Отчет по лабораторной работе №2
Изучение полупроводниковых структур с двумя взаимодействующими переходами
Выполнила:
Проверил:
Лобанов Ю. В.
Уфа 2009
Лабораторная работа № 2
Изучение полупроводниковых структур с двумя взаимодействующими переходами
Цель работы
Целью работы является изучение процессов в полупроводниковых структурах с двумя взаимодействующими переходами и исследование характеристик биполярных транзисторных структур.
Теоретическая часть
Физические процессы в полупроводниковой структуре с двумя взаимодействующими переходами (биполярная транзисторная структура).
Схематическое изображение полупроводниковой структуры с двумя взаимодействующими переходами П1 и П2 приведено на рис.2.1. Область, расположенная между двумя электронно-дырочными переходами, называется базой.
Взаимодействие между переходами будет осуществляться в том случае, если расстояние между ними (толщина базы WБ) много меньше диффузионной длины неосновных носителей заряда: W<<Lдф (Диффузионная длина - расстояние, на котором концентрация неравновесных носителей заряда уменьшается вследствие рекомбинации в е раз).
В этом случае носители заряда, инжектированные через один из электронно-дырочных переходов (при его смещении в прямом направлении), могут дойти (диффундировать) до другого перехода, находящегося под обратным напряжением и изменить его ток.
Таким образом, взаимодействие р-n переходов проявляется в том, что ток одного из переходов может управлять током другого.
Каждый из переходов может быть смещен либо в прямом, либо в обратном направлении. В зависимости от этого различают три режима работы транзисторной структуры:
1.режим отсечки — оба электронно-дырочных перехода смещены в обратном направлении при этом через структуру проходят очень небольшие токи.
2.режим насыщения - оба электронно-дырочных перехода смещены в прямом направлении; при этом через структуру проходят относительно большие токи.
3.активный режим — один из переходов смещен в прямом направлении, а другой — в обратном.
В режимах отсечки и насыщения управление током практически отсутствует или очень слабое. В активном режиме такое управление осуществляется наиболее эффективно.
Полупроводниковые области, примыкающие к базе, как правило, делают неодинаковыми, как по геометрическим размерам, так и по степени легирования.
Одну из областей изготовляют таким образом, чтобы из нее наиболее эффективно осуществлялась инжекция носителей заряда в базу, она называется эмиттером. Другую область делают так, чтобы через ее переход эффективно осуществлялась экстракция носителей из базы; она называется коллектором, поскольку это название отражает функцию «собирания» носителей, прошедших через слой базы.
Если к эмиттерному переходу приложено прямое напряжение, а к коллекторному — обратное, то такое включение называется нормальным. Если к эмиттерному переходу приложено обратное напряжение, а к коллекторному — прямое то такое включение называется инверсным. В принципе структура с двумя взаимодействующими переходами является взаимообратимой.
Основные свойства транзисторной структуры определяются процессами, происходящими в базе.
В базе, в зависимости от распределения концентрации примесей, может существовать или отсутствовать внутренне электрическое поле. Если при отсутствии тока в базе существует электрическое поле, которое способствует движению неосновных носителей заряда от эмиттера к коллектору, то такая транзисторная структура называется дрейфовой (рис.2.2.); если поле в базе отсутствует—то бездрейфовой.
Значение напряженности электрического поля Е в базе может быть определено из выражения для плотности тока основных носителей в базе, обусловленного дрейфовым и диффузионным движением носителей.
Таким образом, возникшее электрическое поде обусловлено градиентом концентрации примеси. Градиент концентрации основных носителей заряда вызывает их перераспределение в базе. Из области с большей концентрацией основные носители уходят, оставляя частично некомпенсированные заряды ионов примеси, и накапливаются в области с малой концентрацией.
Возникающее электрическое поле всегда направлено так, что способствует движению неосновных носителей из области с большей концентрацией примеси в область с малой концентрацией. Следовательно, электрическое поле, способствующее движению неосновных носителей от эмиттера к коллектору, возникает в том случае, когда концентрация примеси в базе уменьшается от эмиттера к коллектору (рис.2.2).
Зонные диаграммы полупроводниковой р-n-р структуры с двумя взаимодействующими переходами.
На рис. 2.3а приведены зонные диаграммы для равновесного состояния р-n-р структуры (эмитгерный и коллекторный переходы закорочены). Эмиттер и коллектор представляют собой низкоомные слои (уровень Ферми лежит вблизи уровня акцепторов), а база является сравнительно высокоомным слоем (уровень Ферми лежит вблизи середины запрещенной зоны).NАЭ>>NDБ, NАК>>NDE.
В равновесном состоянии на обоих переходах соблюдается динамическое равновесие между потоками дырок, а также между потоками электронов, протекающих в ту и другую стороны.
Рис. 2.3
Рассмотрим случай, когда на эмиттерный переход подается нормальное для него положительное смещение, аколлекторный переход по-прежнему замкнут (рис. 2.3,б). Потенциальный барьер эмиттериого перехода понижается и начинается инжекция дырок из эмиттера в базу в электронов из базы в эмиттер. При большой разнице н удельных нроволимостжх эмиттера и базы электронная составляющая не играет большой роли я ею можно пока пренебречь.
Инжектированные дырки, пройдя базу, свободно проходят через коллекторный переход. В выходной (коллекторной) цепи будет протекать ток близкий к току эмиттера, поскольку рекомбинация в тонкой базе - невелика.
Если в выходную цепь включить резистор Rk для выделения мощности, то падение напряжения на нем создаст положите смещение на коллекторном переходе. Тогда наряду с собиранием дырок, дошедших из эмиттера через базу, будет происходить инжекция дырок самим коллектором. В результате ток коллектора, станет заметно меньше тока эмиттера, мощность в нагрузке будет невеликая и усиления мощности практически не будет,
Принцип действия, основные параметры
В активном (усилительном) режиме на коллекторный переход подастся обратное (отрицательное) смешение, которое увеличивает высоту потенциального барьера коллекторного перехода (рис. 2-3в). Теперь можно включать в выходную (коллекторную) цепь значительное сопротивление без опасения вызвать инжекцию через коллекторный переход.
Во всех случаях в транзисторной p-n-р структуре главными рабочими носителями, образующими токи через переходы, являются дырки, а ток базы всегда обусловлен электронами (поступающими от внешнего источника), которые компенсируют избыточный заряд дырок в базе и обеспечивают ее электронейтральность.
При прямом смещении на эмиттере происходит снижение потенциального барьера и дырки из области эмиттера диффундируют в область базы (происходит инжекция в базу неосновных носителей заряда), а электроны из области базы в область эмиттера. Так как удельное сопротивление базы больше, чем эмиттера (концентрация примесей соответственно меньше), то дырочный поток преобладает над электронным.
Для количественной оценки электронных и дырочных составляющих полного тока используется коэффициент инжекции γ, показывающий отношение тока носителей заряда, инжектированных в базу к полному току через р-п переход.
γ = IЭp/ IЭn + IЭp
Дырочная составляющая тока IЭp создается потоком дырок, переходящих в базу. Электронная составляющая IЭn обусловлена движением электронов из базы в эмиттер.
Процессы в базе определяются поведением дырок, пришедших через эмиттерный переход. Вследствие разности концентраций развивается диффузионное движение дырок в сторону коллектора (т.е. в направлении меньшей концентрации). Дырки, дошедшие до коллекторного перехода, ускоряются его полем в перебрасываются в область коллектора.
Наличие дырок и электронов в базе приводит к тому, что в процессе диффузии некоторая часть дырок рекомбинирует с электронами. В результате рекомбинации количество дырок, дошедших до коллектора, не будет равно количеству дырок инжектированных из эмиттера и, следовательно, дырочная составляющая тока коллектора будет меньше дырочной составляющей тока эмиттера.
Для определения количества дырок, перешедших из эмиттера в коллектор, вводится коэффициент переноса дырок в базе к, который равен отношению дырочной составляющей тока коллектора к дырочной составляющей тока эмиттера:
κ = Iκp/ IЭр
База всегда электрически НЕЙТРАЛЬНА, т.е. количество дырок, находящихся в базе, равно количеству электронов.
Процесс рекомбинации дырок и электронов в базе создает недостаток электронов, требующихся для компенсации дырок, постоянно поступающих в базу из эмиттера. Необходимые электроны поступают по цепи базы, создавая базовый ток транзистора. Следовательно, разность между дырочными составляющими эмиттерного и коллекторного токов, представляет собой ток базы, обусловленный рекомбинацией в ней дырок:
Коллекторный ток, обусловленный дырочной составляющей, связан с током эмиттера коэффициентом передачи тока α:
α = Iκp/IЭ
Коэффициент передачи тока а тем ближе к 1, чем меньше отличаются от 1 коэффициенты γ и κ.