Лабораторная работа №3. Исследование импульсных свойств p-n-перехода

2.1. Цель работы

Целью работы является исследование переходных процессов в р-n-переходе при скачкообразном изменении приложенного к нему внешнего напряжения, определение времени жизни неосновных носителей и контактной разности потенциалов.

2.2. Программа работы

2.2.1. Ознакомиться с теорией и методом исследования переходных процессов в р-n-переходе, схемой лабораторной установки, назначением переключателей и измерительных приборов.

2.2.2. Исследовать переходные процессы в р-n-переходе при его включении и выключении путём скачкообразной подачи и снятия прямого напряжения.

2.2.3. Исследовать переходные процессы в р-n-переходе при его выключении путём подачи скачком обратного напряжения.

2.2.4. Обработкой полученных временных диаграмм рассчитать время жизни неосновных носителей в базе диода.

2.2.5. Экспериментально определить контактную разность потенциалов р-n перехода.

2.3. Динамические процессы в р-n-переходе

2.3.1. Ёмкость р-n-перехода

Инжекция неосновных носителей заряда в случае приложения к р-n-переходу прямого напряжения и экстракция неосновных носителей заряда в случае приложения к переходу обратного напряжения приводят к изменению по сравнению с равновесными концентраций носителей заряда вблизи перехода. Изменение величины приложенного внешнего напряжения вызывает изменение распределения избыточных носителей вблизи перехода, а следовательно, величины суммарного объёмного заряда. Это явление напоминает процессы в обычном конденсаторе, в котором изменение напряжения, приложенного к обкладкам, вызывает изменение накопленного заряда по закону ∆q=С∆U. Поэтому принято считать, что р-n-переход обладает емкостными свойствами или просто ёмкостью. Ёмкость р-n-перехода оказывает чрезвычайно важное влияние на его импульсные свойства.

Емкостные свойства р-n-перехода различны при прямом и обратном смещениях. Так, при прямом смещении они обусловлены главным образом накоплением избыточных концентраций неосновных носителей заряда в р- и n-областях и характеризуются так называемой диффузионной емкостью, которая определяется выражением

, (2.1)

где S – площадь р-n-перехода; p_n, n_p – равновесные концентрации дырок в n-области и электронов в р-области; L_p, L_e­ – диффузионные длины дырок в n-области и электронов в р-области; U – внешнее напряжение, приложенное к р-n переходу; Т – температура полупроводника; k – постоянная Больцмана; е – заряд электрона.

Из уравнения (2.1) видно, что с увеличением прямого напряжения (U>0) диффузионная ёмкость р-n-перехода быстро возрастает. При обратном смещении (U<0) диффузионная ёмкость уменьшается, и при достаточно большой величине обратного напряжения ее можно считать равной нулю.

При обратном смещении емкостные свойства р-n-перехода обусловлены образованием областей объемных зарядов ионизированных примесных атомов и характеризуются так называемой барьерной ёмкостью, которая для резкого р-n-перехода определяется выражением

, (2.2)

где N_a, N_д – концентрации атомов акцепторной примеси в р-области и донорной примеси в n-области, соответственно; U_K – контактная разность потенциалов р-n перехода;  - относительная диэлектрическая проницаемость полупроводника; ₀ – электрическая постоянная.

Из выражения (2.2) следует, что барьерная ёмкость тем больше, чем выше концентрации примесей в полупроводнике и чем меньше напряжение, приложенное к переходу. Учитывать барьерную ёмкость особенно важно при достаточно больших обратных смещениях р-n перехода, так как диффузионная емкость при этом практически равна нулю. При прямом смещении барьерная емкость значительно меньше диффузионной.

Для анализа динамических процессов в р-n-переходе пользуются его эквивалентной схемой замещения, представленной на рис.2.1. Схема содержит два конденсатора С_бар и С_диф , отражающих барьерную и диффузионную ёмкости р-n-перехода, а также два резистора R_d и R_б. Первый из них отражает электропроводность области объёмных зарядов р-n перехода, а второй – электропроводность р- и n- областей полупроводника, носящих название базы. Характерно, что все элементы в схеме на рис.2.1 являются нелинейными, их параметры зависят от величины и знака приложенного напряжения U_д.

Зависимости С_бар и С_диф от напряжения рассмотрены выше. Сопротивление R_d при большом обратном напряжении велико, т.к. в области объёмных зарядов практически отсутствуют подвижные носители. При подаче на р-n-переход прямого напряжения область объёмных зарядов, во первых, сужается, а во вторых, обогащается подвижными носителями, что приводит к резкому снижению величины R_d.

Сопротивление R_б зависит от приложенного напряжения слабее, чем R_d. Тем не менее при обратном смещении оно больше из-за экстракции неосновных носителей, а при прямом смещении оно меньше из-за инжекции неосновных носителей в р- и n-области полупроводника.

2.3.2. Переходные процессы в р-n-переходе при подаче прямого напряжения

Рассмотрим переходные процессы в р-n-переходе на примере полупроводникового диода, включенного по схеме, приведённой на рис.2.2. Условимся также, что параметры схемы таковы, что при подаче напряжения Е положительной полярности величина тока I в цепи не зависит от процессов, происходящих в диоде. Это возможно в том случае, если сопротивление R внешней по отношению к диоду цепи значительно больше суммарного сопротивления диода.

Наглядное представление о характере происходящих при подаче прямого напряжения переходных процессов дают временные диаграммы напряжений и токов, приведённые на рис.2.3. Проанализируем их.

Прямое напряжение складывается из напряжения на p-n переходе и напряжения на базе (U_д=U+U_б). При подаче на вход схемы скачком напряжения Е(t) положительной полярности (рис.2.3,а) ток через диод также скачком нарастает до величины I₊=E/R (рис.2.3,б).

В начальный момент времени полное падение напряжения на диоде U_д (рис.2.3,д) равно падению напряжения U_б на сопротивлении базы R_б (рис.2.3,г) и определяется величиной тока I₊

U_д ( 0 ) = U_б ( 0 ) = U₁ = R_бI₊ (2.3)

Напряжение U на р-n-переходе (рис.2.3,в) при этом равно нулю, т.к. он шунтирован ёмкостью, напряжение на которой, как следует из второго закона коммутации, не может измениться скачком.

По мере диффузии неосновных носителей заряда в базу её сопротивление уменьшается, а следовательно, уменьшается и падение напряжения на ней (рис.2.3,г). В то же время напряжение на р-n-переходе возрастает, так как ёмкость р-n-перехода заряжается. Полное падение напряжения на диоде определяется суммой напряжений U_б и U и изменяется по закону, показанному на рис.2.3,д.

Если величина тока I⁺ невелика, то уровень инжекции неосновных носителей заряда в р-n-переходе низок, а сопротивление базы R_б изменяется незначительно. Диаграмма напряжения U_б в этом случае практически повторяет диаграмму тока I (рис.2.3,б), а на диаграмме суммарного напряжения на диоде U_д отсутствует первоначальный пик U₁, как это показано на рис.2.3,д пунктиром. При больших значениях тока I⁺ наблюдается режим с высоким уровнем инжекции неосновных носителей, который сопровождается бóльшим изменением напряжения на базе (см. рис.2.3,г), при этом на диаграмме напряжения U_д появляется характерный пик.

2.3.3. Переходные процессы в р-n-переходе при выключении диода

Выключение диода может быть достигнуто либо уменьшением входного напряжения до нуля, либо подачей входного напряжения обратной полярности. Рассмотрим вначале переходные процессы, возникающие в р-n-переходе при снятии скачком входного напряжения. Временные диаграммы этих процессов также представлены на рис.2.3.

В момент t_u (рис.2.3,а), когда входное напряжение Е скачком уменьшается до нуля, также скачком уменьшаются до нуля ток диода I (рис.2.3,б) и падение напряжения U_б на сопротивлении базы (рис.2.3,г). В то же время напряжение U на р-n-переходе скачком измениться не может, так как не могут измениться скачком концентрации неосновных носителей заряда в р- и n-областях. Накопленные вблизи границ р-n-перехода избыточные неосновные носители заряда постепенно рассасываются путём диффузии вглубь базы и рекомбинации там с основными носителями. Ёмкость р-n перехода постепенно разряжается и напряжение на переходе падает (рис.2.3,в). Полное падение напряжения на диоде (рис.2.3,д) при этом равняется падению напряжения на р-n-переходе.

Анализ показывает, что описанный выше процесс снижения напряжения на p-n-переходе подчиняется приближённому закону

(2.4)

где U₃ – напряжение на р-n переходе в момент снятия внешнего напряжения (рис.2.3,в); τ_р – время жизни неосновных носителей заряда в полупроводнике.

Из уравнения (2.4) следует, что напряжение на р-n переходе уменьшается практически линейно. Это обстоятельство используют для экспериментального определения времени жизни неосновных носителей заряда в базе диода. Величина _р определяется по наклону линейного участка U(t) по формуле:

(2.5)

где t и U показаны на рис.2.3,д.

Следует отметить, что время жизни неосновных носителей заряда зависит от уровня инжекции, которая определяется величиной напряжения Е, приложенного к р-n-переходу. Измерение напряжения U₃ на р-n-переходе, которое часто называют послеинжекционным, в зависимости от величины прямого тока через диод позволяет найти контактную разность потенциалов на р-n-переходе. С увеличением амплитуды импульсов прямого тока величина U₃ стремится к постоянному значению, приближающемуся к контактной разности потенциалов U_k.

Рассмотрим теперь переходные процессы, возникающие в р-n-переходе при подаче скачком напряжения обратной полярности. Временные диаграммы, иллюстрирующие рассматриваемый случай, представлены на рис.2.4.

В момент t₀ входное напряжение скачком изменяется от положительного значения Е₊ до отрицательного значения Е_- (рис.2.4,а). Поскольку концентрация неосновных носителей в р- и n- областях диода не может измениться мгновенно, то с момента переключения накопленные неосновные носители начинают диффундировать через р-n-переход в обратном направлении. При этом через диод протекает обратный ток, который может быть довольно значительным. Величина обратного тока I_- ограничивается в основном только сопротивлением внешней цепи R (рис.2.2).

Протекание обратного тока сопровождается уменьшением избыточных концентраций неосновных носителей в р- и n-областях, но до тех пор, пока эти концентрации на границах р-n-перехода выше равновесных, обратный ток постоянен (ступенька на рис.2.4,б). Времени жизни τ_Р неосновных носителей заряда в базе может быть найдена по формуле

, (2.6)

где t_ст – длительность «ступеньки» обратного тока (см. рис. 2.4б);

функция - интеграл вероятности, график которого приведен на рис.2.5. Аналитически зависимость от можно аппроксимировать функцией

, (2.7)

где х = , рассчитывается по формуле (2.6).

Из (2.7) можно найти искомую величину времени жизни τ_Р неосновных носителей заряда в базе.

(2.8)

Для нахождения τ_Р необходимо по диаграмме тока диода (рис.2.4,б) определить величины I_-, I₊ и t_ст. Далее по I_-, I₊ рассчитывается величина х, подстановка которой в (2.8) позволяет найти искомое τ_Р.

На рис.2.4,в приведена диаграмма напряжения на р-n-переходе, из которой видно. что в интервале времени от t₀ до t₁ напряжение на р-n-переходе U остаётся положительным, несмотря на то, что внешнее напряжение Е отрицательно. Это объясняется тем, что ёмкость р-n-перехода до момента t­₀ была заряжена положительно, и после смены знака внешнего напряжения требуется время для ее перезарядки.

В момент t₁ (рис.2.4,в) концентрация неосновных носителей заряда на границах р-n-перехода достигает равновесного значения, вследствие чего напряжение на переходе обращается в нуль. С этого момента на р-n-переходе появляется обратное смещение, растущее с течением времени и достигающее в конце концов значения приложенного внешнего напряжения. Кроме того, с момента t₁ концентрация неосновных носителей на границах р-n-перехода становится ниже равновесной, зона перехода обедняется носителями, что приводит к снижению обратного тока, который в конце концов достигает величины обратного тока насыщения (рис.2.4,б).

Характер напряжения на сопротивлении базы (рис.2.4,г) определяется характером тока через диод. Полное падение напряжения на диоде (рис.2.4,д) представляет собой сумму напряжений на р-n-переходе и на сопротивлении базы.

Переходные процессы, происходящие при переключении напряжения на р-n-переходе, определяют его быстродействие – основной параметр полупроводниковых приборов, используемых в схемах импульсной и вычислительной техники. Для увеличения быстродействия р-n-перехода необходимо уменьшать его ёмкость и время жизни неосновных носителей заряда. Первое достигается изготовлением р-n-переходов с как можно меньшей площадью, второе – использованием материалов с высокой скоростью рекомбинации.

2.4.Описание лабораторной установки

Принципиальная схема лабораторной установки изображена на рис.2.6.

Рис.2.6. Принципиальная схема лабораторной установки.

Объектом исследования служат серийные полупроводниковые диоды VD1…VD5. Включение в схему одного из них производится установкой перемычки между клеммой ХS8 и одной из клемм ХS3…ХS7.

Диод VD6, имеющий значительно меньшее время жизни неосновных носителей заряда, по сравнению с любым из исследуемых диодов, служит для блокирования обратного напряжения при исследовании процессов выключения исследуемых диодов путём снятия скачком входного напряжения. При изучении процессов выключения диодов путём подачи скачком обратного напряжения диод VD6 шунтируется выключателям S. Внешнее питающее напряжение подаётся на исследуемую схему от генератора прямоугольных разнополярных импульсов (ГИ) путём подключения выхода генератора к клеммам ХТ11, ХТ12. Амплитуда импульсов напряжения генератора измеряется вольтметром PV , который подключается к клеммам ХТ9, ХТ10.

Резистор R2 служит для ограничения как прямого, так и обратного тока исследуемого диода. Резистор R1 является шунтом, с которого снимается напряжение, пропорциональное току, протекающему через исследуемый диод. Для визуального наблюдения временных диаграмм переходных процессов в исследуемом диоде используется электронный осциллограф (ЭО). Входные штырьки ХР1, ХР2 осциллографа присоединяются: для наблюдения диаграммы тока – к гнёздам XS1, XS2; для наблюдения диаграммы напряжения на исследуемом диоде – к гнезду XS1 и одной из клемм ХS3…ХS7. При этом в первом случае штырёк ХР2, соединённый с корпусом ЭО, должен быть присоединён к гнезду ХS2, а во втором случае – к гнезду XS1.Питание генератора импульсов и электронного осциллографа осуществляется от однофазной сети переменного тока 220 В, 50 Гц через розетки, расположенные на боковой стенке лабораторного стенда. В свою очередь стенд подключается к питающей сети с помощью сетевого шнура.

2.5. Методические указания

К пункту 2.4.1. Собрать схему измерений, подключив заданный преподавателем исследуемый диод, вольтметр PV и генератор импульсов. Подключить лабораторный стенд к сети, а сетевые шнуры ГИ и ЭО к розеткам стенда. Включить тумблеры «Сеть» генератора и осциллографа.

К пункту 2.4.2. Установить максимальный размах выходного сигнала ГИ, повернув регулятор его напряжения в крайнее левое положение. Установить регулятором частоты ее значение равное 1400 Гц. Получить на экране ЭО и зарисовать на листе в клетку диаграммы напряжения на испытуемом диоде и тока через него. Уменьшить амплитуду сигнала ГИ так, чтобы получить режим с низким уровнем инжекции, и зарисовать на кальку диаграмму напряжения на диоде.

ВНИМАНИЕ! При снятии каждой диаграмм на полях каждой диаграммы должны быть указаны масштабы по обеим осям и отмечен нулевой уровень сигнала.

К пункту 2.4.3. Замкнуть выключатель S. Установить максимальный размах выходного сигнала ГИ. Получить на экране ЭО и зарисовать на кальку диаграмму напряжения на диоде и диаграмму тока через него. Измерить величину выходной ЭДС источника ГИ вольтметром PV и величины прямого I₊ и обратного I_- токов, при этом надо иметь ввиду, что осциллограф измеряет не ток, а напряжение на шунте R1 и для преобразования его в ток через диод необходимо воспользоваться формулой:

, (2.8)

где А_+(-) – амплитуда импульса тока, в клетках; m_y – масштаб по вертикальной оси диаграммы тока в В/клетку; R1 = 1,8 Ом

Данные занести в табл. 2.1.

Таблица 2.1 – Результаты измерений

Напряжение Ег , В	Токи диодов		Длительность ступеньки, tст, мкс	Время жизни дырок, р, мкс
	Прямой I+, мА	Обратный I-, мА

Уменьшив масштаб по горизонтальной оси ЭО, получить на экране изображение обратного тока через диод с отчётливо различимой ступенькой. Зарисовать полученную диаграмму на кальку. Измерить длительность ступеньки t_ст , результат занести в табл.2.1.

Провести аналогичные измерения (без снятия на кальку временных диаграмм) при уменьшении амплитуды сигнала ГИ до величины ~0,5 В; общее число точек должно равняться шести-восьми, заполнить табл.2.1 и построить графики полученных зависимостей.

К пункту 2.4.4. Рассчитать время жизни неосновных носителей _р по формуле (2.5). Для этого на диаграмме напряжения на диоде, полученной в п.2.4.2., нужно выделить линейную часть спадающего участка и, задавшись произвольным значением t, определить соответствующую ей величину U (как это показано на рис.2.3,д). Температуру диода Т принять равной 300К.

Рассчитать и занести в табл.2.1 значения времени жизни _р неосновных носителей заряда для каждого значения Е. Для этого воспользоваться формулой (2.6), (2.7).

К пункту 2.4.5. Разомкнуть выключатель S. Установить максимальный размах выходного сигнала ГИ. Получить на экране ЭО диаграмму напряжения на аноде, измерить по ней величину напряжения U₃ (как это показано на рис.2.3,д). Измерить также амплитуду сигнала ГИ; данные занести в табл.2.2.

Таблица 2.2 – Результаты измерений

ЭДС источника Ег, В
Напряжение U3, В

Постепенно уменьшая величину Е_г(от максимального значения практически до нулевого), провести аналогичные измерения для 5-6 точек, данные занести в табл.2.2.

Построить график зависимости U₃ = f(E_г) и определить по нему величину контактной разности потенциалов U_K р-n-перехода.

2.5. Содержание отчета

Отчет по лабораторной работе должен содержать:

- наименование и цель работы;

- принципиальная схема лабораторной установки;

- описание хода выполненной работы с включением по его тексту:

- временных диаграмм, срисованных с экрана ЭО;

- таблиц с экспериментальными и расчётными данными;

- результатов расчётов, не сведённых в таблицу;

- графика зависимости U = U₃(E_г);

- анализ полученных результатов, оформленный в виде выводов по работе.

2.6. Контрольные вопросы

1. В чём заключается цель и программа данной лабораторной работы?

2. Какие присоединения нужно выполнить при подготовке лабораторной установки к работе?

3. Как снимаются диаграммы напряжения на испытуемом диоде и тока через него?

4. Каким прибором измеряется амплитуда прямоугольных импульсов, вырабатываемых генератором импульсов?

5. Какими способами определяется время жизни неосновных носителей заряда в полупроводнике и чем каждый из способов заключается?

6. Как экспериментально определить контактную разность потенциалов р-n-перехода?

7. Каково назначение выключателя S в схеме лабораторной установки? Когда он должен быть включен и когда выключен? Каково назначение резисторов R1 и R2 в схеме лабораторной установки?

8. Каково назначение диода VD6 в схеме лабораторной установки?

9. Что должен содержать отчёт по лабораторной работе?

10. Что такое диффузионная ёмкость р-n-перехода и как её величина зависит от величины и полярности приложенного к р-n-переходу напряжения?

11. Что такое барьерная ёмкость р-n-перехода и при каких условиях она играет наиболее заметную роль?

12. Как выглядит эквивалентная схема замещения р-n-перехода? Каков смысл каждого из её элементов?

13. Какие переходные процессы протекают в р-n-переходе при подаче на него скачком прямого напряжения?

14.Пояснить качественный характер временных диаграмм тока диода и напряжений на р-n-переходе, на сопротивлении базы, на диоде в целом при подаче скачком прямого напряжения?

15.Какие переходные процессы протекают в р-n-переходе при снятии скачком прямого напряжения? Пояснить качественный характер временных диаграмм тока и напряжений при снятии скачком прямого напряжения.

16.Как определить время жизни неосновных носителей заряда по временной диаграмме напряжения на диоде?

17.Какие переходные процессы протекают в р-n-переходе при подаче скачком обратного напряжения?

18.Пояснить качественный характер временных диаграмм тока и напряжений при подаче скачком обратного напряжения.

19.Как определить время жизни неосновных носителей заряда по временной диаграмме тока диода?

20.Чем определяется быстродействие полупроводниковых диодов?

2.7. Рекомендованная литература

1. Соболев В.Д. Физические основы электронной техники. – М.: Высшая школа, 1979.

2. Епифанов Г.И., Мома Ю.А. Твердотельная электроника. – М.: Высшая школа, 1986.

38