Лабораторная
работа №1
Изучение вольт-амперных характеристик
полупроводниковых диодов
Цель работы: 1) исследование вольт-амперных характеристик (ВАХ) германиевого и кремниевого диодов; 2) определение параметров ВАХ диодов: масштабного тока, фактора неидеальности, сопротивления базы и температурного коэффициента напряжения (ТКН).3) изучение температурных зависимостей ВАХ.
Продолжительность работы – 4 ч
Теоретические сведения
1. Структура полупроводникового диода
Структура полупроводникового диода схематично представлена на рис.1.
В
структуре диода могут быть выделены
квазинейтральные р-
и п-области,
а также область пространственного
заряда (ОПЗ) - р
- п-перехода
толщиной
.
Более сильно легированная квазинейтральная область называется эмиттером (Э), менее сильно легированная - базой (Б). На рис.1 эмиттером является р-область.
Напряжение
на диоде
складывается из напряжения на р
- п-переходе
и напряжений на квазинейтральных
областях
и
.
2. Вольт-амперная характеристика идеального полупроводникового диода
ВАХ идеального диода получена при следующих допущениях:
1) Линии тока перпендикулярны плоскости р - п-перехода (структура одномерна).
2)
Эмиттер и база легированы однородно
.
3)
Уровни инжекции в эмиттере и базе
остаются низкими (
;
).
4) Токи неосновных носителей в эмиттере и базе являются диффузионными.
5) Токи рекомбинации и генерации носителей заряда в ОПЗ отсутствуют.
6)
Падения напряжения на сопротивлениях
квазинейтральных областей эмиттера и
базы пренебрежимо малы (
).
При этих допущения ВАХ идеального диода с площадью S p - n-перехода описывается соотношением
; (1)
где
- (2)
тепловой ток диода,
-
температурный потенциал;
– постоянная Больцмана; Т
– абсолютная температура; e
– заряд электрона,
и
— дырочная и электронная составляющие
плотностей теплового тока. При комнатной
температуре (Т = 300
К)
=
26 мВ.
На
рис.2 показано распределение концентрации
неосновных носителей (дырок) в базе
п-типа
при
,
когда
,
и
.
Плотность дырочного теплового тока (который согласно допущению 4 является диффузионным) определяется соотношением
,
где
точка
— граница базы с p
- n-переходом,
- коэффициент диффузии неосновных
носителей (дырок) в базе. В случае тонкой
базы (толщина базы
много меньше диффузионной длины
неосновных носителей
)
функция
линейна,
,
и
.
(3а)
В
случае толстой базы (
)
,
,
и
. (3б)
В
формулах (3) использовано соотношение
,
где
- собственная концентрация носителей
заряда.
В общем случае
, (4а)
где
- число Гуммеля в базе.
Аналогичным образом, электронная составляющая теплового тока определяется свойствами р-области (эмиттера):
, (4б)
где
- число Гуммеля в эмиттере.
Из
соотношения (1) следует, что для всех
диодов ВАХ определяются единственным
параметром — тепловым током
.
Типичная ВАХ идеального диода приведена на рис.3.
При
обратном смещении (
)
ток идеального диода не зависит от
напряжения:
. (5)
Практически
всегда эмиттер диода легирован значительно
сильнее, чем база (
).
При этом тепловой ток диода практически
полностью определяется свойствами
базы:
. (6)
Как
видно из соотношений (4), плотность
теплового тока пропорциональна квадрату
собственной концентрации носителей
заряда
,
которая экспоненциально зависит от
ширины запрещенной зоны
:
,
где
— ширина запрещенной зоны в вольтах.
Поэтому в кремниевых диодах (
эВ,
В,
см-3)
плотность теплового тока приблизительно
в 106
раз меньше, чем в германиевых (
эВ,
В,
см-3).
Таким образом, ВАХ кремниевых и германиевых
диодов при одинаковой геометрии и
степени легирования базы сдвинуты по
оси напряжений на величину
0,4
В.
3. Вольт-амперная характеристика реального полупроводникового диода
Допущения, принятые при выводе ВАХ идеального диода, обычно выполняются лишь в ограниченном диапазоне токов. В области малых токов следует учитывать токи рекомбинации-генерации носителей заряда в ОПЗ, а в области больших токов — влияние сопротивлений базы и эмиттера, дрейфовые токи неосновных носителей заряда и нарушение условия низкого уровня инжекции (НУИ).