Исследование параметров p-n переходов
1 Цель работы
Исследовать влияние температуры и концентрации примесей на толщину и контактную разность p-n перехода.
2 Подготовка к работе
2.1 Изучить следующие вопросы курса:
2.1.1. Образование электронно-дырочного перехода.
2.1.2. P-n переход в состоянии термодинамического равновесия.
2.1.3. Характеристики и параметры электронно-дырочного перехода.
2.1.4. Влияние ширины запрещенной зоны, температуры и концентрации примесей на параметры р-n перехода
2.2. Ответить на следующие контрольные вопросы:
2.2.1 Объяснить процесс образование электронно-дырочного перехода.
2.2.2 Что такое контактная разность потенциалов? Как она образуется?
2.2.3 Чем определяется толщина p-n перехода?
2.2.4 Привести потенциальную диаграмму p-n перехода в состоянии равновесия.
2.2.5 Чем определяется потенциальный барьер в p-n переходе?
2.2.6 Как обеспечить прямое включение p-n перехода?
2.2.7 Как меняется толщина p-n перехода при прямом включении? Почему?
2.2.8 Как меняется потенциальный барьер в p-n переходе при прямом включении? Почему?
2.2.9 Привести потенциальную диаграмму p-n перехода при прямом включении внешнего источника.
2.2.10 Как обеспечить обратное включение p-n перехода?
2.2.11 Как меняется толщина p-n перехода при обратном включении? Почему?
2.2.12 Как меняется потенциальный барьер в p-n переходе при обратном включении? Почему?
2.2.13 Привести потенциальную диаграмму p-n перехода при обратном включении внешнего источника.
2.2.14 Как зависит d от концентрации примесей?
2.2.15 Как зависит d от температуры?
2.2.16 Что такое симметричный и несимметричный переходы?
2.2.17 От чего зависит dp и dn?
2.2.18
2.2.19 Что такое барьерная и диффузионная емкости диода? Дать
определение.
2.2.20 От чего зависит барьерная ёмкость p-n перехода?
2.2.21 От чего зависит диффузионная ёмкость p-n перехода?
2.2.22 Привести зависимость барьерной ёмкости от концентрации примесей.
2.2.23 Привести зависимость барьерной ёмкости от напряжения, приложенного к p-n переходу.
2.2.24 Привести зависимость диффузионной ёмкости от напряжения, приложенного к p-n переходу.
3 Литература
1. Петров , радиокомпоненты и электроника: Учебное пособие - СПб.: Питер, 2003.
2. и др. Основы электроники: Учебное пособие Новосибирск, 2005.
3. и др. Классическая и наноэлектроника: Учебное пособие –М: Флинта, 2009.
4. И др. Под редакцией Федорова , квантовые приборы и микроэлектроника. - М: Радио и связь, 1998.
4 Задание к работе в лаборатории
Работа выполняется на ПК в Microsoft Office Excel 2007.
Файл «Исследование параметров p-n перехода».
Вариант задания задается преподавателем.
1 Исследование влияния концентрации примесей (NA∙NД) на контактную разность потенциалов p-n перехода UК для Ge, Si и GaAs при заданной температуре в соответствии с вариантом (таблица1).
Таблица 1
№ вар | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 | 11 | 12 |
Т, К | 220 | 240 | 260 | 280 | 300 | 320 | 340 | 360 | 380 | 400 | 420 | 440 |
материал | Si | Ge | GaAs | Si | Ge | GaAs | Si | Ge | GaAs | Si | Ge | GaAs |
m | 1,5 | 2 | 2,5 | 3 | 3,5 | 4 | 1,5 | 2 | 2,5 | 3 | 3,5 | 4 |
UК рассчитывается по формуле :
(1)
 |
где, В
Для получения завимостей UК=f(NA∙NД):
1.1 Открыть лист UК=f(NANД).
1.2 Согласно заданному варианту выделить ячейки: буква (10-14), (например G10-G14) и скопировать их содержимое.
1.3 Выделить ячейки С17-С21 и вставить в них значения скопированных величин. Для этого в опции «вставить» выбрать «вставить значения».
1.4 Вычисленные значения UК появляются в выделенном в массиве ячеек (F÷M)( 24÷27), графики зависимости UК=f(NANД) приводятся ниже.
Скопировать в отчет полученные результаты.
1.5 Определить по вычисленным значениям в соответствии с вариантом задания или рассчитать по формуле (1), как нужно изменить концентрацию примеси, чтобы контактная разность потенциалов UК для заданного полупроводникового материала изменилась в m раз.
2 Определить зависимость контактной разности потенциалов от температуры UК=f (Т) для двух значений заданной концентрации примесей NA∙NД для Ge, Si и GaAs, для этого:
2.1 Открыть лист UK=f(T).
2.2 В соответствии с вариантом задания выбрать два значения концентрации примеси, для которых надо построить зависимость величины контактной разности потенциалов от температуры.
2.3 Согласно заданному варианту выделить ячейку с первой заданной концентрацией примеси, например С10, скопировать концентрацию примесей (для всех полупроводников одинаковая). Вставить значения скопированной величины в выделенную ячейку В18.
2.4 Вычисленные значения UК появятся в выделенном в массиве ячеек (C÷N)( 20÷23), графики зависимости UК=f(NANД) приводятся ниже.
2.5 Результаты вычислений привести в отчете в виде таблиц.
2.6 Найти экспериментально такую концентрацию примеси для заданного полупроводника, при которой температура не влияет на контактную разность потенциалов.
3 Определить зависимость толщины p-n перехода от концентрации примесей
d=f(NANД) для Ge, Si и GaAs при температуре 300К, для этого:
3.1 Открыть лист UК =f(NA∙NД) и скопировать UK в ячейках F25-M25, F26-M26, F27-M27.
3.2 Открыть лист d=f(N) и вставить значения в ячейки D25-K25, D26-K26, D27-K27. В ячейках D29-K29, D30-K30 и D31-K31 появятся рассчитанные значения толщины перехода d для различной концентрации примеси и различных полупроводников.
Ниже в соответствии с таблицей появятся графики.
3.3 Рассчитать на сколько меняется d для заданного полупроводника при изменении концентрации в 10 раз для минимального и максимального значений концентраций примесей.
Результаты расчетов представить по форме таблицы 6.
Таблица 6.
материал | Ge | Si | GaAs | |
Nmin | Δd | |||
Nmax | Δd |
3.4 Учитывая связь барьерной емкости p-n перехода с его толщиной
Оценить для заданного материала изменение барьерной емкости при изменении концентрации от Nmin до Nmax.
4 Определить зависимость толщины p-n перехода от приложенного обратного напряжения d=f(U) для Ge, Si и GaAs, для этого:
4.1 Открыть лист UK=f(T) и скопировать UK для заданного варианта в ячейках С21-N21, С22-N22, С23-N23.
4.2 Открыть лист d=f(U) и вставить значения в ячейки D17-19, а в ячейки D20-21 вставить значения концентрации из ячеек С11-N11 и C12-N12. В ячейках С24-N24, C29-N29 появятся значения толщины перехода d в мкм для различных полупроводников в зависимости от обратного напряжения.
Ниже в соответствии с таблицей приводятся графики.
4.3 Рассчитать, на сколько меняется d для заданного полупроводника при изменении напряжения от 0 до1 В и от 9 до 10 В.
Результаты расчетов записать в таблицу 5.
Таблица 5.
Пп | Ge | Si | GaAs | |
0-1 В | Δd | |||
9-10 в | Δd |
5 Указания к составлению отчета
5.1 Привести таблицы и графики исследования UК=f(NANД).
5.2 Привести результаты расчетов п. 1.5.
5.3 Привести таблицы и графики UK=f(T).
5.4 Привести результаты расчетов п. 2.6.
5.5 Привести таблицы и графики d=f(NANД).
5.6 Привести результаты расчетов п. 2.6.
5.7 Привести таблицы и графики d=f(NANД)
5.8 Привести результаты расчетов п. п. 3.3 и 3.4.
5.9 Привести таблицы и графики d=f(U).
5.10 Привести результаты расчетов п. 4.3.
5.11 Сделать выводы по проделанной работе для каждого из 4 разделов.
