Пример проведения практического занятия

Цель практических занятий: базируясь на лекционном материале закрепить изучение физических основ и принцип действия полупроводниковых приборов, являющихся основными элементами современной электроники, изучить основные параметры и характеристики полупроводниковых приборов, знать их условное обозначение и назначение.

Пример проведения практического занятия

Определение положения уровня Ферми

Для собственного полупроводника уравнение электронейтральности приобретает вид
p - n = 0 или p = n. Если ширина запрещенной зоны полупроводника достаточно велика (Eg много больше kT) и если эффективные массы электронов mn и дырок mp одного порядка, то уровень Ферми будет достаточно удален от краев зон (EC - F > 2kT и F - EV > 2kT) и полупроводник будет невырожденным.

Подставляя (1.10) и (1.13) в уравнение
p + pD - n - nA = 0, имеем:

 (1.20)

Отсюда вычисляем F. Уравнение (1.20) - это уравнение первого порядка относительно exp(F/kT). Это дает

 (1.21)

где через Ei = (1/2)*(EV + EC) обозначена энергия середины запрещенной зоны. При выводе правого выражения для F величина (NC/NV) была заменена на (mn/mp) с помощью уравнения (1.11). Для случая mn* = mp* энергия Ферми в собственном полупроводнике находится посреди запрещенной зоны F = (EC + EV)/2. Положение уровня Ферми зависит от того, какие другие величины заданы. Если известны концентрации носителей заряда в зонах n и p, то значение F можно определить из формул (1.10) и (1.13). Так, для невырожденного полупроводника n-типа имеем:

 (1.22)

Аналогично для невырожденного полупроводника p-типа

 (1.23)

Из выражений (1.22 и 1.23) видно, что чем больше концентрация основных носителей, тем ближе уровень Ферми к краю соответствующей зоны. Для донорного полупроводника n0 = ND (1.17), тогда

 (1.24)

Для акцепторного полупроводника p0 = NA (1.19), тогда

 (1.25)

ЗАДАЧА

Найти положение уровня Ферми в собственном Германии при 300 К, если известно, что ширина его запрещенной зоны ∆Е=0,665 эВ, а эффективные массы плотности состояний для дырок валентной зоны и для электронов зоны проводимости соответственно равны: mp=0,388 mo и mn= 0,55mo, где mo – масса свободного электрона.

РЕШЕНИЕ

Положение уровня Ферми в собственном полупроводнике определяется выражением

, где

- эффективные плотности состояний для дырок в валентной зоне и для электронов в зоне проводимости соответственно. Вычислим их значения в нашем случае.

Положение уровня Ферми относительно потолка валентной зоны определится как

EF – EV = ∆E/2 + kT ln NV/NC = 0,655/2 – 6,78·10-3 = 0,326эВ, т. е.,

Уровень Ферми лежит выше потолка валентной зоны на 0,326 эВ . Результаты расчета, таким образом показывают. Что уровень Ферми приближается к той зоне, плотность состояний которой имеет меньшую плотность и поэтому заполняется быстрее.

Примеры задач, закрепляющих теоретические рассмотрения характеристик полупроводниковых приборов

Задача № 1

По вольт-амперной характеристике кремниевого выпрямительного диода КД103А при t = 20 °С (рис. 1.1) определить сопротивление постоянному току при прямом включении для напряжений

Uпр = 0,4; 0,6; 0,8 В. Построить график зависимости R0 = f (Uпр) .

Задача № 2

Используя вольт-амперную характеристику диода КД103А при t = 20 °С (рис. 1.1), определить сопротивление постоянному току при обратном включении для напряжений Uобр = – 50; –100; – 200 В.

Построить график зависимости R0 = f (Uобр).

Рис. 1.1. Вольт-амперная характеристика диода

Задача № 3

Построить зависимость сопротивления постоянному току диода КД103А при прямом включении от температуры окружающей среды, используя характеристики, представленные на рис. 1.1, для прямого напряжения Uпр = 0,4; 0,6; 0,8 В.

Задача № 4

Построить график зависимости сопротивления постоянному току диода КД103А при обратном включении от температуры окружающей среды, используя вольт-амперные характеристики рис. 1.1, для обратного напряжения Uобр= – 50; – 100 В.

Задача № 5

По вольт-амперным характеристикам диода КД103А (рис. 1.1) определить изменения прямого тока при изменении температуры от – 60 до + 120 °С для значений прямого напряжения Uпр = 0,4; 0,6; 0,8; 1 В.

Задача № 6

По вольт-амперным характеристикам диода КД103А (рис.1.1) определить изменения обратного тока при изменении температуры от – 60 до + 120 °С для значений Uпр= – 50; – 100; – 200 В.

Задача № 7

Для транзистора КТ312А мощность, рассеиваемая на коллекторе, P к = 225 мВт. Используя семейство выходных характеристик транзистора КТ312А в схеме с общим эмиттером (рис. 1.2), определить рабочую область, учитывая, что наибольшее допустимое напряжение на коллекторе Uк = 20 В.

Рис 1.2. Выходные характеристики транзистора КТ312А в схеме с общим эмиттером

Задача № 8

Для транзистора КТ312А статический коэффициент усиления тока базы h21э = 10 : 100. Определить, в каких пределах может изменяться коэффициент передачи тока эмиттера h21б.

Задача № 9

По семейству выходных характеристик транзистора КТ312А в схеме с общим эмиттером (рис. 1.2) определить значения коэффициентов усиления тока базы h21э при напряжении на коллекторе Uк = 15 В для токов базы IБ = 0,2; 0,4; 0,6; 0,8 мА.

Построить график зависимости h21э = f(Uк).

Задача № 10

Используя семейство выходных характеристик транзистора КТ312А в схеме с общим эмиттером (рис.1.2), определить выходное сопротивление транзистора при токе базы IБ = 0,6 мА и напряжениях на коллекторе Uк = 5; 10; 15 В.

Построить график зависимости Rвых = f(Uк).

Задача № 11

Для транзистора КТ339А, включённого по схеме с общей базой, при изменении тока эмиттера на 10 мА ток коллектора изменяется на 9,7 мА. Определить коэффициент усиления по току для транзистора в схеме с общим эмиттером.

Задача № 12
В каком направлении включается коллекторный p-n–переход в транзисторе:

а) в обратном;

б) в прямом;

в) это зависит от типа кристалла;

г) это зависит от схемы включения транзистора.

Задача № 13

По вольт-амперным характеристикам (рис. 1.6.) определите тип полупроводникового прибора.

Рис. 1.6. Вольт-амперная характеристика

Задача № 14

По вольт-амперной характеристике выпрямительного диода, изображённой на рис. 1.7, определите сопротивление диода по постоянному току при включении тока в прямом и обратном направлении, если к диоду приложено напряжение Uпр = 0,5 В и Uобр = – 50 В.

Рис. 1.7. Вольт-амперная характеристика

Задача № 15

Какие виды пробоя диода вы знаете?

Задача № 16

Какие диоды используются для генерации электрических колебаний:

а) туннельные;

б) импульсные;

в) стабилитроны.

г) для генерации электрических колебаний диоды не используются.

Задача № 17

У какого транзистора входное сопротивление максимальное:

а) у биполярного;

б) у полевого с затвором в виде р-n–перехода;

в) у МДП–транзистора;

г) у транзистора типа р-n-р.

Задача № 18

Нарисуйте три схемы включения транзистора: с общей базой (ОБ), с общим эмиттером (ОЭ) и общим коллектором (ОК).

Задача № 19

Какие приборы называют оптронами (оптопарами)?