Изучение статических характеристик полупроводниковых приборов

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

ГОУ ВПО “Пермский государственный университет”

Кафедра экспериментальной физики

ТВЕРДОТЕЛЬНАЯ ЭЛЕКТРОНИКА

Изучение статических характеристик

полупроводниковых приборов

Методические указания к выполнению лабораторной работы

Пермь 2007

Составители: доц. , доц. ,

УДК 621.38

Твердотельная электроника.

Изучение статических характеристик полупроводниковых диодов: метод. указ. к выполнению лаб. раб. / сост. , ; Перм. ун-т. – Пермь, 2007. –24 с.

В издании рассмотрен принцип работы полупроводниковых диодов, приведены их статические характеристики, даны рекомендации по выполнению лабораторной работы. Издание соответствует программе курса «Твердотельная электроника».

Предназначено для студентов физического факультета специальности «Радиофизика и электроника».

Ил. 11. Библиогр. 5 назв.

Печатается по постановлению методической комиссии физического факультета Пермского государственного университета в рамках национального образовательного проекта.

ВВЕДЕНИЕ

Лабораторный практикум по твердотельной электронике предназначен для закрепления теоретических знаний, полученных при изучении курсов «Физика атомов и атомных явлений», «Физика твердого тела» и «Твердотельная электроника». Выполнение лабораторных работ способствует более глубокому изучению физических явлений в полупроводниковых материалах и их использованию в современных приборах микроэлектроники, ознакомлению с принципами построения установок для проведения экспериментальных исследований и приобретению практических навыков экспериментирования.

Практикум направлен на развитие самостоятельной работы студентов. В методических указаниях к лабораторной работе даны основные теоретические сведения об изучаемых явлениях и список контрольных вопросов, которые ориентируют студента на самостоятельную работу с рекомендуемой литературой до прочтения соответствующих разделов лекционного курса.

В методических указаниях к лабораторной работе даны только основные схемы экспериментальных установок. Сборку установки, задачи выбора измерительных приборов, определение диапазона измерений предлагается решить студенту самостоятельно. Задания лабораторной работы носят исследовательский характер и дают возможность студенту сделать самостоятельные выводы, сопоставив полученные результаты с данными, содержащимися в справочной литературе.

При подготовке к проведению лабораторной работы и защите отчета следует ознакомиться с рекомендуемой литературой, списком вопросов для самоконтроля и требованиями к оформлению отчета.

Отчет о выполненной лабораторной работе представляется каждым студентом индивидуально на текущем или следующем занятии. Отчет должен содержать:

1) Краткие теоретические сведения о физических процессах в полупроводниковых диодах. Обязательно должны быть приведены соотношения, используемые при расчетах, с описанием всех входящих в них величин.

2) Основные параметры и схему расположения выводов исследуемых диодов (взятые из справочной литературы).

3) Полученные экспериментальные данные (в виде таблиц и графиков).

4) Результаты проведенных расчетов. Сравнение полученных параметров диодов с их номинальными значениями.

1. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ

Диодом называют полупроводниковый прибор с одним выпрямляющим переходом и двумя электрическими выводами (контактами).

В качестве выпрямляющего электрического перехода (Пвып) в полупроводниковых диодах может быть использован p-n - переход (анизотипный гомо- или гетеропереход) или выпрямляющий переход металл – полупроводник (переход Шоттки). В диоде с p-n переходом или с гетеропереходом кроме выпрямляющего перехода должно быть два невыпрямляющих (омических) перехода металл – полупролводник (Пом), через которые p- и n-области диода соединены с электрическими выводами М (рис.1,а). В диоде с переходом Шоттки имется один омический переход (рис.1,б).

Обычно p-n - переход создают на основе монокристалла кремния или Германия (Si и Ge – элементы IV группы), внедряя акцепторные (элементы III группы: индий, галлий, алюминий, бор) и донорные (элементы V группы: сурьма, фосфор, мышьяк) примеси. Если концентрации акцепторных Na и донорных Nd примесей равны, то p-n - переход называется симметричным. Для изготовления полупроводниковых диодов, как правило, используют несимметричные p-n - переходы. В них имеется низкоомная область эмиттера с большой концентрацией атомов примеси N = 1017¸1019 см-3 и высокоомная область базы с низкой концентрацией атомов примеси N = 1014¸1015 см-3. На рисунках эмиттерные области часто обозначают значками: p+ _ эмиттер дырок и n+ – эмиттер электронов. Так, на рис. 1, а представлен несимметричный p-n - переход с эмиттером электронов. Ток через несимметричный p-n - переход создается одним типом носителей. Вклад второго типа носителей в общий ток является несущественным.

Концентрация примесей на границе полупроводников p и n - типов может изменяться скачкообразно или плавно, соответственно такие типы p-n переходов будут называться резкими и плавными.

В зависимости от соотношения линейных размеров p-n - перехода и характеристической длины различают плоскостные и точечные диоды. Характеристической длиной для диода является наименьшая из двух величин: средняя длина диффузии неосновных носителей в базе или толщина базы. У плоскостного диода линейные размеры, значительно больше, а у точечного меньше характеристической длины.

2. ЗОННАЯ ДИАГРАММА p-n - ПЕРЕХОДА В СОСТОЯНИИ ТЕРМОДИНАМИЧЕСКОГО РАВНОВЕСИЯ

Зонная теория твердых тел является фундаментом для рассмотрения электрических процессов в p-n - переходе. Типичная зонная диаграмма для невырожденного несимметричного p-n - гомоперехода в состоянии термодинамического равновесия приведена на рис. 2. На рисунке отмечены уровни энергии: Wc - энергия дна зоны проводимости, Wv - энергия верха валентной зоны, WF - энергия уровня Ферми, которая в состоянии термодинамического равновесия одинакова для области p и области n, DW - ширина запрещенной зоны, DWFn - расстояние между дном зоны проводимости и уровнем Ферми в полупроводнике n - типа и DWFn - расстояние между уровнем Ферми и верхом валентной зоны и в полупроводнике p - типа.

Справа изображена высоколегированная область n+ - типа (эмиттер электронов), а слева – низколегированная область p - типа (база). Будем считать, что при температурах порядка комнатной все примеси ионизированы, концентрации тепловых электронов ni << Nd и дырок pi << Nа. Поэтому концентрация свободных электронов в области эмиттера nn = Nd, а дырок в области базы pр = Nа.

В полупроводниках идут два конкурирующих процесса: тепловой генерации и рекомбинации пар электрон – дырка. Концентрации неосновных носителей заряда nр и pn существенно меньше концентраций основных носителей pр и nn. В состоянии термодинамического равновесия

pр nр = nn pn = pi ni = Nc Nv exp(‑DW/2КТ), (1)

где pi = ni – концентрации свободных носителей заряда в чистом полупроводнике, DW – ширина запрещенной зоны (у кремния DW = 1,12 эВ, у Германия DW = 0,72 эВ), Nc и Nv – эффективные плотности уровней в зоне проводимости и валентной зоне:

Nc = (2pmn*kT/h2)3/2,

Nc = (2pmp*kT/h2)3/2,

где k – постоянная Больцмана, h – постоянная Планка, mn* и mp* – эффективные массы электронов и дырок.

Как устанавливается состояние термодинамического равновесия? В упрощенном виде можно представить, что при контакте двух невырожденных полупроводников p - и n - типа (рис.2) электроны из области n диффундируют в область p и рекомбинируют с дырками. Уровень Ферми выровняется для всего полупроводника. В непосредственной близости от p-n - перехода образуются области dp в базе и dn в эмиттере, обедненные свободными носителями заряда. Однако в области dp есть неподвижные отрицательно заряженные ионы акцепторной примеси, а области dn – положительно заряженные ионы донорной примеси. Между ними возникает электрическое поле , препятствующее дальнейшему перемещению электронов из эмиттера в базу.

В области p-n - перехода происходит искривление уровней энергии Wc и Wv таким образом, что в области n образуется потенциальная яма для электронов глубиной

ψ0 = qj0 = DW ‑ DWFp ‑ DWFn, (2)

где q – заряд электрона, j0 – контактная разность потенциалов. Глубина потенциальной ямы зависит от концентрации примесей. Обычно она составляет ~0,3 эВ для германиевых, ~0,6 эВ для кремниевых и ~1,0 эВ для арсенид-галлиевых диодов.

Толщина p-n перехода рассчитывается по формуле

, (3)

где ee0 – диэлектрическая проницаемость полупроводника.

В несимметричном p-n - переходе обедненная область d в основном располагается в области низколегированной базы. Величиной обедненной области в эмиттере, как правило, пренебрегают и считают всю обедненную область d = dp + dn ≈ dp. Обедненная область, т. е. собственно p-n - переход, является диэлектриком. Возникшие в ней тепловые электроны и дырки выталкиваются электрическим полем в области эмиттера и базы соответственно.

Почему на рис.2 электроны в области n и дырки в области р, находящиеся в потенциальных ямах, изображены в виде пирамид? В соответствии со статистикой Ферми – Дирака вероятность заполнения энергетического уровня электроном определяется энергией W, соответствующей этому уровню, и абсолютной температурой Т:

F(W) = 1 / (1 + exp (W – WF)/KT). (4)

Максимальная концентрация свободных электронов находится практически на уровне дна зоны проводимости. Для упрощения рисунка экспоненциальный спад концентрации электронов заменен линейным. Следует отметить, что электроны в зоне проводимости совершают хаотическое тепловое движение по всему объему полупроводника n - типа и упорядоченное расположение электронов в виде пирамиды является условным, сделанным для упрощения рисунка. Аналогичные замечания относятся и к пирамиде дырок в области p.

На рис. 2 пирамида дырок у верха валентной зоны изображена более разреженной, чем пирамида электронов у дна зоны проводимости, т. к. nn >> pр.

Отношения концентраций носителей заряда одного знака по обе стороны p-n - перехода (формулы Шокли):

;. , (6)

где j0 – контактная разность потенциалов p-n - перехода. Величина jТ = kТ/q носит название температурный потенциал. При комнатной температуре температурный потенциал имеет значение jТ = 1,38∙10−23∙293∕1,6∙10−19 = 25∙10−3В = 25 мВ.

Свободные электроны и дырки, образовавшиеся в обедненной области в результате тепловой генерации, дрейфуют под действием электрического поля p-n - перехода в n и p - области полупроводника, создавая дрейфовые составляющие электронного InE и дырочного IрE токов. Одновременно с этим идет процесс диффузии электронов из n - области в p - область полупроводника, создающий диффузионную составляющую электронного InD и дырочного IрD токов.

В состоянии термодинамического равновесия выполняется принцип детального равновесия: электронный и дырочный токи равны нулю и общий ток также равен нулю

In = InE + InD = 0,

Iр = IрE + IрD = 0,

I = In + Iр = 0.     (7)

3. ПРЯМОЕ СМЕЩЕНИЕ p–n - ПЕРЕХОДА

Зонная диаграмма прямосмещенного p-n - перехода приведена на рис.3. При прямом смещении к p-n - переходу подключается внешний источник напряжения U, плюсом к области p, минусом к области n. При этом в p-n - переходе возникает дополнительное электрическое поле , частично компенсирующее. Энергия электронов в области n увеличивается, уровень Ферми поднимается, и потенциальный барьер уменьшается до (j0 ‑ U)q, также уменьшается и толщина обедненной области

. (8)

Через p-n - переход протекает большой диффузионный ток, переход открыт для прохода основных носителей. Дрейфовый ток мал. В рассматриваемом случае nn >> pр, поэтому можно учитывать только диффузионную составляющую электронного тока InD.

Электроны, преодолев понизившийся потенциальный барьер, переходят в область базы, где они становятся неосновными носителями. Это биполярная инжекция, т. е. инжекция неосновных носителей, при которой знак инжектированных носителей противоположен знаку проводимости области базы. В базе концентрация электронов np(0) = npexp(U/jТ) выше равновесной, поэтому на длине диффузии Ln происходят их рекомбинации и концентрация электронов экспоненциально уменьшается до значения np в глубине базы.

При увеличении температуры p-n - перехода уменьшается высота потенциального барьера и изменяется распределение носителей заряда по энергиям (электроны, например, занимают более высокие энергетические уровни в зоне проводимости). Из-за этих двух причин прямой ток через p-n - переход увеличивается с ростом температуры при постоянном напряжении U. Если сравнить плотности прямых токов для p-n - переходов, изготовленных из материалов с разной шириной запрещенной зоны, то при большей ширине запрещенной зоны будет больше высота потенциального барьера и меньше плотность тока при одинаковом U.

4. ОБРАТНОЕ СМЕЩЕНИЕ p-n - ПЕРЕХОДА

Зонная диаграмма обратносмещенного p-n - перехода приведена на рис. 4. При обратном смещении отрицательный полюс источника напряжения U подключается к p - области, а положительный к n - области. Внешнее электрическое поле и внутреннее совпадают по направлению. В этом случае средняя энергия электронов в области n уменьшается, уровень Ферми опускается, потенциальный барьер увеличивается до (j + U)q, а также увеличивается и толщина обедненной области . При этом переход электронов из области n в область p и дырок из области p в область n становится невозможен. Проводимость p-n - перехода близка к нулю. Диффузионные токи основных носителей InD = 0 и IрD = 0. Однако за счет диффузии неосновные носители подходят к краям p-n - перехода и переносятся электрическим полем +через p-n - переход. Происходит экстракция неосновных носителей: электронов np из базы в эмиттер и дырок pn из эмиттера в базу. Обратносмещенный p-n - переход закрыт для основных носителей и открыт для неосновных. Через него течет малый обратный ток IS = InE + IрE.

За время жизни до p-n - перехода могут продифундировать неосновные носители, возникшие в n - и p - областях на расстоянии, не превышающем соответствующей диффузионной длины. Остальные неосновные носители, не успев дойти до перехода, рекомбинируют в объеме. Это справедливо для разных обратных напряжений на диоде, если толщины прилегающих к переходу областей превышают диффузионные длины неосновных носителей заряда. Поэтому обратный ток начиная с очень малых значений U не зависит от напряжения смещения. Обратный ток через диод называют тепловым током I0, он равен

, (10)

с учетом и практически полной ионизации примесей при комнатной температуре

. (11)

При увеличении температуры диода плотность теплового тока увеличивается, так как с температурой экспоненциально растет концентрация собственных носителей заряда (1). В диодах на основе материала с большей шириной запрещенной зоны плотность теплового тока должна быть значительно меньше, так как собственная концентрация экспоненциально уменьшается с увеличением ширины запрещенной зоны. Типичные значения плотности тока для германиевых, кремниевых и арсенид-галиевых p-n - переходов составляют: 10-5, 10-9 и 10-11 А/см2 соответственно.

5. ВОЛЬТАМПЕРНАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА p-n - ПЕРЕХОДА

5.1. Идеализированная модель Шокли

Идеализированная вольтамперная характеристика (ВАХ) полупроводникового диода рассчитывается на основе следующих приближений:

1. Рассматривается одномерная модель p-n - перехода с полубесконечными областями p и n.

2. Электрическое поле внутреннее и внешнее сосредоточено только внутри p-n - перехода, база и эмиттер электрически нейтральны.

3. В области p-n - перехода нет генерации и рекомбинации носителей заряда, а также нет ловушек.

4. Уровень инжекции считается малым.

5. Омические переходы идеальны.

Для нахождения ВАХ нужно решить уравнения непрерывности p-n - перехода в этих приближениях. Вывод приводится в [1-3]. Уравнение идеализированной вольтамперной характеристики p-n - перехода:

, (12)

или

. (13)

ВАХ идеального p-n - перехода показана кривой а на рис. 5. При U = 0 ток через переход I = 0. В случае приложения прямого напряжения U > jT единицей в формуле (12) можно пренебречь и зависимость I(U) будет иметь экспоненциальный характер. При достаточно большом обратном напряжении (при |−U| > 3ψТ) величина обратного тока IS = −I0 и не зависит от напряжения.

Один из важнейших параметров прямой ветви ВАХ – дифференциальное сопротивление перехода. Дифференцированием формулы (13) можно получить

. (14)

Типичным значением, которое полезно запомнить, является rp‑n≈ 25 Ом при токе I = 1 мА.

Зависимость напряжения на p-n - переходе от температуры при постоянном прямом токе характеризует температурный коэффициент прямого напряжения

. (15)

5.2. Вольтамперная характеристика реального p-n - перехода

При прямом смещении ВАХ реального p-n - перехода (кривая б на рис.5) располагается ниже по следующим причинам:

В области 1. При малых прямых напряжениях смещения в обедненной области p-n - перехода n×p>ni2 и темп рекомбинации носителей заряда преобладает над темпом тепловой генерации пар электрон–дырка. Появляется дополнительный рекомбинационный ток I¢s который уменьшает ток I = Is - I¢s. Этот эффект необходимо учитывать для широкозонных полупроводников кремния и арсенид–галлия. В случае узкозонного Германия им можно пренебречь.

В области 2. Большой уровень инжекции приводит к нарушению условия электрической нейтральности. Накапливается большой объемный заряд и при увеличении U ток растет не по экспоненциальному, а по степенному закону I~U n, где n > 1, обычно n ~ 2.

В области 3. Переход почти полностью открыт, на нем падает напряжение, близкое к контактной разности потенциалов j0, а остальное напряжение падает на металлических контактах и областях р и n (в основном на высокоомной области базы):

U ≈ j0 + Irб. (16)

При дальнейшем увеличении напряжения произойдет тепловое разрушение p-n - перехода. При расчете цепей постоянного тока, содержащих диоды, используют омическое сопротивление p-n перехода

. (17)

При обратном смещении p-n - перехода отклонение ВАХ от идеальной связано с током тепловой генерации электронов и дырок в обедненной области. При уменьшении обратного напряжения (по абсолютной величине оно возрастает) ширина обедненной области, в которой происходит генерация, увеличивается и обратный ток возрастает. При увеличении температуры обратный ток также возрастает за счет экспоненциального роста числа тепловых пар электрон–дырка. Приращение обратного тока будет тем заметнее, чем меньше абсолютное значение Is, т. е. у полупроводников с широкой запрещенной зоной. При больших обратных напряжениях происходит пробой выпрямляющего электрического перехода рис. 6. В зависимости от физических явлений, происходящих в переходе, различают лавинный, туннельный и тепловой пробой.

5.3. Туннельный пробой p-n - перехода

Туннельный пробой происходит в сильнолегированных полупроводниках с резким p-n - переходом. Толщина обедненной области в этом случае мала и составляет d~10-6см. При обратном смещении p-n - перехода рис.7 происходит искривление энергетических зон и ширина потенциального барьера уменьшается. Электроны в области n располагаются напротив свободных уровней энергии в области р и туннелируют через потенциальный барьер без изменения энергии. При этом через p-n - переход протекает туннельный ток Inтун.

5.4. Лавинный пробой p-n- перехода

Лавинный пробой вызывается лавинным размножением носителей заряда под действием сильного электрического поля. При движении в сильном электрическом поле в p-n - переходе энергия электронов существенно превышает энергию теплового движения kТ. Если на длине свободного пробега электронов ln энергия электрона W = qЕln ³ DW, где DW – энергия ионизации нейтрального атома кристаллической решетки, то при соударении атом ионизируется и электрон из валентной зоны переходит в зону проводимости, как показано на рис. 8. Дальше движутся уже два электрона, и при следующем соударении, возникает еще два свободных электрона. Процесс образования электронов носит лавинный характер. Следует отметить, что дырки движутся в базу и также могут ионизировать нейтральные атомы при столкновении.

Туннельный и лавинный пробой являются обратимыми и не приводят к разрушению полупроводника.

Тепловой пробой обусловлен перегревом полупроводника в результате прохождения избыточного тока через переход. Тепловой пробой, как правило, приводит к разрушению структуры p-n - перехода.

6. ВЫПРЯМИТЕЛЬНЫЕ ДИОДЫ И СТАБИЛИТРОНЫ

6.1. Выпрямительные диоды

Выпрямительные диоды предназначены для преобразования переменного тока в постоянный. При преобразовании промышленного переменного тока рабочая частота составляет 50 Гц, а верхняя граница частот – так называемая предельная частота выпрямительных диодов, как правило, не превышает 20 кГц.

Для характеристики выпрямительных диодов используют следующие параметры:

-  максимально допустимое постоянное обратное напряжение Uобрmax – напряжение, которое может быть приложено к диоду длительное время без нарушения его работоспособности (обычно Uобрmax = 0,5 – 0,8Uпроб, где Uпроб – напряжение пробоя);

-  максимально допустимый постоянный прямой ток Iпрmax; постоянное прямое напряжение Uпр при заданном прямом токе Iпр = Iпрmax;

-  максимальный обратный ток Iобрmax – обратный ток диода при приложении к нему напряжения Uобрmax;

-  частота без снижения режимов – верхнее значение частоты, при которой обеспечиваются заданные токи и напряжения.

По максимально допустимому выпрямленному току диоды разбиты на три группы: диоды малой мощности (<0,3А), диоды средней мощности (0,3А ¸10А) и мощные (силовые) диоды (>10А).

Иногда в паспорте диода указывают средний выпрямленный ток Iпр. ср, средний обратный ток Iобр. ср, а также импульсный прямой ток Iпр. и или его максимально допустимое значение.

В состав параметров диодов входят диапазон температуры окружающей среды (для кремниевых диодов обычно от –60 до +125ºС) и максимальная температура корпуса.

Подавляющее большинство кремниевых диодов имеет р+–n–n+ структуру. Они изготавливаются на основе низколегированного (высокоомного) кристалла кремния с электропроводностью n - типа.

6.2. Стабилитроны

Стабилитроном называется полупроводниковый диод, напряжение на котором в области электрического пробоя при обратном включении слабо зависит от тока в заданном диапазоне и который предназначен для стабилизации напряжения.

Стабилитроны работают в режиме электрического пробоя. Под действием сильного поля в области р-n - перехода обратный ток резко возрастает при малых изменениях приложенного напряжения. Эту особенность ВАХ кремниевого диода в области пробоя (рис. 9) используют для стабилизации напряжения, а также фиксации уровней напряжений в схемах, отсюда другое название кремниевых стабилитронов – опорные диоды.

Напряжение пробоя, являющееся напряжением стабилизации, может изменяться в широких пределах – от 3,5 до 400 В и выше в зависимости от удельного сопротивления кремния. На рис. 9 приведена рабочая часть ВАХ стабилитрона с указанием минимального и максимального тока стабилизации.

Основные параметры стабилитронов; напряжение стабилизации Uст, динамическое сопротивление rдин= dUст/dIст, при номинальном токе стабилизации, температурный коэффициент напряжения стабилизации aст = (dUст/dТ) при номинальном токе стабилизации Iст = const.

Так как реальная ВАХ в области пробоя имеет некоторый наклон, то напряжение стабилизации зависит от тока стабилизации Iст. Максимальный ток стабилизации Iст мах ограничен допустимой мощностью рассеяния Рмах и возможностью перехода электрического пробоя в тепловой, который является необратимым. Минимальный ток стабилизации Iстmin соответствует началу устойчивого электрического пробоя. При меньших токах в диоде возникают значительные шумы, происхождение которых связано с механизмом лавинного пробоя (шумы в предпробойной области используются в специальных приборах – полупроводниковых генераторах шума). Динамическое сопротивление rдин характеризует качество стабилизации и определяется углом наклона ВАХ в области пробоя (оно возрастает с ростом напряжения стабилизации). Важным параметром стабилитрона является aст. Зависимость aст от напряжения стабилизации Uст приведена на рис.10. Как видно из рисунка, для высоковольтных стабилитронов aст > 0, а для низковольтных aст < 0. Это объясняется зависимостью механизма пробоя от степени легирования полупроводника. Изменение знака ТКН происходит при концентрациях примеси в кремнии около 5 1017см-3. При Uст ≈ 8 В коэффициент aст минимальный.

Один из способов уменьшения Uст заключается в последовательном соединении переходов с равными по значению, но противоположными по знаку температурными коэффициентами напряжения стабилизации. Если переход стабилитрона имеет значение aст, равное 6 мВ/К, то при сборке последовательно с ним подсоединяют три р-n - перехода, которые будут работать в прямом направлении, так как для прямого направления температурный коэффициент напряжения диода ТКН= − 2 мВ/К. Такие термокомпенсированные стабилитроны с aст = 0,5∙мВ/К и менее применяются в источниках эталонного напряжения.

Конструкция стабилитронов аналогична конструкции выпрямительных диодов, выбор типа корпуса связан с мощностью рассеяния.

Разновидностью кремниевых стабилитронов являются стабисторы. В этих диодах для стабилизации низких напряжений (до 1 В) используется прямая ветвь ВАХ р-n - перехода. Для изготовления стабисторов используется сильнолегированный кремний, что позволяет получать меньшие значения сопротивления базы диода. Температурный коэффициент стабилизации стабисторов отрицательный и примерно равен – 2 мВ/К.

7. МЕТОД ИЗМЕРЕНИЯ И ЭКСПЕРИМНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА

На ВАХ диода имеются области с различными дифференциальными сопротивлениями. Поэтому необходимая точность определения параметров может быть достигнута при соблюдении определенных условий измерения. Учитывая, что вольтметр и амперметр, включаемые в цепь с диодом, имеют конечное внутреннее сопротивление, схемы для снятия прямой и обратной ветви ВАХ диода различны (рис.11).

При прямом включении диода можно пренебречь током, протекающим через вольтметр и использовать схему рис.11,а.

Сопротивление диода при обратном смещении р-n - перехода много больше сопротивления амперметра. Поэтому падением напряжения на амперметре можно пренебречь и использовать схему измерения, показанную на рис.11,б. Резистор R служит для ограничения силы тока, протекающего через диод. Источник питания В1 создает смещение р-n - перехода диода в прямом (рис.11,а) или обратном (рис.11,б) направлении.

Для снятия ВАХ при повышении температуры диод помещается в термокамеру Т с нагревателем W. Температура измеряется термометром РТ.

9. Порядок выполнения работы

Цель работы: Исследование вольтамперных характеристик полупроводниковых диодов (выпрямительных, стабилитронов) в прямом и обратном включении и их зависимости от температуры.

Приборы и принадлежности: Вольтметр В7-38, амперметр и омметр Щ-300 (или аналогичные), полупроводниковые диоды, источник постоянного тока Б5-49 (или аналогичный), термокамера с нагревателем, термометр.

Задание

1.  Выбрать для исследования:

‑ выпрямительный кремниевый диод,

‑ выпрямительный германиевый диод,

‑ импульсный или высокочастотный кремниевый диод,

‑ импульсный или высокочастотный германиевый диод,

‑ кремниевый стабилитрон.

2.  Записать приведенные в справочниках характеристики исследуемых диодов. Зарисовать схему расположения выводов.

3.  Собрать схему установки для снятия статических ВАХ диодов при прямом смещении р-n - перехода (рис.11,а).

4.  Снять прямую ветвь ВАХ выпрямительного и импульсного диодов при комнатной температуре, а также при температуре 333 К или 353 К в диапазоне прямых токов I = 0 ÷ 0,25 Iпр. макс.

5.  Собрать схему установки для снятия ВАХ диодов при обратном смещении р-n - перехода (рис.11,б).

6.  Снять обратную ветвь ВАХ выпрямительных и импульсных диодов при комнатной температуре, а также при температуре 333 К или 353 К в диапазоне обратных напряжений Uобр = 0÷0,25 Uобр. макс.

7.  Снять участок ВАХ кремниевого стабилитрона, соответствующий электрическому (лавинному) пробою при комнатной температуре, а также при температуре 333 К или 353 К в диапазоне прямых токов Iстаб = 0÷0,25 Iстаб. макс.

Поскольку дифференциальное сопротивление р-n - перехода в состоянии лавинного или туннельного пробоя мало (одного порядка с сопротивлением амперметра), измерения следует проводить на установке, собранной по схеме рис.11,а.

При снятии ВАХ диодов выберите необходимый диапазон изменения токов и напряжений, шаг изменения токов и напряжений для обеспечения возможности использования построенных ВАХ при нахождении параметров р-n - переходов (см. пункты ”Обработка результатов измерений”).

Обработка результатов измерений

1.  Сравните ВАХ исследуемых диодов. Объясните различие ВАХ выпрямительных и импульсных диодов, германиевых и кремниевых диодов.

2.  Проведите касательные к “омическим” участкам прямой ветви ВАХ. Оцените величину контактной разности потенциалов j0 перехода и омическое сопротивление базы rб диода (см. рис.5 и уравнение (16)).

3.  Вычислите при одинаковых значениях напряжения Uпр = Uобр ≤ 10j0:

‑ статическое сопротивление диода при прямом (Rпр = Uпр / Iпр) и обратном (Rобр = Uобр / Iобр) смещении р-n - перехода,

‑ дифференциальное сопротивление при прямом смещении р-n - перехода (rp-n = ΔU / ΔI),

‑ коэффициент выпрямления (K = Iпр / Iобр = Rпр / Rобр).

Полученные значения сравните с теоретическими, рассчитанными по формулам (14) и (17).

4.  Вычислите температурный коэффициент прямого напряжения αU = (DUпр/DT) при постоянном прямом токе, составляющем 10% максимального допустимого тока диода.

5.  Найдите величины дифференциального сопротивления р-n переходов диодов r(0) = ΔU/ΔI в точке I = 0; U = 0. С помощью соотношения I0 = jT / r(0) (см. уравнение (14)) оцените величины теплового тока диодов.

6.  На построенных ВАХ диодов найдите значения прямых токов Iа, соответствующих значениям прямого напряжения U = a×jT, где а = 1; 2; 3…

Оцените величину теплового тока диодов с помощью соотношения (получено из уравнения (12)) .

7.  Проведите касательные к обратным ветвям ВАХ диодов. По пересечениям касательных с осью ординат оцените величины теплового тока I0 диодов, сравните с полученными ранее результатами.

8.  Используя значения теплового тока I0, полученные при двух значениях температуры Т1 и Т2, оцените энергию активации (ширину запрещенной зоны) полупроводника с помощью соотношения (получено логарифмированием уравнения (11) с учетом (1)): .

9.  Используя ВАХ стабилитрона на участке пробоя, полученные при двух значениях температуры Т1 и Т2, определите ΔUст и рассчитайте температурный коэффициент напряжения стабилизации αст = ΔUст / ΔT, дифференциальное сопротивление rдифф = ΔUст / ΔI. По знаку αст определите тип пробоя.

10.  Сравните полученные Вами экспериментальные данные со значениями характеристик диодов, приведенных в справочной литературе.

10. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

В перечне контрольных вопросов присутствуют базовые вопросы, которые изучались Вами в курсах “Атомная и ядерная физика” и “Физика твердого тела”, относящиеся к энергетическому спектру энергий электронов в изолированном атоме, образованию энергетических зон при сближении атомов и образованию твердых тел, к энергетическим зонам в металлах, полупроводниках и диэлектриках, уровню энергии Ферми и его зависимости от температуры, без знания которых невозможно понимание принципов действия полупроводниковых приборов. Поэтому в настоящей работе проводится контроль Ваших базовых знаний.

1. Какие энергетические уровни может занимать электрон в изолированном атоме? Переход линейчатого спектра энергий в непрерывный при выходе электрона из атома.

2. Образование энергетических зон в твердых телах. Зонные диаграммы металлов (с проводимостью p - типа, n - типа и смешанного типа проводимости), полупроводников (собственных, примесных, скомпенсированных, вырожденных) и диэлектриков.

3. Уровень энергии Ферми. Зависимость положения уровня Ферми от температуры в металлах и полупроводниках (собственных, примесных, скомпенсированных, вырожденных).

4. Основные и неосновные типы носителей заряда в примесных полупроводниках. Зависимость их концентрации от температуры. Температура полной ионизации примеси и температура вырождения примеси.

5. Основные полупроводниковые материалы, используемые при изготовлении p-n - переходов: германий, кремний и арсенид галлия. Структура их кристаллических решеток. Ширина запрещенной зоны в электорнвольтах.

6. Основные виды донорных и акцепторных примесей.

7. Устройство полупроводникового диода.

8. Зонная диаграмма p-n - перехода в состоянии термодинамического равновесия. Симметричные и несимметричные p-n - переходы. Резкие и плавные p-n - переходы Область базы и область эмиттера. Эмиттеры электронов и дырок. Концентрации акцепторных и донорных примесей в эмиттерах и базах.

9. Искривление энергетических зон в p-n - переходе, ширина p-n - перехода, высота потенциального барьера, электрическое поле в p-n - переходе, контактная разность потенциалов.

10. Диффузионный и дрейфовый токи. Принцип детального равновесия.

11. Зонная диаграмма и токи в прямосмещенном p-n - переходе.

12. Зонная диаграмма и токи в обратносмещенном p-n - переходе.

13. Вольтамперная характеристика p-n - перехода: идеальная и реальная. Их отличия на прямой и обратной ветви ВАХ.

14. Температурная зависимость ВАХ.

15. Типы, структуры и основные характеристики полупроводниковых диодов.

16. Применение полупроводниковых диодов.

17. Объяснить полученные графики ВАХ диодов.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. , К. Полупроводниковые приборы. СПб., 20с.

2. , Основы полупроводниковой электроники. М., 20с.

3. Гуртов В. Твердотельная электроника. М., 20с.

4. , К. Полупроводниковые приборы. М., 19с.

5. , , и др. Полупроводниковые приборы. Диоды, тиристоры, оптоэлектронные приборы. Справочник. М., 19с.

Содержание

Введение 3

1. Полупроводниковые диоды 4

2. Зонная диаграмма p-n - перехода в состоянии термодинамического равновесия 5

3. Прямое смещение p-n - перехода 8

4. Обратное смещение p-n - перехода 9

5. Вольтамперная характеристка p-n - перехода 11

5.1. Идеализированная модель Шокли. 11

5.2. Вольтамперная характеристика реального p-n - перехода. 13

5.3. Туннельный пробой p-n - перехода. 14

5.4. Лавинный пробой p-n - перехода. 15

6. Выпрямительные диоды и стабилитроны 16

6.1. Выпрямительные диоды 16

6.2. Стабилитроны 17

7. Метод измерения и экспериментальная установка 18

9. Порядок выполнения работы 20

10. Контрольные вопросы 22

Библиографический список 23

Методическое издание

Составители

 

ТВЕРДОТЕЛЬНАЯ ЭЛЕКТРОНИКА

Изучение статических характеристик полупроводниковых диодов

Методические указания к выполнению лабораторной работы

Редактор

Корректор

Подписано в печать 12.11.2007. Формат 60´84/16.

Усл. печ. л. 1,39.

Уч.-изд. л.0,86. Тираж 100 экз. Заказ .

Редакционно-издательский отдел Пермского университета

614990. Пермь, ул. Букирева, 15

Типография Пермского университета

614990. Пермь, ул. Букирева, 15