- •Лабораторный практикум по дисциплине «электронные приборы»
- •I. Цель работы
- •2. Теоретические сведения
- •В равновесном состоянии
- •При прямом смещении
- •При обратном смещении
- •3. Методика и схема эксперимента
- •4. Задание
- •5. Содержание отчета
- •6. Контрольные вопросы
- •1. Цель работы
- •2. Теоретические сведения
- •3. Методика эксперимента
- •4. Задание
- •7. Литература
- •1. Цель работы
- •2.Теоретические сведения
- •3. Методика и схема эксперимента
- •1.Цель работы
- •2. Теоретические сведения
- •3. Схема и методика эксперимента
- •4. Порядок работы
- •5. Содержание отчета
- •6. Контрольные вопросы
- •7. Литература
- •1. Цель работы
- •2. Теоретические сведения
- •3. Методика и схема эксперимента
- •4. Задание
- •4.1 Собрать схему эксперимента.
- •5.Содержание отчета
- •6. Контрольные вопросы
- •7. Литература
- •1.Цель работы
- •2.Теоретические сведения
- •3 . Методика эксперимента
- •4. Задание
- •5. Содержание отчета
- •6. Контрольные вопросы
- •7. Литература
- •1. Цель работы
- •2. Теоретические сведения
- •3. Методика эксперимента
- •4. Задание
- •Содержание отчета
- •Контрольные вопросы
- •7. Литература
- •Лабораторная работа №8
- •1. Цель работы:
- •2. Теоретические сведения
- •3. Методика эксперимента
- •4.Задание
- •5. Содержание отчета
- •6.Контрольные воросы
- •1. Цель работы
- •2. Теоретические сведения
- •5. Содержание отчета
- •6. Контрольные вопросы
- •1. Цель работы
- •2.Теоретические сведения.
- •3. Задание
- •4. Содержание отчета
- •5. Контрольные вопросы
- •6. Литература.
Лабораторный практикум по дисциплине «электронные приборы»
Лабораторная работа N1
Полупроводниковые диоды
I. Цель работы
Целью работы является изучение основных свойств р-n перехода, исследование вольт-амперных характеристик кремниевого и германиевого полупроводниковых диодов, определение параметров схем замещения диодов, исследование зависимости параметров диодов от режима работы.
2. Теоретические сведения
Основным элементом полупроводниковых диодов является р-n переход, образованный в результате контакта двух областей полупроводника, обладающих разными типами электропроводности. Обычно концентрация примеси в одном из слоев значительно больше, чем концентрация примеси в другом слое. На рис. I приведена структура р-n перехода между двумя слоями р и n типа, причем концентрация примеси NА в р-слое больше, чем концентрация NД в n-слое. При комнатной температуре атомы примеси ионизированы, поэтому ppо>>nno. Так как произведение концентраций подвижных носителей в примесном полупроводнике постоянно, то nno <<pno.
Концентрация дырок в p-слое ppо значительно больше, чем в n-слое pno, а концентрация электронов в n-слое nno значительно больше, чем в р-слое npо. Под действием градиента концентрации дырки диффундируют в n-слой, а электроны из n-слоя - в p-слой. В p-слое образуется нескомпенсированный отрицательный заряд ионизированных атомов акцепторов, а в n-слое - положительный заряд атомов доноров. Область образовавшегося пространственного заряда называется р-n переходом. В области р-n перехода концентрация подвижных носителей значительно меньше, чем в слоях полупроводника, это обедненная носителями область.
Пространственные заряды ионов примеси создают электрическое поле, препятствующее диффузии основных носителей и вызывающее дрейфовые токи неосновных носителей в противоположных токам диффузии направлениях. В изолированном полупроводнике плотность тока равна нулю, поэтому автоматически образуется поле такой величины, что диффузионные токи компенсируются дрейфовыми токами одноименных носителей. Такое состояниеназывается больцмановским равновесием. Через р-n переход протекают четыре составляющих токов: jp диф, jn диф - диффузионные составляющие соответственно дырочного и электронного тока; jp др, jn др- дрейфовые составляющие дырочного и электронного тока, причем
jp диф = -jp др, jn диф = -jn др
Общая плотность тока:
j=-qDpdp/dx+qpµpE+qDndn/dx+qnµnE=0
где p, n - концентрации основных носителей;
dp/dx, dn/dx- градиенты концентраций;
Dp, Dn - коэффициенты диффузии;
µp, µn- подвижность.
Рис. I. Структура р-n перехода
При несимметричном переходе (pрo>>nno) электронная составляющая тока значительно меньше дырочной и ею можно пренебречь. Переход в целом нейтрален и отрицательный заряд слева равен положительному заряду в правой области перехода. Так как концентрация примеси NA>>NД, то при равенстве объёмных зарядов область пространственного заряда доноров значительно шире, чем акцепторов. Поэтомунесимметричный р-n переход расположен в основном в более высокоомном n-слое.
На рис. 2 приведена энергетическая диаграмма р-n перехода в равновесном состоянии. Постоянство уровня Ферми φF в кристалле полупроводника приводит к искривлению зон и появлению потенциального барьера или контактной разности потенциалов ∆φ0 . Токи диффузии образуются в результате движения носителей, обладающих достаточной энергией для преодоления потенциального барьера.
Высоту потенциального барьера можно найти:
(1)
где φT - температурный потенциал. При комнатной температуре φT=25мB.
Рис. 2. Энергетические диаграммы р-n перехода в равновесном состоянии
Так как собственная концентрация для германия значительно больше, чем для кремния: ni Ge =2,5·1013 см-3; ni Si =2·1010cм-3, то для германия контактная разность потенциалов меньше, чем для кремния. Для германиевых переходов ∆φ0=0,4В, для кремниевых ∆φ0=0,7В.
Если к р-n переходу проложить внешнее напряжение, то высота потенциального барьера изменится на величину этого напряжения. Если направление внешнего напряжения совпадает с напряжением внутреннего поля, то высота потенциального барьера увеличивается. Такое включение р-n перехода называют обратным. Таким образом, обратное смещение р-n перехода соответствует подключению внешнего напряжения плюсом к n-слою и минусом к р-слою.
На рис. 3 приведена энергетическая диаграмма р-n перехода при обратном смещении. Высота потенциального барьера увеличивается по сравнению сравновесным состоянием:
∆φ=∆φ0+Uобр
Термодинамическое равновесие между диффузионными и дрейфовыми токами нарушается. Согласно распределению Ферми количество носителей, способных преодолеть потенциальный барьер, уменьшается, ток диффузии стремится к нулю.
Суммарный ток обусловлен в основном дрейфом неосновных носителей. Этот ток называют тепловым, так как он зависит от концентрации неосновных носителей, которая, в свою очередь, сильно зависит от температуры. С ростом температуры концентрация неосновных носителей возрастает за счет разрыва ковалентных связей - генерации пары электрон-дырка под действием фононов - колебаний атомов кристаллической решетки. С ростом температуры концентра
ция pno, а вместе с ней и тепловой ток, возрастают экспоненциально. При обратном смещении ширина р-n перехода увеличивается
Рис. 3. Энергетическая диаграмма р-n перехода при обратном смещении
.
Если внешнее напряжение приложено плюсом к р-слою и минусом к n-слою (встречно внутреннему полю), то высота потенциального барьера уменьшается (рис. 4). Такое включение р-n перехода называют прямым, а внешнее напряжение - прямым напряжением.
При уменьшении высоты потенциального барьера количество основных носителей, способных преодолеть потенциальный барьер, экспоненциально возрастает, токи диффузии увеличиваются.
Термодинамическое равновесие нарушается. Поскольку концентрация основных носителей значительно (на несколько порядков) превышает концентрацию неосновных, то ток диффузии при прямом смещении р-n перехода значительно превышает тепловой ток.p-n переход обладает вентильными свойствами - прямое сопротивление значительно меньше обратного
В неравновесном состоянии концентрация неосновных носителей заряда в приграничных с переходом областях отличается от равновесной за счет нарушения равновесия между уходом (дрейфовый ток) и приходом (ток диффузии) носителей.
При прямом смещении приграничная концентрация неосновных носителей увеличивается, при обратном - уменьшается. По мере удаления от границы перехода вглубь областей р и n типа концентрация неосновных носитилей стремится к равновесной за счет диффузии и рекомбинации.
Рис. 4. Энергетические диаграммы p-n перехода при прямом смещении
На рис. 5 приведено распределение неосновных носителей пространственной координате для различных режимов работы.
Р ис. 5. Распределение неосновных транзисторов в базе pn(х)