по дисциплине: Электротехника и электроника

Исследование полупроводниковых приборов

 

Методические указания

к выполнению лабораторной работы

 

 

по дисциплине: Электротехника и электроника

(спец. 230101)

 

«Утверждено»

на заседании редсовета

Протокол № _________

«___»____________ 200_ г.

 

 

Байконур 2008

 

 

Содержание

 

Цель работы

Исследование полупроводниковых приборов

1.1

Электронно-дырочный переход

1.1.1

Равновесный p-n переход

1.1.2

Анализ неравновесного p-n перехода

1.2

Вольт-амперная характеристика (ВАХ)

1.2.1

ВАХ идеального p-n перехода

1.2.2

Дифференциальные параметры p-n перехода

1.2.3

Особенности ВАХ реальных диодов

1.3

Обозначения и маркировка полупроводниковых диодов

Порядок выполнения работы

Обработка опытных данных

Контрольные вопросы

Содержание отчета

Список литературы

 

 

Цель работы:

 

Изучение физических процессов в полупроводниковых диодах, анализ ВАХ диодов и их параметров.

 

1 Исследование полупроводниковых приборов

 

ПОЛУПРОВОДНИКОВЫМ ДИОДОМ называют полупроводниковый при­бор с одним электрическим р-n переходом и двумя выводами.

По функциональному назначению диоды делят на:

1) выпрямительные; 2) универсальные;

3) импульсные; 4) смесительные;

5) детекторные; 6) модуляторные;

7) пе­реключающие; 8) умножительные;

9) стабилитроны; 10) туннельные;

11) параметрические; 12) фотодиоды;

13) светодиоды; 14) магнитодиоды

и т.д.

Большинство полупроводниковых диодов выполняют на основе несимметричных p-n переходов.

1.1 Электронно-дырочный переход

 

Рабочими элементами полупроводниковых диодов и транзисторов являются электронно-дырочные переходы, а в полупроводниковых интегральных микросхемах на базе электронно-дырочного перехода строятся активные, пассивные, а во многих случаях и изоли­рующие элементы.

ЭЛЕКТРОННО-ДЫРОЧНЫМ (p-n) переходом называется граница между двумя областями полупроводника, одна из которых имеет электропроводность p-типа, а другая - n-типа.

 

 

1.1.1 Равновесный p-n переход

 

Процессы в плоскостном p-n переходе, изготов­ленном на основе кремния (Si), при отсутствии внешнего электрического поля, представлены на рисунке 1.1.

ПЛОСКОСТНЫМ называют переход, у которого линейные размеры, определяющие его площадь, намного превышают толщину. Концентрацию доноров в n-области принимают N_д = 10¹⁹ см^-3, а концентра­цию акцепторов p-области – N_а = 10¹⁶ см^-3. Переход со скачкообразным изменением концентрации примесей на границе областей называют резким. При комнатной температуре атомы акцепторов и доноров можно считать полностью ионизированными, то есть в полупроводнике n-типа концентрация электронов равна концентрации положительных ионов доноров (n_n » N_д⁺), а в полупроводнике p-типа концентрация дырок практически равна кон­центрации отрицательных ионов акцепторов (p_p » N_а^–). Переходы, в которых концентрация основных носителей в соседних областях отличаются от 100 до 1000 раз, называют несимметричными. В соответствии с рисунком 1.1 n_n>>p_p.

В p-области основными носителями заряда являются дырки, а в n-области – электроны.

Концентрация дырок в p-области намного больше, чем в n-области, где они являются неосновными носителями, т.е. p_p>>p_n. Концентрация электронов в p-области намного меньше, чем в смежной n-области, т.е. n_n >> n_p. Следовательно, в р-n переходе имеется градиент концентраций носителей заряда каждого знака. Под действием градиента концентрации через р-n переход электроны диффундируют из n-области в p-область, а дырки - в противоположном направлении. Движение основных носителей зарядов называется диффузией. Эти встречные диффузион­ные потоки противоположных по знаку носителей заряда образуютдиффузионный ток p-n перехода.

В результате диффузии основных носителей заряда происхо­дит перераспределение электрических зарядов на границах об­ластей.

 

 

 

 

 

	а)
		– ион акцептора – ион донора – электрон – дырка
	б)
	в)
	г)
	д)

 

а) распределение концентрации; г) напряженность поля;

б) структура; д) напряженность потенциала.

в) плотности объемного заряда;

Рисунок 1.1 – Процессы в идеальном ступенчатом несимметричном p-n переходе

В прилегающем к контакту слое n-области возникает положительный пространственный заряд ионизированных доноров, нескомпенсированный зарядом электронов. Соответственно в приконтактном слое p-области возникает отрицательный пространственный заряд ионизированных ак­цепторов, нескомпенсированный дырками.

Область образовавшихся неподвижных пространственных за­рядов (ионов) является областью p-n перехода в соответствии с рисунком 1.1,б. В ней имеют место пониженная концентрация основных носителей, и следовательно, повышенное сопротивление, которое определяет электрическое сопротивление всей системы.

Пространственные заряды нескомпенсированных ионов созда­ют электрическое поле р-n перехода, напряженность которого E_max на границе изменения знака пространственного заряда в соответствии с рисунком 1.1,г. Это электрическое поле препятствует диффузии основных носителей через р-n переход. В то же время неосновные носители заряда, т.е. дырки n-области и электроны p-области могут беспрепятственно переходить через переход, создавая дрейфовый ток. Этот ток образуется неосновными носителями, которые генерируются в примыкающих к пространственному заряду объемах полупроводника с толщиной порядка диффузионной длины L, приходят в область действия пространственного заряда и, подхватываясь его полем, переносятся в соседнюю область. Направление дрейфового тока и дрейфовая составляющая электронного противоположно диффузионному. Поскольку в изоли­рованном полупроводнике плотность тока должна быть равна нулю, то устанавливается динамическое равновесие, при котором диффузионный и дрейфовые потоки зарядов через p-n переход компенсируют друг друга.

Ионы акцепторных и донорных примесей создают в р-n пе­реходе разность потенциалов Dj₀ которую называют потен­циальным барьером или контактной разностью потенциалов. Значение контактной разности потенциалов определяется поло­жением уровней Ферми в областях n- и p- полупроводника. Электрон при переходе из n-области в p-область должен прео­долеть барьер

.

В первом приближении высота потенциального барьера оп­ределяется по формуле:

 

, (1.1)

 

 

где j_т – температурный потенциал, равный:

 

(1.2)

 

 

При комнатной температуре Т = 300 К, j_т = 25 мВ.

Очевидно, что при прочих равных условиях равновесная высота потенциального барьера тем выше, чем меньше собственная концентрация n_i, т.е. чем больше ширина запрещенной зоны. Поскольку ширина запрещенной зоны в Si - полупроводнике (1.11 В) выше, чем в Ge - полупроводнике (0,67 В), то у большинства Si-переходов потенциальный барьер от 0.5 до 0.6 В, а у Ge-переходов от 0.1 до 0.2 В.

Ширина несимметричного p-n перехода в равновесном состоянии опре-

деляется выражением:

 

, (1.3)

 

 

где e – относительная диэлектрическая проницаемость полу­проводника, e₀ – диэлектрическая постоянная воздуха.

 

1.1.2 Анализ неравновесного p-n перехода

 

При подключении к р-n переходу источника э.д.с. с напряжением U, равновесие нарушается и потечет ток.

Если приложить напряжение U "плюсом" к р-области, а "минусом" к n-области, то под действием внешнего поля основ­ные носители заряда начнут перемещаться в сторону контакта. Так как сопротивление р-n перехода во много раз выше сопротивлений р~ и n- областей, то всё напряжение U будет па­дать на переходе, уменьшая внутреннее поле p-n перехода.

Включение, при котором р-n переход представляет малое соп­ротивление протекающему току, называют прямым. Такое включение представлено на рисунке 1.2.

 

 

	а)

 

 

	б)

 

а) структура р-n перехода;

б) напряженности потенциала.

Рисунок 1.2 – Прямое включение p-n перехода

 

Потенциальный барьер уменьшится и станет равным Dj₁ = Dj₀ – U. Соответственно уменьшится ширина р-n перехода и его сопротивление, рассчитанное по формуле

 

(1.4)

Так как потенциальный барьер уменьшается, возрастает диффузионный ток.

При |U_пр| < Dj₀ потенциальный барьер способствует про­теканию через переход и дрейфового тока, а при |U_пр| > Dj₀ препятствует этому. При |U_пр| >> Dj₀ p-n переход, по существу, исчезает, течет ток, образованный основными носи­телями, который называется прямым I_пр.

Если приложить напряжение U "плюсом" к n-области, а "ми­нусом" к р-области, то под действием этого внешнего поля основные носители заряда будут отталкиваться от перехода в глубь областей, в результате ширина p-n перехода увеличивается и сопротивление р-n перехода возрастает. Рассчитывается по формуле (1.5). Включение, при котором р-n, переход представляет большое сопротивление протекающему току, называют обратным.

 

(1.5)

 

 

Обратное включение представлено на рисунке 1.3.

 

 

а) структура р-n перехода;

б) потенциальный барьер.

Рисунок 1.3 – Обратное включение p-n перехода

Высота потенциального барьера увеличивается, т.к. внешнее и внутреннее поле р-n перехода совпадают по направлению. С изме­нением высоты потенциального барьера нарушается термодинамическое равновесие и изменяется соотношение между диффузионной и дрейфовой составляющими тока через переход. Диффузионная составляющая с ростом высоты потенциального барьера уменьшается, поскольку меньшее число основных носителей заряда оказываются способными его преодолеть, и при некотором напряжении совсем прекратится. В этом случае (при |-U_обр| >> j_т) ток через переход будет обусловлен неосновными носителями, т.е. дрейфовой составляющей, которая практически не зависит от высо­ты потенциального барьера. Ток, протекающий через р-n переход в обратном направлении, называют тепловым током и обозначают I₀.

Изменение высоты потенциального барьера при прямом и об­ратном смещениях р-n перехода сопровождается изменением гра­ничных концентраций неосновных носителей заряда в слоях полу­проводника, прилегающих к границам перехода и рассчитываются по формуле

 

(1.6)

 

 

Значит, в каждом из слоев появляются избыточные концент­рации неосновных носителей:

 

(1.7)

 

где и - равновесные концентрации электронов в p-области и дырок в n-области.

При прямых напряжениях граничные концентрации оказываются больше равновесных, и , а избыточные концентрации - положительными > 0 и >0, поэтому имеет место инжекция, т.е. выведение носителей заряда через р-n переход в область полупроводника, где они являются неосновными носителями, за счет снижения высоты потенциального барьера.

Из области n инжектируются электроны в р-область, а из р-области в n-область – дырки. Т.к. одна из областей, в соответствии с рисунком 1.1, сильнее легирована примесями, чем другая, а именно N_д >> N_a, то есть n_n >> n_p, следовательно наблюдается односторонняя инжекция электронов из n-области в р-область.

Область полупроводника, назначением которой является инжекция носите­лей заряда в соседнюю область, называется эммитером, а в которую инжектируются неосновные для неё носители - базой.

При обратных напряжениях граничные концентрации оказыва­ются меньше равновесных, и , а избыточные концентрации отрицательны, согласно формуле (1.7), имеет место процесс "отсасывания" неосновных носителей заряда через переход, который называют экстракцией.

 

1.2 Вольтамперная характеристика (ВАХ)

 

1.2.1 ВАХ идеального р-n перехода

 

ВАХ называется зависимость тока, протекающего через р-n переход, от приложенного к нему напряжения I = f (U).

Для вывода ВАХ решают уравнения непрерывности потока для стационарного случая и при малом уровне инжекции, Dn_p/N_Д << 1, и одномерном движе­нии носителей (вдоль оси X). В результате сложных вычислений получают выражение ВАХ p-n перехода

 

(1.8)

 

где I₀ – тепловой ток, имеет тепловое происхождение и сильно зависит от температуры.

ВАХ идеализированного р-n перехода в относительных единица приведена на рисунке 1.4. Анализ соотношения (1.8) позволяет сделать следующие выводы: так как при комнатной температуре j_т = 25 мВ, то при |U_пр| > 0.1 В в выражении (1.8) можно пренебречь единицей по сравнению с экспоненциальной составляющей, т.е. , а при обратных напряжениях |-U_обр| > 0.1 В экспоненциальная составляющая становится пренебрежимо малой по срав­нению с единицей, т.е. . Таким образом величина и направлена тока через р-n переход зависят от величины и знака приложен­ного к переходу напряжения.

 

Рисунок 1.4 – ВАХ идеального p-n перехода

 

Прямые напряжения, при которых через Ge- и Si- пере­ходы протекают одинаковые токи, отличаются по величине. Это объясняется различием их тепловых токов. Для напряжения записывают выражение

 

(1.9)

Из выражения (1.9) видно, что чем меньше I₀, тем больше U_пр и наоборот. Тепловой ток зависит от типа материала n_i, сте­пени легирования N примесями и температуры. Вели­чина n_i в Si на три порядка меньше, чем в Ge, поэтому теп­ловой ток перехода, изготовленного на основе Si на пять или шесть поряд­ков меньше теплового тока, изготовленного на основе Ge. В связи с этим у Si-переходов прямое напряжение составляет от 0,5 до 0,7 В, тогда как у Ge-переходов от 0.15 до 0.25 В. ВАХ представлены на рисунке 1.5

 

 

Рисунок 1.5 – ВАХ идеальных p-n переходов при разной ширине

запрещенной зоны

 

Температурная зависимость обратной ветви ВАХ обусловлена температурными изменениями теплового тока I₀ = f (Т). Для приближенных расчетов принимают, что тепловой ток удваи­вается при увеличении температуры на 10°С для Ge- и на 7°С для Si-переходов.

Температурная зависимость прямой ветви ВАХ обусловлена температурными изменениями теплового тока I₀ и показателя экспоненты U/j_т Изменение прямого напряжения при коле­баниях температуры оценивают температурным коэффициентом напряжения (TKH). TKH имеет отрицательный знак, т.к. с ростом температуры прямая ветвь ВАХ смещается в сторону больших токов в соответствии с рисунком 1.5. При расчетах ТКН переходов из Si и Ge обычно принимают равным – 2 мВ/°С.

 

1.2.2 Дифференциальные параметры р-n перевода

 

Свойства р-n перехода можно охарактеризовать дифферен­циальными параметрами:

а) дифференциальное сопротивление перехода переменному току

При прямом включении определяют из (1.8) и (1.9)

 

(1.10)

 

 

При комнатной температуре получают

 

, (1.11)

 

Значение тока I измеряется в мА, сопротивление r_i в Ом.

С ростам прямого тока дифференциальное сопротивление падает.

Дифференциальное сопротивление перехода при его обратном включении значительно больше, чем при прямом. При |-U_обр| >> j_т сопротивление r _i можно считать бесконечно большим.

б) барьерная емкость перехода? C_б

Плоскостной р-n переход можно рассматривать как две про­водящие пластины, заряды которых равны, противоположны по знаку и разделены средой со свойствами, близкими к диэлектрику т.е. как плоский конденсатор.

Барьерная емкость С_б определяется отношением приращения пространственного заряда перехода DQ_п, к вызвавшему его при­ращению напряжения DU

 

(1.12)

 

Эту емкость можно рассчитать по известной формуле емкости плоского конденсатора , подставив в неё вместо d толщину p-n перехода

 

(1.13)

 

При увеличении обратного напряжения р-n переход расши­ряется и барьерная емкость уменьшается. При прямом напряже­нии толщина р-n перехода уменьшается, а барьерная емкость возрастает.

в) диффузионная емкость перехода, С_диф

Эта емкость учитывает эффект накопления неосновных но­сителей в базе. Определяется отношением приращения инжектированного заряда в базу DQ_инж, вызвавшему его приращению напряжения:

 

(1.14)

 

При прямом включении перехода C_б << С_диф и барьерную емкость можно не учитывать. При обратном включении С_диф практически равна нулю и следует учитывать только барьерную емкость.

 

1.2.З Особенности ВАХ реальных диодов

В реальных диодах прямая и обратная ветви ВАХ отличается от идеализированной. Это обусловлено тем, что тепловой ток I₀ при обратном включении составляет лишь часть обратного тока диода. При прямом включении существенное влияние на ход ВАХ оказывает падение напряжения на сопротивлении базы диода, которое начинает уже проявляться при токах, превышающих от 2 до 10мА

При практическом использовании диодов выделять составляю­щие, которые искажают идеализированную ВАХ, сложно и нецеле­сообразно. Поэтому у реальных диодов в качестве одного из ос­новных параметров используют обратный ток, который измеряют при определенном обратном напряжении. У германиевых диодов I_обр » I_о, у кремниевых I_обр >> I_о. Такое отличие обрат­ного тока от теплового объясняется термогенерацией электронно-дырочных пар непосредственно в области р-n перехода, а также существованием токов утечки.

 

а) б)

а) прямая ВАХ;

б) обратная ВАХ.

Рисунок 1.6 –Вольтамперная характеристика реального диода

 

В реальных диодах при больших обратных напряжениях воз­можен пробой в отличие от идеального p-n перехода.

Прямая ветвь ВАХ диода, в соответствии с рисунком 1.6,а, отклоняется от идеальной из-за на­личия токов рекомбинации в р-n переходе, падения напряжения на базе диода, изменения (модуляции) сопротивления базы при ин-жекции в ней неосновных носителей заряда и внутреннего поля в базе, возникающего при большом уровне инжекции.

 

Прямая ветвь ВАХ реального диода располагается дальше от оси токов, чем ВАХ идеального р-n перехода.

 

1.3 Обозначения и маркировка полупроводниковых диодов

 

Условное обозначение диодов представлено на рисунке 1.7

Обозначения регламентируются ГОСТ 10862 - 72 и состоят из шести элементов.

 

 

а) б) в) г)

a) - диод, выпрямительный блок;

б) - туннельный диод;

в) - стабилитрон односто­ронний;

г) - стабилитрон двусторон­ний.

 

Рисунок 1.7 – Условные обозначения диодов

 

Первый элемент - буква, указывающая, на основе какого полупроводникового материала выполнен диод. Германий и его соединения обозна­чают буквой Г, кремний и его соединения - К, соединения галлия - А. В приборах специального назначения буквы заменяют соот­ветственно цифрами: германий - 1, кремний - 2, соединения галлия - 3.

Второй элеме нт - буква, обозначающая подклассы диода: выпрямительные, импульсные, универсальные - Д, варикапы - В, туннельные и обращенные диоды - И, стабилитроны - С.

Третий элемент - цифра, определяющая назначение диода (у стабилитронов эта цифра определяет мощность рассеяния).

Четвертый и пятый элементы - цифры, определяющие порядковый номер разработки (у стабилитронов эти цифры показывают номиналь­ное напряжение стабилизации).

Шестой элемент - буква, показывающая деление технологичес­кого типа на параметрические группы (приборы одного типа по значениям параметров подразделяются на группы). У стабилитронов буквы от А до Я определяют последовательность разработки.

Например, Г Д 412 А - диод полупроводниковый, универсаль­ный, предназначенный для устройств широкого применения, герма­ниевый, номер разра-

ботки 12, группа А.

К С 168 А - стабилитрон полупроводниковый, предназначенный для устройств широкого применения, кремниевый, мощность не более 0.3 Вт, с напряжением стабилизации 6.8 В; последова­тельность разработки А.

В обозначениях полупроводниковых диодов до 1964 года: первый элемент буква Д (что означает диод), второй - число, характеризующее назначение диода, третий - буква, указывающая разновидность прибора.

 

2 Порядок выполнения работы

 

2.1 Определить по справочнику тип исследуемого диода.

2.2 Установить диод в гнезда правой панели лабораторного макета, согласно маркировки, для снятия прямой ВАХ.

2.3 Установить на левой панели лабораторного макета следую­щие положения переключателей:

S1- БП

S2- диод

S3-S5 – любое

Ручки потенциометров в крайнее левое положение.

2.4 После проверки схемы преподавателем включить установку тумблеров ВКЛ.

2.5 Снять прямую ветвь ВАХ диода. Для этого потенциометром R1 выставлять по прибору РА1 значения прямого тока и измерять при этом прямые напря­жения, контролируя по прибору PU1.

 

Внимание!

Замену диодов производить при ВЫКЛЮЧЕННОЙ установке!!!

Чтобы приборы не вышли из строя, первоначально выставить на них максималь­ные пределы измерения.

 

Полученные опытные данные занести в табли­цу 1.

 

Таблица 1 – Данные измерений

Тип диода

I, [мА]

Ge -

U, [В]

Si -

 

2.6 Установить диод в гнезде правой панели лабораторного макета, согласно маркировки, для снятия обратной ветви ВАХ.

2.7 Снять обратную ветвь ВАХ диода. Для этого потенциометром R5 (U_обр) выставить значение обратного напряжения, контролируя по прибору PU2, и при этом измерять обратный ток диода по прибору РА2. Данные измерений занести в таблицу 2

Внимание! При измерении обратной ветви ВАХ стабилитрона, необходимо выставить значение Uст данного прибора, уменьшать его до нуля и при этом измерять обратный ток.

Замену диодов производить при ВЫКЛЮЧЕННОЙ установке!!!

 

Таблица 2 – Данные измерений

Тип диода	U, [В]
Ge -	I, [мА]
Si -

 

3 Обработка опытных данных

 

3.1 По данным таблицы 1 построить в одном масштабе графики прямых ветвей ВАХ диодов.

3.2 По данным таблицы 2 построить в одном масштабе графики обратных ветвей ВАХ диодов.

3.3 Рассчитать сопротивления диодов при прямом и обратном включениях по формуле:

(2.1)

3.4 Сделать выводы.

 

4 Контрольные вопросы

 

а) Как образуется p-n переход?

б) Как образуется полупроводник n – типа?

в) Как образуется полупроводник р – типа?

г) Что является причиной диффузии?

д) Что является причиной дрейфа?

е) Как применяется потенциальный барьер при прямом включении?

ж) Как применяется потенциальный барьер при обратном включении?

и) Чему равен ток p-n переход?

к) Как измеряется ширина p-n перехода при прямом и обратном включении?

 

 

5 Содержание отчета

 

Отчет по лабораторной работе должен содержать:

а) маркировка исследуемых диодов;

б) схемы прямого и обратного включения диода;

в) таблицы с результатами измерений;

г) графики ВАX;

д) расчет опытных данных;

е) выводы по работе;

ж) список литературы

и) приложения.

 

СПИПСОК ЛИТЕРАТУРЫ

 

1 Виноградов Ю.В. Основы электронной и полупроводниковой техники. – М.: Энергия,1972, с. 33-71

2 Гусев В.Г., Гусев Ю.M. Электроника:Учебное пособие для вузов,- M.: "Высшая школа", 1982, с.17-46

3 Степаненко И.П. Основы микроэлектроники.- М.: "Сов. радио", 1980, с.71-93.

4 Терещук Р.M., Терещук К.М., Седов С.А. Полупроводниковые приемно-усилительные устройства. Спра­вочник радиолюбителя. – Киев: Наукова думка", 1982. с. 154 - 186.