактовать как увеличение l – расстояние между слоями двойного заряженного слоя. Это поле не дает возможности основным носителям заряда:

Рис. 6: P-n – структура при обратном внешнем напряжении

электронам и дыркам переходить через запорный слой, но не основные носители заряда электроны в n-полупроводнике будут свободно пересекать область контакта, принимая участие в электрическом токе:

.

Если сравнить J₊ и J_-, то J₊ >> J_-, то есть p-n переход существенно нелинеен. Экспериментальная зависимость тока через p-n переход от приложенного к нему напряжения описывается выражением:

,

где е – заряд электрона;

U – приложенное к p-n переходу напряжение; написать ед измерения

k – постоянная Больцмана; везде

T – температура в Кельвинах.

При прямом включении (U>0) ток через p-n переход возрастает по экспоненте, при обратном включении (U<0) J=J₀ – где J₀ – ток насыщения, равный току неосновных носителей заряда и ВАХ p-n перехода имеет вид (рис. 7).

Рис. 7: Вольт-амперная характеристика p-n перехода