3. виды пробоев pn перехода
advertisement
Министерство образования Российской Федерации ГОУ ВПО «Уральский государственный технический университет – УПИ» ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК И ПАРАМЕТРОВ ЭЛЕКТРОННО-ДЫРОЧНЫХ ПЕРЕХОДОВ Методические указания к лабораторным работам по дисциплине «Физические основы электроники» для студентов всех форм обучения направлений 552500 – Радиотехника; 654200 – Радиотехника по специальностям: 200700 – Радиотехника; 201600 – Радиоэлектронные системы; 654400 Телекоммуникация по специальностям: 200900 - Сети связи и системы коммутации; 201200 – Средства связи с подвижными объектами Екатеринбург 2003 УДК 621.381 Составители В.И Елфимов, Н.С. Устыленко Научный редактор проф., канд. техн. наук А.А. Калмыков ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК И ПАРАМЕТРОВ ЭЛЕКТРОННОДЫРОЧНЫХ ПЕРЕХОДОВ: Методические указания к лабораторным работам по дисциплине «Физические основы электроники» / В.И. Елфимов, Н.С. Устыленко. Екатеринбург: ГОУ ВПО УГТУ-УПИ, 2003. 43 с. Методические указания содержат описания физических процессов, возникающих при образовании p-n перехода, равновесного и неравновесного состояния p-n перехода, вольт-амперных характеристик идеального и реального p-n переходов, типов пробоев электронно-дырочных переходов. Рассматривается влияние температуры на характеристики и параметры электронно-дырочных переходов. Приводятся описания схем экспериментальных исследований, лабораторные задания и методика обработки результатов эксперимента, вопросы для самопроверки, библиографический список и приложения. Библиогр.: 18 назв. Табл.4. Рис. 18. Прил. 5. Подготовлено кафедрой «Радиоэлектроника информационных систем». © ГОУ ВПО «Уральский государственный технический университет – УПИ», 2003 2 1. ЦЕЛЬ ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ Ознакомиться с физическими основами работы электронно-дырочных переходов, приобрести навыки экспериментального исследования электроннодырочных переходов, исследовать влияние материала полупроводника и температуры окружающей среды на характеристики и параметры электроннодырочных переходов. Каждая лабораторная работа включает в себя следующее: самостоятельная подготовка теоретического материала; входной тестовый контроль; теоретический коллоквиум; экспериментальные исследования; обработка экспериментальных данных; анализ полученных результатов; оформление отчета. Данные указания содержат только основной теоретический материал, поэтому при подготовке к занятиям необходимо проработать соответствующие разделы в основных учебниках курса (см. библиографический список). Проверить полноту подготовки можно по вопросам самопроверки. 2. ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В ЭЛЕКТРОННО-ДЫРОЧНЫХ ПЕРЕХОДАХ 2.1. ПОНЯТИЕ И ОБРАЗОВАНИЕ ЭЛЕКТРОННО-ДЫРОЧНОГО ПЕРЕХОДА Электрическим переходом называется переходный слой между областями твердого тела с различными типами или значениями проводимости, физические характеристики которых существенно различаются. Например, между областями полупроводников n- и p-типов, металлом и полупроводником, диэлектриком и полупроводником и т.д. Электрический переход между областями полупроводника с электропроводностью p- и n-типов называют электронно-дырочным переходом или p-n переходом. Такой переход обладает выпрямляющими или вентильными свойствами: он гораздо лучше пропускает ток в одном направлении, чем в другом, что используется в полупроводниковых диодах. Упрощенная структура p-n перехода представлена на рис.1. Поверхность, по которой контактируют слои p- и n-, называется металлургической границей, а прилегающая к ней область объемных зарядов p-n переходом. Два других (внешних) контакта диода – невыпрямляющие, поэтому их называют омическими. 3 По резкости металлургической границы p-n переходы делят на ступенчатые и плавные переходы, а по соотношению удельных сопротивлений слоев – на симметричные и несимметричные переходы. Ступенчатым (резким) переходом называют переход с идеальной границей, по одну сторону которой находятся доноры с постоянной концентрацией Nд, а по другую – акцепторы с постоянной концентрацией Nа. Смена типа примеси в таком переходе происходит на расстоянии, соизмеримом с диффузионной длиной. Такие переходы наиболее просты для анализа. В плавном переходе концентрации примесей изменяются на расстоянии, значительно большем диффузионной длины, металлургическая граница в этом случае соответствует равенству примесных концентраций (Nд = Nа). В симметричном переходе концентрации примесей в p- и n- областях примерно одинаковы, такой переход не типичен для полупроводниковой техники. В несимметричном переходе концентрация акцепторов Nа в области полупроводника p-типа на несколько порядков отличается от концентрации доноров Nд в области полупроводника n-типа: Nа >> Nд или Nа Nд. При этом концентрации основных носителей заряда в областях будут различны: pp > nn или pp nn. Рассмотрим образование несимметричного, резкого p-n перехода, выполненного на германии. Допустим, что концентрация примесей составляет Nа = 1018см-3, а Nд = 1015см-3. На рис.1 указано, что внешнее напряжение на переход не подается, а p- и n-области соединены между собой, это соответствует равновесному состоянию перехода. Рис.1.Образование несимметричного p-n металлургического контакта двух полупроводников перехода посредством Поясним процесс образования p-n перехода с помощью диаграмм, представленных на рис.2. Здесь обозначено: - положительный ион донора; отрицательный ион акцептора; + + дырка - основной носитель заряда полупроводника p-типа; - электрон - основной носитель заряда полупроводника n-типа; 4 lp - ширина p-n перехода в области полупроводника p-типа; ln - ширина p-n перехода в области полупроводника n-типа; lo - ширина p-n перехода в равновесном состоянии. В первый момент после образования перехода в результате разности концентраций подвижных носителей заряда на границе контакта полупроводников p- и n-типов (диаграмма 2 рис.2) имеет место градиент концентрации носителей заряда каждого знака. Распределения концентраций основных и неосновных носителей заряда в полупроводниках определяются из закона действующих масс. Так для полупроводника p-типа закон действующих масс записывается в виде ni2 = ppnp = Nаnp. А для полупроводника n-типа- ni2 = nnpn= Nд pn. У германия равновесная концентрация (концентрация свободных носителей заряда в полупроводнике i-типа) носителей заряда составляет величину niGE = 2,51013см-3 . Из закона действующих масс находим, что pp = Nа + ni Nа = 1018см-3, np = 6,25108см-3 , nn Nд = 1015см-3 , pn = 6,251011см-3 . Под действием градиента концентрации будет происходить диффузия основных носителей заряда из области с высокой концентрацией в область с меньшей их концентрацией. Так как концентрация дырок в области p- выше, чем в n-области, то часть дырок в результате диффузии перейдет в n-область, где вблизи границы окажутся избыточные дырки, которые будут рекомбинировать с электронами. Соответственно в этой зоне уменьшится концентрация свободных электронов и образуется область нескомпенсированных положительных ионов донорной примеси. В p-области уход дырок из граничного слоя способствует образованию области с нескомпенсированными отрицательными зарядами ионов акцепторной примеси. Подобным же образом происходит диффузионное перемещение электронов из n-слоя в p-слой (диаграмма 1 рис.2). Отрицательные ионы акцепторов и положительные ионы доноров находятся в узлах кристаллической решетки и поэтому не могут двигаться по кристаллу полупроводника. Область образовавшихся неподвижных пространственных зарядов (ионов) и есть область p-n-перехода (диаграмма 3 рис.2). В ней имеют место пониженная концентрация основных носителей заряда и, следовательно, повышенное сопротивление, которое определяет электрическое сопротивление всей системы. В зонах, прилегающих к месту контакта двух разнородных областей, нарушается условие электронейтральности. Но за пределами p-nперехода все заряды взаимно компенсируют друг друга, и полупроводник остается электрически нейтральным. Итак, электронно-дырочный, или p-n переход, - это тонкий слой, возникающий на границе раздела двух полупроводников с разным типом проводимости, который содержит объемные заряды ионов примесей, обеднен подвижными носителями тока и обладает высоким сопротивлением. 5 Диаграмма 1 Диаграмма 2 Диаграмма 3 Диаграмма 4 Диаграмма 5 Рис.2. Диаграммы, поясняющие процесс образования p-n перехода 6 Электрическое поле, возникающее между разноименными ионами, препятствует перемещению основных носителей заряда (диаграмма 4 рис.2). Поэтому поток дырок из области p- в область n- и электронов из n- в p-область уменьшается с ростом напряженности электрического поля. Однако это поле не препятствует движению через переход неосновных носителей, имеющихся в p- и n-областях. Эти носители заряда собственной электропроводности, имеющие энергию теплового происхождения, генерируются в объеме полупроводника и, диффундируя к электрическому переходу, захватываются электрическим полем. Они перебрасываются в область с противоположной электропроводностью. Переход неосновных носителей приводит к уменьшению объемного заряда и электрического поля в переходе. Как следствие, имеет место дополнительный диффузионный переход основных носителей, в результате чего электрическое поле принимает исходное значение. При равенстве потоков основных и неосновных носителей заряда и соответственно токов наступает динамическое равновесие. Переход в целом нейтрален: положительный заряд в левой части равен отрицательному заряду в правой части перехода (диаграмма 3 рис.2). Однако плотности зарядов различны (из-за различия в концентрациях примесей). Поэтому различны и протяженности обедненных слоев: в слое с меньшей концентрацией примеси (в нашем случае в n-слое) область объемного заряда значительно шире (диаграмма 1 рис.2). Как говорят, несимметричный переход сосредоточен в высокоомном слое. Ширина p-n перехода аналитически может быть найдена при интегрировании уравнения Пуассона [4], которое определяет распределение напряженности электрического поля E(x) и потенциала (x). При этом получают 2 o к 1 1 lo l p l n ( ), (1) q Nа NД где - диэлектрическая проницаемость полупроводника; о - диэлектрическая проницаемость вакуума (электрическая постоянная); q – заряд электрона; К контактная разность потенциалов; Nа - концентрация акцепторов; Nд концентрация доноров. Поскольку Nа >> Nд, то lp << ln, и приближенно можно записать 2 o к 1 lo l n . (2) q NД Распределение напряженности электрического поля и потенциала в p-n переходе (диаграммы 4 и 5 рис. 2) получают из решения уравнения Пуассона. Электрическое поле препятствует переходу основных носителей заряда через p-n переход. Таким образом, при контакте двух полупроводников возникает потенциальный барьер (диаграмма 5 рис. 2). При увеличении 7 концентрации примеси возрастает максимальное значение напряженности электрического поля в p-n переходе. Высота потенциального барьера в равновесном состоянии равна контактной разности потенциалов к: k T NД Na к Т ln( nn p p ni2 ) ln( ). (3) 2 q n i Формула (3) определяет зависимость контактной разности потенциалов p-n перехода от трех факторов: к = f [материал полупроводника; Nпр; tС]. Зависимость к от материала полупроводника определяется различным значением их ширины запрещенной зоны. Чем больше ширина запрещенной зоны полупроводника, тем больше контактная разность потенциалов. При комнатной температуре ориентировочные значения контактной разности потенциалов p-n переходов из различных полупроводниковых материалов составляют величины: к GE = (0,30,4) В, к SI = (0,60,8) В, к GaAs = (1,01,2) В. Чем больше степень легирования полупроводника, то есть чем больше вносится в полупроводник атомов примеси (Nпр – концентрация примеси), тем большее значение имеет контактная разность потенциалов. Контактная разность потенциалов зависит от температуры окружающей среды. С увеличением температуры контактная разность потенциалов уменьшается. Это связано с тем, что в выражении для к с увеличением температуры окружающей среды возрастает значение температурного потенциала Т k T q , но ni A T 3 2 exp( Wз 2 k T ) также возрастает и это увеличение происходит быстрее, чем рост температурного потенциала, поэтому контактная разность потенциалов при увеличении температуры уменьшается. 2.2. Энергетическая диаграмма p-n перехода в равновесном состоянии В условиях равновесия p-n перехода, когда отсутствует внешнее напряжение, энергия Ферми одинакова для любого объема полупроводника (WF =Const или grad WF =0), поэтому уровень Ферми на энергетической диаграмме, представленной на рис.3, горизонтален. 8 Рис. 3. Энергетическая диаграмма несимметричного p-n перехода в равновесном состоянии Здесь обозначено: , - основные носители заряда; неосновные + носители заряда; Wп - энергетический уровень дна зоны проводимости; WF - энергетический уровень Ферми; Wв - энергетический уровень потолка валентной зоны; Wз - энергия, соответствующая ширине запрещенной зоны. Уровень Ферми в полупроводнике p-типа расположен вблизи энергетического уровня потолка валентной зоны, а в полупроводнике n-типа вблизи энергетического уровня дна зоны проводимости, причем уровень Ферми ближе расположен к энергетическому уровню потолка валентной зоны, чем к энергетическому уровню дна зоны проводимости, из-за того, что Nа>>Nд. У изолированных p- и n-областей энергии Ферми неравны, поэтому при составлении энергетической диаграммы p-n перехода в равновесном состоянии необходимо сместить энергетические уровни n-области относительно энергетических уровней p-области, как и показано на рис. 3. В результате смещения энергетических уровней создается энергетический (потенциальный) барьер величиной + qк = WFn – WFp. Основные носители заряда областей полупроводника p- и n-типов, энергия которых больше высоты барьера, преодолевают его. Основные носители заряда, 9 переходящие p-n переход в тормозящем для них электрическом поле, образуют диффузионную составляющую тока перехода iD. В то же время неосновные носители заряда, находящиеся вблизи p-n перехода и совершающие тепловое хаотическое движение, попадают под действие электрического поля p-n перехода, увлекаются им и переносятся в противоположную область: электроны p-области в n-область; дырки n-области в p-область. Неосновные носители заряда, двигающиеся через переход под действием напряженности электрического поля Eк , образуют дрейфовую составляющую тока iE через переход. Условие равновесия выполняется, когда диффузионный ток iD будет компенсирован встречным дрейфовым током iE и полный ток через переход будет равен нулю: iD iE 0 . 2.3. Неравновесное состояние p-n перехода Если подключить источник э.д.с. U между p- и n-слоями, то равновесие перехода нарушится и в цепи потечет ток. Поскольку удельное сопротивление обедненного слоя намного выше, чем удельные сопротивления нейтральных слоев, то внешнее напряжение практически полностью падает на переходе и изменяет высоту потенциального барьера. 2.3.1. Прямосмещенный p-n переход Если к p-области подсоединить положительный полюс внешнего источника напряжения, а к n-области - отрицательный, такое включение p-n перехода получило название прямого смещения p-n перехода. В этом случае под действием внешнего электрического поля основные носители заряда начнут перемещаться в сторону p-n перехода, а также уменьшится высота потенциального барьера и ширина перехода, что видно из потенциальной диаграммы рис.4. (4) пр к U пр , lпр lo к U пр к . (5) В результате частичной компенсации внешним напряжением потенциального барьера происходит резкое увеличение тока диффузии через переход: iD = iDp+iDn, так как все больше основных носителей заряда оказываются способными преодолеть уменьшившийся потенциальный барьер. Следовательно, существовавший в равновесном состоянии баланс токов диффузии и дрейфа нарушается и через переход потечет ток, который называется прямым. 10 Рис.4. Схема включения p-n перехода при прямом смещении и потенциальная диаграмма p-n перехода На рис.4 обозначено: Uпр - напряжение внешнего источника, приложенного к p-n переходу в прямом направлении; Eвн - напряженность внешнего электрического поля; 1 - распределение потенциала вдоль p-n перехода в равновесном состоянии; 2 - распределение потенциала вдоль p-n перехода при прямом смещении; lo - ширина p-n перехода в равновесном состоянии; lпр ширина прямосмещенного p-n перехода. В несимметричном p-n переходе ток диффузии создается в основном потоком дырок из p-области в n-область, а так как встречный поток электронов мал, им можно пренебречь: (Nа = 1018см-3) >> (Nд = 1015см-3); iDp >> iDn. При этом в n-области существенно возрастает концентрация избыточных неосновных носителей заряда - дырок, перешедших из p-области. Это образование избыточной концентрации носителей заряда получило название инжекции. Инжекцией называется процесс нагнетания носителей заряда через p-n переход в область полупроводника, где они являются неосновными носителями за счет снижения потенциального барьера. В несимметричном переходе инжекция имеет односторонний характер. Область, инжектирующая носители заряда, называется эмиттером. Эта область 11 сильно легирована примесями и имеет низкое удельное электрическое сопротивление. Область, в которую инжектируются неосновные для нее носители заряда, называется базой. База меньше легирована примесями и имеет большое значение удельного электрического сопротивления. Энергетическая диаграмма p-n перехода при прямом смещении приведена на рис.5. При прямом смещении уровень Ферми полупроводника в n-области смещается вверх относительно его положения в p-области на величину, равную qUпр. Соответственно на эту же величину снижается высота энергетического барьера. Рис.5. Энергетическая диаграмма прямосмещенного p-n перехода В результате инжекции в p- и n-областях на границах перехода окажутся дополнительные носители заряда, не основные для данной области. Вблизи p-nперехода концентрации дырок в n- области и электронов в p- области оказываются больше равновесной концентрации, определяемой по закону действующих масс: pn pno exp(U ) , n p n po exp(U ) . (6) пр пр T T Значит, в каждом из слоев появляются избыточные носители (т.е. происходит инжекция): 12 pn pno exp(U ) 1 , n p n po exp(U пр ) 1 . (7) пр T T Из (7) следует, что избыточные концентрации неосновных носителей заряда на границе p-n перехода увеличиваются по экспоненциальному закону в зависимости от напряжения, приложенного к нему. Дополнительные неосновные носители заряда в течение времени (35) компенсируются основными носителями заряда, которые приходят из объема полупроводника (где .- время диэлектрической релаксации [3]). В результате на границе p-n-перехода появляется заряд созданный основными носителями заряда, и выполняется условие nn pn , p p n p . Электронейтральность полупроводника восстанавливается. Такое перераспределение основных носителей заряда приводит к появлению электрического тока во внешней цепи, так как по ней поступают носители заряда взамен ушедших к p-n-переходу и исчезнувших в результате рекомбинации. Дрейфовая составляющая тока при приложении прямого напряжения остается практически без изменения. Это обусловлено тем, что создающие этот ток неосновные носители генерируются вблизи p-n-перехода на расстоянии, меньшем диффузионной длины L (где L – среднее расстояние, на которое носитель диффундирует за время жизни [3]). Те заряды, которые рождаются на большом расстоянии, в основном рекомбинируют не дойдя до перехода. Изменение ширины перехода для носителей заряда этого происхождения не играет существенной роли. Они как генерировались в пределах толщины, определяемой диффузионной длиной, так и будут генерироваться. Соответственно ток, обусловленный движением этих носителей заряда, останется без изменения, т.е. таким же, как и в равновесном состоянии. Таким образом, для несимметричного (Nа >> Nд) прямосмещенного p-n перехода характерны следующие соотношения между токами: iDp >> iDn, iD >> iE. 2.3.2. Обратносмещенный p-n переход Если к p-области подключить отрицательный полюс внешнего источника напряжения, а к n-области - положительный, то такое включение p-n перехода получило название обратного смещения p-n перехода. Схема включения p-n перехода представлена на рис.6. Под действием обратного напряжения Uобр основные носители заряда будут перемещаться от границ p-n перехода вглубь прилегающих к нему областей. При этом общий потенциальный барьер повышается, ширина p-n перехода увеличивается, что хорошо демонстрируется потенциальной диаграммой рис.6. обр к U обр , (8) 13 l l обр o к U к обр lo U обр к . (9) Приближенная запись (9) оправдана, так как Uобр >> к. Из (9) видно, что p-n переход расширяется нелинейно с увеличением приложенного напряжения Uобр: вначале более быстро, затем расширение p-n перехода замедляется. Рис.6. Схема включения p-n перехода при обратном смещении и потенциальная диаграмма p-n перехода Здесь обозначено: lо - ширина p-n перехода в равновесном состоянии, определяемая по зависимости 1 (распределение потенциалов в равновесном состоянии p-n перехода); lобр - ширина обратносмещенного p-n перехода, определяемая по зависимости 2 (распределение потенциалов при обратном смещении p-n перехода); к - высота потенциального барьера в равновесном состоянии p-n перехода; (к+Uобр) - высота потенциального барьера обратносмещенного p-n перехода. При подаче обратного напряжения увеличивается потенциальный барьер, так как напряженность внешнего электрического поля Eвн совпадает с направлением напряженности внутреннего электрического поля Eк, уменьшается число основных носителей заряда, способных его преодолеть, и ток диффузии уменьшается. Уже при Uобр = (0,10,2) В ток диффузии становится равным 14 нулю, а через p-n переход протекает только ток неосновных носителей заряда, образующих дрейфовую составляющую тока. В результате действия обратного напряжения снижается концентрация неосновных носителей заряда у границ p-n перехода и появляется их градиент концентрации. Возникает диффузия неосновных носителей заряда к границам p-n перехода, где они подхватываются электрическим полем p-n перехода и переносятся через p-n переход. Это поясняется диаграммой распределения концентраций основных и неосновных носителей заряда в областях p-n перехода, приведенной на рис.7, на котором обозначено: Ln, Lp - длина диффузии электронов и дырок. Рис.7. Распределение концентраций носителей заряда в обратносмещенном p-n переходе Как показано на рис.7, концентрация неосновных носителей заряда на границах p-n перехода практически падает до нуля. Снижение концентраций неосновных носителей заряда у границ p-n перехода, появление градиента их концентрации и диффузия неосновных носителей заряда к p-n переходу характеризуются экстракцией. Экстракцией называется извлечение неосновных носителей заряда из областей, примыкающих к p-n переходу, под действием ускоряющего электрического поля перехода. В несимметричном p-n переходе экстракция преобладает из базы в эмиттер. Энергетическая диаграмма p-n перехода при обратном смещении приведена на рис.8. При обратном смещении уровень Ферми полупроводника в n-области смещается вниз относительно его положения в p-области на величину, равную 15 qUобр. Соответственно на эту же величину повышается высота энергетического барьера. Рис.8. Энергетическая диаграмма обратносмещенного p-n перехода Обратный ток определяется дрейфовой составляющей и равен i i i q pn p E q n p n E . E Ep En Поскольку мы рассматриваем несимметричный переход, то имеем pn >> np и iЕр >> iЕn, а следовательно, можно приближенно записать iЕ iЕp; таким образом, дрейфовый ток несимметричного p-n перехода – ток обратносмещенного p-n перехода создается преимущественно неосновными носителями базы. 2.4. Вольт-амперная характеристика реального p-n перехода Вольт-амперная характеристика представляет собой зависимость тока во внешней цепи p-n перехода от значения и полярности напряжения, прикладываемого к нему. 16 2.4.1. Прямая ветвь ВАХ реального p-n перехода Под прямой ветвью ВАХ p-n перехода понимается зависимость прямого тока перехода от величины прямого напряжения: Iпр=f(Uпр), которая для идеального перехода описывается выражением I пр I o exp(U ) 1 . (10) пр Т Как показано на рис.9, прямая ветвь идеального p-n перехода должна быть экспоненциальной. На прямую ветвь ВАХ реального p-n перехода оказывают влияние ряд факторов, существенными из которых являются: материал полупроводника, используемый для изготовления p-n перехода; сопротивление базы p-n перехода; температура окружающей среды; степень легирования областей перехода. Характеристика близка к экспоненциальной только в начале зависимости участок ОА ВАХ, а далее рост тока при увеличении прямого напряжения замедляется и характеристика становится более пологой - участок АВ ВАХ. Этот участок характеристики называют омическим, поскольку здесь оказывает влияние объемное сопротивление базы rб p-n перехода. Ток, протекая через rб , создает падение напряжения: U rб I пр r . б При этом внешнее напряжение не полностью падает на p-n переходе, а распределяется между ним и слоем базы. С учетом этого уравнение реальной ВАХ принимает вид I пр I o exp((U r I ) ) 1 . (11) пр T б пр Объемное сопротивление базы находится по формуле r W S, (12) б б б где б - удельное электрическое сопротивление полупроводника области базы; Wб - ширина базы; S - площадь сечения базы. Влияние объемного сопротивления базы на прямую ветвь ВАХ реального p-n перехода проявляется в виде смещения прямой ветви в сторону больших значений прямых напряжений. Поэтому, чем больше rб, тем положе идет прямая ветвь ВАХ реального p-n перехода, как и отмечено на рис.9. Как правило, p-n переходы с большими значениями rб выполняются для увеличения допустимого рабочего обратного напряжения на p-n переходе. Даже при одинаковых условиях (одинаковая концентрация примесей; постоянная температура окружающей среды) ВАХ p-n переходов, выполненных из разных полупроводниковых материалов, отличаются. Главная причина этого различное значение ширины запрещенной зоны полупроводниковых материалов. Чтобы появился прямой ток, необходимо уменьшить величину потенциального барьера. Для этого на p-n переход нужно подать прямое напряжение, близкое к значению контактной разности потенциалов. В p-n переходе на основе германия 17 к = (0,30,4) В, в p-n переходе на основе кремния к = (0,60,8) В, а в p-n переходе на основе арсенида галлия к = (1,01,2) В, поэтому прямая ветвь ВАХ кремниевого p-n перехода относительно германиевого смещается вправо на (0,30,5) В, а в p-n переходе на основе арсенида галлия это смещение ВАХ значительнее. Рис.9. Прямая ветвь ВАХ p-n перехода: 1 – идеальный p-n переход; 2 – реальный p-n переход С увеличением температуры окружающей среды растет прямой ток p-n перехода. Выражение для прямого тока можно записать в виде I пр I o exp(U ) . пр T Отсюда следует, что при увеличении температуры показатель степени экспоненты уменьшается, но ток Iо растет быстрее. Используя выражение для Iо, можно записать выражение для прямого тока в виде WЗ q U пр . I пр const exp k T (13) Влияние температуры на прямую ветвь ВАХ реального p-n перехода представлено на рис.10. Для оценки влияния температуры вводится температурный коэффициент напряжения прямой ветви, под которым понимается величина, показывающая на сколько изменится прямое напряжение для получения одной и той же величины прямого тока при изменении температуры на 1 градус. 18 ТКНпр = Uпр / T = (Uпр2-Uпр1) / (T2-T1) - (13) мВ / С. Iпр = const Iпр = Iпр1 Рис.10. Влияние температуры на прямую ветвь ВАХ p-n перехода: 1 – Т1=+20С; 2 – Т2=+50С Как видно, значение ТКН меньше нуля. Физическое объяснение этого факта сводится к следующему. При увеличении температуры уменьшается контактная разность потенциалов, энергия основных носителей заряда возрастает, соответственно растет диффузионная составляющая тока и прямой ток увеличивается. 2.4.2. Обратная ветвь ВАХ реального p-n перехода Под обратной ветвью вольт-амперной характеристики p-n перехода понимается зависимость обратного тока от значения обратного напряжения: Iобр = f(Uобр). Для идеального p-n перехода обратная ветвь определяется выражением Iобр = - Iо , (14) где I o q S (( D n n po L n) ( D p p no L p)) . Iо называют тепловым током, поскольку он создается теми неосновными носителями заряда, которые возникают в результате тепловой генерации в объемах полупроводника, прилегающих к границам p-n перехода. Величина этих объемов при площади p-n перехода S = 1, равна диффузионной длине неосновных носителей заряда. Носители заряда, генерируемые за пределами 19 этих объемов, не могут участвовать в создании Iо , так как за время жизни они не в состоянии достичь границы p-n перехода. Тепловой ток удваивается при увеличении температуры на каждые 10С. Этот ток также называют током насыщения, так как он не зависит от внешнего напряжения. Отличия реальной обратной ветви ВАХ p-n перехода от идеальной состоят в следующем: обратный ток реальной ВАХ растет при увеличении обратного напряжения p-n перехода и имеет значение, не равное Iо. Данная зависимость приведена на рис.11. Это объясняется тем, что в реальном p-n переходе обратный ток содержит несколько составляющих: Iобр = Iо + Iт/г + Iу , (15) где Iо - ток насыщения, или тепловой ток; Iт/г - ток термогенерации; Iу - ток утечки. Следует отметить, что обратный ток кремниевых p-n переходов много меньше обратного тока германиевых p-n переходов. Это связано с различием ширины запрещенной зоны: Wз Ge = 0,72 эВ; Wз Si = 1,12 эВ. Ток насыщения определяется в основном неосновными носителями заряда, имеющими место в примесном полупроводнике. Так, например, в полупроводнике n-типа это дырки – pn, концентрация которых определяется в соответствии с законом действующих масс: pn = ni2 / nn. Известно, что ni Ge 1013см-3, а ni Si 1010см-3 . При равной концентрации примеси получаем, что концентрация неосновных носителей заряда в кремниевом полупроводнике на шесть порядков меньше, чем в германиевом примесном полупроводнике, поэтому ток Iо в кремниевом p-n переходе пренебрежимо мал. Рис.11. Обратная ветвь ВАХ p-n перехода: 1 – идеальный переход; 2 – реальный переход 20 Обратный ток составляющие: Iобр Ge германиевого p-n перехода включает следующие Iо + Iу ,а обратный ток кремниевого p-n перехода - Iобр Si Iт/г + Iу . Для германиевых p-n переходов обратный ток в основном определяется током насыщения и имеет величину десятки микроампер. Ток термогенерации у них мал и им обычно пренебрегают. Незначительный наклон обратной ветви ВАХ германиевых p-n переходов обусловлен током утечки. Обратный ток кремниевого p-n перехода примерно на три - четыре порядка меньше обратного тока германиевого перехода и определяется током термогенерации, т.е дрейфовым током неосновных носителей, возникающих в результате тепловой генерации в самом p-n переходе. Iт/г увеличивается с ростом обратного напряжения, так как происходит расширение p-n перехода, в соответствии с соотношением (9). Ток термогенерации невелик из-за малого объема p-n перехода, ток утечки при современной технологии изготовления p-n перехода имеет незначительную величину. Отсюда в целом обратный ток кремниевого p-n перехода имеет небольшое значение, по сравнению с обратным током германиевых p-n переходов. 3. ВИДЫ ПРОБОЕВ P-N ПЕРЕХОДА 3.1. Общая характеристика пробоя p-n перехода Обратное напряжение, приложенное к диоду, падает на выпрямляющем электрическом переходе. При больших обратных напряжениях происходит пробой электрического перехода. Пробой p-n перехода – это явление резкого уменьшения дифференциального сопротивления p-n перехода, сопровождающееся резким увеличением обратного тока, при достижении обратным напряжением критического для данного прибора значения. Пробой приводит к выходу p-n перехода из строя лишь в том случае, когда возникает чрезмерный разогрев перехода, и происходят необратимые изменения его структуры. Если же мощность, выделяющаяся в p-n переходе, не превышает максимально допустимую, он сохраняет работоспособность и после пробоя. Поэтому для некоторых типов переходов пробой является основным рабочим режимом. Напряжение, при котором наступает пробой перехода, зависит от типа p-n перехода и может иметь величину от единиц до сотен вольт. В зависимости от физических явлений, приводящих к пробою, различают тепловой, лавинный и полевой пробои. Два последних вида пробоя p-n перехода относятся к электрическому пробою. Резкий рост обратного тока p-n перехода в режиме пробоя происходит за счет увеличения числа носителей заряда в переходе. При тепловом пробое число носителей заряда в переходе возрастает за 21 счет термической ионизации атомов, при электрическом пробое – под действием сильного электрического поля и ударной ионизации атомов решетки. 3.2. Тепловой пробой p-n перехода Тепловой пробой характерен для широких p-n переходов, у которых база слабо легирована примесями. Данный тип пробоя обусловлен перегревом p-n перехода при протекании через него обратного тока. В режиме постоянного тока мощность, выделяемая в p-n переходе, определяется соотношением PВЫД = IОБР UОБР. Отводимая от p-n перехода мощность в результате теплопроводности и дальнейшего рассеяния теплоты в окружающую среду пропорциональна перегреву p-n перехода (ТП - ТОКР) и обратно пропорциональна тепловому сопротивлению конструкции диода RТ: Т Т ОКР РОТВ = П . RТ В установившемся режиме мощность, выделяющаяся на p-n переходе, и мощность, отводимая от него, должны быть равны: РВЫД = РОТВ. Если количество тепла, выделяемого на p-n переходе, превышает количество тепла, отводимого от p-n перехода в окружающую среду, то температура перехода начинает расти и возникает тепловой пробой. Вид обратной ветви вольт-амперной характеристики p-n перехода с тепловым пробоем представлен на рис.12. Рис.12. Обратная ветвь ВАХ p-n перехода с тепловым пробоем 22 В точке А обратное напряжение на p-n переходе достигает значения напряжения теплового пробоя UПР1, при котором начинается быстрый рост IОБР. ВАХ p-n перехода с тепловым пробоем имеет участок АВ, на котором дифференциальное сопротивление отрицательно: rДИФ = dUОБР / dIОБР < 0, так как концентрация носителей заряда резко увеличивается, и электрическое сопротивление перехода уменьшается относительно быстрее, чем растет ток. Зависимость 1 рис.12 приведена для температуры окружающей среды T1 = +20С, тепловой пробой наступает при напряжении, равном UПРОБ1. Если температура окружающей среды возрастет до значения T2 = +40C, то обратная ветвь ВАХ p-n перехода принимает вид зависимости 2 рис.12. Температурный коэффициент напряжения для теплового пробоя имеет отрицательное значение: ТКНТЕПЛ = UПРОБ/Т 0, где UПРОБ = UПРОБ2 – UПРОБ1 - изменение напряжения пробоя при изменении температуры на величину Т = Т2 – Т1. С увеличением температуры окружающей среды пробивное напряжение при тепловом пробое уменьшается, во–первых, в связи с увеличением выделяющейся мощности при тех же обратных напряжениях и, во–вторых, из – за ухудшения теплоотвода от p-n перехода. 3.3. Полевой пробой Полевой, или туннельный, пробой относится к электрическому виду пробоя и характерен для сравнительно узких p-n переходов (ширина p-n перехода в равновесном состоянии составляет сотые доли микрометра). Это обеспечивается в том случае, когда обе области p-n перехода имеют высокую степень легирования примесями. При этом длина свободного пробега электронов меньше ширины обратносмещенного p-n перехода: lОБР. При напряженности электрического поля E = UОБР / lОБР в p-n переходе, равной критическому значению EКР = (24)105 В/см, происходит полевой, или туннельный, пробой. При такой большой напряженности электрического поля у атома полупроводника происходит отрыв валентных электронов, и число носителей заряда растет. С точки зрения энергетической (зонной) диаграммы основу полевого пробоя составляет туннельный эффект - явление «просачивания» электронов сквозь узкий энергетический барьер p-n перехода, т.е. переход электронов с занятых энергетических уровней валентной зоны полупроводника p-типа на свободные энергетические уровни зоны проводимости полупроводника n-типа. Эти переходы происходят без изменения энергии электрона, а на энергетической диаграмме, изображенной для этого случая на рис.13, переходы происходят на одном энергетическом уровне, т.е. горизонтально. 23 Вероятность туннельных переходов при напряженности электрического поля E = 105 В/см составляет один электрон в секунду, а при напряженности электрического поля E = 106 В/см – 1012 электронов в секунду. Поэтому при критическом значении напряженности электрического поля обратносмещенного p-n перехода количество туннельных переходов будет значительным, а это приводит к резкому увеличению обратного тока. Рис.13. Энергетическая диаграмма p-n перехода при полевом пробое При дальнейшем увеличении обратного напряжения на p-n переходе UОБР > UПРОБ рост обратного тока происходит по экспоненциальному закону. Это объясняется увеличением напряженности электрического поля и степени перекрытия валентной зоны полупроводника p-типа и зоны проводимости полупроводника n-типа. Обратная ветвь ВАХ p-n перехода для случая полевого пробоя представлена на рис.14. Зависимость 1 рис.14 изображена для значения температуры окружающей среды T1 = +20C. При увеличении температуры окружающей среды до значения T2 = +50С ВАХ p-n перехода видоизменяется, и на рис.14 это изменение нашло отражение в зависимости 2. При увеличении температуры обратный ток p-n перехода возрастает в связи с ростом концентрации неосновных носителей заряда по экспоненциальному закону. Такое изменение обратного тока наблюдается при регулировании обратного напряжения в диапазоне от нуля до напряжения пробоя. С увеличением температуры напряжение пробоя уменьшается и становится равным UПРОБ2 (зависимость 2 рис.14). Это обусловлено тем, что при увеличении температуры возрастает амплитуда тепловых колебаний атомов полупроводника в узлах кристаллической решетки, энергия электронов также растет, величина контактной разности потенциалов p-n перехода К снижается, ширина p-n перехода lОБР уменьшается, а напряженность электрического поля в p-n переходе увеличивается, критическое значение напряженности поля ЕКР достигается при меньшем значении UОБР, растет количество туннельных переходов и, следовательно, резко возрастает обратный ток. 24 Рис.14. Обратная ветвь ВАХ p-n перехода при полевом пробое Таким образом, температурный коэффициент напряжения при полевом пробое имеет отрицательное значение: ТКНПОЛ = UПРОБ / Т 0, где UПРОБ = UПРОБ2 – UПРОБ1 изменение напряжения пробоя при изменении температуры на величину Т = Т2 – Т1. При полевом пробое пробивное напряжение оказывается обратно пропорциональным концентрации примесей в областях, прилегающих к p-n переходу, или прямо пропорционально удельному сопротивлению этих областей [4]: UПРОБ = 200 n. + 73 p – для кремниевых p-n переходов, UПРОБ = 190 n. + 94 p – для германиевых p-n переходов. 3.4. Лавинный пробой Лавинный пробой относится к электрическому виду пробоя и проявляется в p-n переходах средней величины, то есть ширина p-n перехода достаточна большая. При увеличении значения обратного напряжения на p-n переходе напряженность электрического поля E = UОБР / lОБР (В/см) растет. Когда напряженность электрического поля достигает критического значения EКР = (80120) кВ/см, то создаются условия для ударной ионизации нейтральных атомов полупроводника непосредственно в p-n переходе быстрыми 25 электронами или дырками, которые получили достаточное ускорение за счет действия напряженности электрического поля p-n перехода. В результате ударной ионизации генерируются новые пары носителей заряда, которые в свою очередь, ускоряясь под действием напряженности электрического поля, вновь при столкновении с нейтральными атомами полупроводника образуют новые электронно-дырочные пары. Ионизацию нейтральных атомов совершают только те электроны и дырки, которые на длине свободного пробега электрона набирают за счет напряженности электрического поля энергию, достаточную для ионизации. Поэтому ширина p-n перехода должна быть достаточна большая, а именно много больше длины свободного пробега электрона: lОБР . С ростом UОБР увеличивается ширина p-n перехода и напряженность электрического поля в нем, электроны разгоняются сильнее, резко возрастает число ионизаций, совершаемых каждым электроном, и ток p-n перехода лавинообразно растет. Рис.15. Обратная ветвь ВАХ p-n перехода с лавинным пробоем Напряжение лавинного пробоя определяется из эмпирического соотношения UПРОБ = АбВ, где б - удельное электрическое сопротивление базы диода; А, В - коэффициенты, зависящие от материала и типа электропроводности полупроводника. Обратная ветвь ВАХ p-n перехода с лавинным пробоем представлена на рис.15. Зависимость 1 рис.15 соответствует температуре окружающей среды T1 = +20С. С увеличением температуры окружающей среды лавиннный пробой 26 наступает при большем напряжении (UПРОБ2 UПРОБ1). Это объясняется тем, что с ростом температуры увеличивается амплитуда колебаний атомов кристаллической решетки полупроводника и уменьшается длина свободного пробега носителей заряда , а значит, и энергия, которую носитель заряда может приобрести на длине свободного пробега в электрическом поле. Поэтому для получения энергии, необходимой для ударной ионизации нейтральных атомов, требуется большая напряженность электрического поля в p-n переходе, и, следовательно, напряжение лавинного пробоя возрастает. С другой стороны, при увеличении температуры уменьшается подвижность носителей заряда полупроводника, растет удельное электрическое сопротивление базы p-n перехода, а в соответствии с соотношением UПРОБ б, напряжение лавинного пробоя также возрастает. На рис.15 зависимость 2 изображена для температуры окружающей среды T2 = +50С. Таким образом, температурный коэффициент напряжения при лавинном пробое имеет положительное значение: ТКНЛАВ = UПРОБ / Т 0, где UПРОБ = UПРОБ2 – UПРОБ1 - изменение напряжения пробоя при изменении температуры на величину Т. Лавинный пробой характерен для p-n переходов с напряжением пробоя более 7 В. 4. СХЕМЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ При проведении экспериментальных исследований снимаются вольтамперные характеристики маломощных германиевого и кремниевого электроннодырочных переходов, причем лабораторная установка позволяет исследовать как прямые ветви, так и обратные ветви вольт-амперных характеристик электроннодырочных переходов (рис.16, 17). При снятии прямой ветви ВАХ электронно-дырочного перехода (см. рис.16) задаются значениями прямого тока и измеряют напряжение на диоде, соответствующее заданному значению тока. Напряжение регулируется с помощью источника входного напряжения, которое может изменяться в диапазоне от 0 до 5 В. 27 + Источник напряжения (0 5) В mA АА - А V VD Рис. 16. Схема лабораторной установки для снятия прямой ветви ВАХ электронно-дырочного перехода -Источник напряжения (0 30) В mkА VD V + Рис.17. Схема лабораторной установки для снятия обратной ветви ВАХ электронно-дырочного перехода При снятии обратной ветви ВАХ электронно-дырочного перехода (см. рис.17) задаются значениями обратного напряжения и измеряют величину обратного тока, соответствующую данному значению напряжения. Напряжение регулируется с помощью источника напряжения, которое может изменяться в диапазоне от 0 до 30 В. При экспериментальных исследованиях электронно-дырочных переходов в режиме электрического пробоя снимаются вольт-амперные характеристики для разных значений рабочих температур. Причем лабораторная установка позволяет исследовать электронно-дырочные переходы с полевым и лавинным пробоем, исследовать прямые и обратные ветви вольтамперной характеристики. При снятии прямой ветви ВАХ электронно-дырочного перехода (см. рис.16) задаются значениями прямого тока и измеряют напряжение на электронно-дырочном переходе, соответствующее заданному значению тока. Напряжение регулируется с помощью источника входного напряжения, которое может изменяться в диапазоне от 0 до 5 В. При снятии обратной ветви ВАХ электронно-дырочного перехода, работающего в режиме электрического пробоя, (рис.18) между источником входного напряжения и стабилитроном включается резистор RБ, значение которого определяется наибольшим входным напряжением UВХ МАКС и максимальным током стабилизации IСТ МАКС. При проведении экспериментальных 28 исследований необходимо задаваться значениями обратного тока электроннодырочного перехода, при этом измеряя значения напряжения на переходе. RБ Источник напряжения (0 30) В mA V V V1 VD + Рис.18. Схема лабораторной установки для снятия обратной ветви ВАХ электронно-дырочного перехода, работающего в режиме электрического пробоя Миллиамперметр (мА) измеряет ток, протекающий через обратносмещенный электронно-дырочный переход, вольтметр (V) служит для измерения напряжения на переходе, вольтметр(V1) - для измерения напряжения, получаемого от источника напряжения, а RБ - резистор, величина сопротивления которого определяет исходное положение рабочей точки на вольт-амперной характеристике электронно-дырочного перехода. 5. ЛАБОРАТОРНЫЕ ЗАДАНИЯ 5.1. Лабораторное задание N 1: Исследование характеристик и параметров электронно-дырочных переходов 1. Записать параметры исследуемых электронно-дырочных переходов (см. прил. 2,3 или [14-17]). 2. Собрать схему измерений для снятия прямой ветви ВАХ германиевого электронно-дырочного перехода (см. рис.16). 3. Снять прямую ветвь ВАХ германиевого перехода Uпрям = f(Iпрям), изменяя прямой ток в пределах от 0 до 100 мА. Это важно! При снятии прямой ветви ВАХ задаются значением прямого тока, а не напряжения, как следует из определения понятия прямой ветви ВАХ, так как ВАХ имеет экспоненциальный характер и в области больших прямых токов малым изменениям напряжения соответствуют значительные изменения прямого тока. 29 Результаты измерений свести в табл. 1. Таблица 1 Пример оформления экспериментальных данных при снятии прямой ветви ВАХ Iпр, мА Uпр, В при Т1= Uпр, В при Т2= 0 1 5 10 30 50 70 100 4. Собрать схему для снятия обратной ветви вольт-амперной характеристики германиевого электронно-дырочного перехода (см. рис.17). 5. Снять обратную ветвь ВАХ германиевого электронно-дырочного перехода Iобр = f(Uобр), изменяя значение обратного напряжения в диапазоне от 0 до 30 В и отмечая при этом получающиеся величины обратного тока. Результаты измерений свести в табл. 2. Таблица 2 Пример оформления экспериментальных данных при снятии обратной ветви ВАХ Uобр, В 0 Iобр, мкА при Т1= Iобр, мкА при Т2= 0,05 0,1 0,2 1 10 15 25 6. Исследуемый германиевый электронно-дырочный переход поместить в термостат, предварительно разогретый до температуры 50С. Через 5 минут повторить пункты 25. 7. Собрать схему измерений для снятия прямой ветви ВАХ кремниевого электронно-дырочного перехода (см. рис.16). 8. Снять при комнатной температуре прямую ветвь ВАХ кремниевого перехода Uпрям = f(Iпрям), изменяя прямой ток в пределах от 0 до 100 мА. Результаты измерений свести в табл. 1. 9. Собрать схему для снятия обратной ветви вольт-амперной характеристики кремниевого перехода (см. рис.17). 10. Снять при комнатной температуре обратную ветвь ВАХ кремниевого перехода Iобр = f(Uобр), изменяя значение обратного напряжения в диапазоне от 0 до 30 В и отмечая при этом получающиеся величины обратного тока. Результаты измерений свести в табл. 2. 11. Довести температуру термостата до 7075С. Поместить в термостат исследуемый кремниевый электронно-дырочный переход и через 5 минут повторить пункты 710. 30 Обработка результатов эксперимента 1. Построить ВАХ исследованных электронно-дырочных переходов при комнатной и повышенной температурах. 2. Определить Uпр при Iпр макс и Iобр при Uобр макс для комнатной и повышенной температур (Iпр макс и Uобрмакс определяются по экспериментальным значениям). 3. Определить дифференциальное сопротивление, используя формулу rдиф = Uпр / Iпр, в рабочих точках, соответствующих значениям прямого тока: Iпр = Iпр макс; Iпр = 0,5Iпр макс; Iпр = 0,1Iпр макс. Приращения напряжения и тока при определении дифференциального сопротивления необходимо брать в окрестностях указанных рабочих точек. 4. Определить сопротивление прямому току исследованных переходов по формуле Rпр = Uпр / Iпр для трех значений прямого тока: Iпр = Iпр макс; Iпр = 0,5Iпр макс; Iпр = 0,1Iпр макс. 5. Определить сопротивление обратному току, используя соотношение Rобр = Uобр / Iобр, при Uобр = Uобр макс для комнатной и повышенной температур. 6. Рассчитать дифференциальное сопротивление теоретической ВАХ при Т = 300 К (Т = 25 мВ), используя соотношение rдиф 25 / Iпр (значение тока подставляется в миллиамперах, тогда значение rдиф получается в Омах), для тех же значений прямого тока, что и в пункте 3. 7. По измеренному у германиевого перехода при комнатной температуре значению обратного тока Iо и уравнению ВАХ I = Iо(exp[U/T]-1), где при комнатной температуре Т = 300 К, T 25 мВ, построить теоретическую ВАХ. 8. Для кремниевого перехода по измеренному значению I пр = Iпр макс / 2 и соответствующему ему напряжению Uпр для комнатной температуры вычислить значение Iо по формуле Iо = Iпр / exp[Uпр/T], считая T 25 мВ. 9. Определить для исследованных электронно-дырочных переходов температурные коэффициенты: ТКНпр = Uпр / T , при Iпр = 0,5Iпр макс ; (T T ) 10 ТКIобр = 2 1 I 2 I1 , где Т = Т2 - Т1; Iобр1 и Iобр2 - значения обратного тока при температурах окружающей среды соответственно T1 и T2 и Uобр = Uобр макс. Справочные данные и рассчитанные параметры свести в сводную табл. 3. 31 Таблица 3 Справочные и расчетные данные исследованных p-n переходов Тип диодов Параметры Справочные данные Iпр, мА Uпр, В Uобр, В Iобр, мкА Экспериментальные данные Uпр,В, при Т1 = Iпр = Iпрмакс Т2 = Iобр, мкА, при Т1 = Uобр = Uобр макс Т2 = Iпр = Iпр макс rдиф, Ом Iпр = 0,5Iпр макс Iпр = 0,1Iпр макс Расчетные данные Iпр = Iпр макс rдиф = 25 / Iпр, Ом Iпр = 0,5Iпр макс Iпр = 0,1Iпр макс Iпр = Iпр макс Rпр = Uпр / Iпр,Ом Iпр = 0,5Iпр макс Iпр = 0,1Iпр макс Rобр = Uобр / Iобр, кОм Т1 = Т2 = 5.2. Лабораторное задание №2: Исследование характеристик и параметров электрических пробоев в электронно-дырочных переходах 1. Записать параметры типового режима исследуемых электронно-дырочных переходов, предназначенных для работы в режиме электрического пробоя, (см. прил. 4,5 или [14-17]). 2. Определить величину сопротивления RБ по формуле RБ U ВХ МАКС U СТ НОМ I СТ МАКС , 32 где UВХ МАКС – максимальное значение напряжения, получаемого от источника; UСТ НОМ – напряжение стабилизации (справочный параметр); IСТ МАКС – максимальное значение тока стабилизации (справочный параметр). 3. Собрать схему для снятия прямой ветви ВАХ перехода, для этого использовать источник входного напряжения (см. рис.16). 4. Снять прямую ветвь ВАХ перехода UПРЯМ = f ( IПРЯМ ), изменяя прямой ток в пределах от 0 до 50 мА. 5. Собрать схему для снятия обратной ветви вольт-амперной характеристики перехода (см. рис.18). Для этого необходимо подключить к соответствующим гнездам стенда переменный резистор RБ и цифровой вольтметр (V) для измерения напряжения стабилизации UСТ . 6. Подготовить схему лабораторной установки для работы, для чего установить регулятор переменного резистора RБ в положение, соответствующее максимальному значению сопротивления. Включить тумблер питания стенда в положение «сеть» и переключателями «UВЫХ», «грубо» и «точно» установить напряжение выходного источника UВЫХ = 25 В. Плавно уменьшая величину сопротивления RБ, выставить на миллиамперметре значение IСТ МАКС исследуемого электронно-дырочного перехода. Цифровым прибором типа В7-20 измерить величину сопротивления RБ. 7. Снять зависимость UСТ = f ( IСТ ) при комнатной температуре. При снятии обратной ветви вольт-амперной характеристики перехода, работающего в режиме электрического пробоя, удобнее задавать ток через переход и отмечать при этом напряжение стабилизации UСТ . Ток перехода следует изменять в пределах от 0 до IСТ МАКС . Результаты измерения свести в таблицу 4. Таблица 4 Пример оформления экспериментальных данных IСТ, мА 0,01 0,03 0,1 0,3 1 3 10 15 20 25 IСТМАКС UСТ, В Т=20 С UСТ, В Т=70 С 8. Исследуемый переход поместить в термостат, предварительно разогретый до температуры 70 С. Через 5 минут повторить пункты 3,4,5 и 7. 9. Заменить один исследуемый электронно-дырочный переход на другой переход. Повторить пункты с 1 по 8. 33 Обработка экспериментальных результатов 1. Для всех исследуемых электронно-дырочных переходов, предназначенных для работы в режиме электрического пробоя, определить значения IСТ МАКС , IСТ МИН. Номинальный ток стабилизации перехода определить по формуле IСТ НОМ = 1/2 (IСТ МАКС + IСТ МИН). 2. Для всех исследуемых переходов, используя прямые ветви характеристик, снятые при комнатной и повышенной температурах, определить значения температурного коэффициента напряжения прямой ветви ТКНПРЯМ = U ПРЯМ при IПРЯМ = IСТ НОМ. Т 3. Для всех исследуемых переходов, используя обратные ветви вольт-амперных характеристик, снятые при различных температурах, определить значение температурного коэффициента напряжения стабилизации ТКНСТ = U СТ Т при IСТ = IСТ НОМ . 4. Для всех исследуемых переходов по вольт-амперным характеристикам, снятым при комнатной температуре, определить для номинального режима: а) дифференциальное сопротивление обратносмещенного перехода в рабочей точке rСТ = U СТ , I СТ МАКС I СТ МИН где UСТ соответствует изменениям тока от IСТ МАКС до IСТ МИН ; б) статическое сопротивление перехода RСТ = UСТ НОМ / IСТ НОМ . 5. Для переходов с различным механизмом пробоя определить сопротивление базы. Для этого рассчитать дифференциальное сопротивление перехода в области «больших» токов прямой ветви вольт-амперной характеристики: rБ rДИФ = UПРЯМ / IПРЯМ = ( U2 –U1 ) / (I2 – I1) , где I2 – максимальное измеренное значение прямого тока перехода; I1 – составляет примерно 0,8 I2 ; значения прямого напряжения U2, U1 соответствуют значениям тока I2, I1. Сравнить полученные значения. 6. СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА Каждый отчет должен содержать: формулировку цели исследования; типовые параметры исследуемых электронно-дырочных переходов; схемы для экспериментальных исследований; таблицы экспериментальных данных; 34 графики вольт амперных характеристик исследуемых электроннодырочных переходов при комнатной и повышенной температурах; график теоретической ВАХ германиевого электронно-дырочного перехода (только для лабораторного задания №1); расчет параметров исследованных электронно-дырочных переходов; сводную таблицу со справочными, экспериментальными и расчетными данными; анализ полученных результатов. Пример оформления титульного листа приведен в приложении 1. 7. ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ Какой полупроводник называется собственным? Какой полупроводник называется примесным? Что такое энергия (уровень) Ферми? Укажите и поясните расположение уровня Ферми для собственного полупроводника, примесных полупроводников p- и n-типов. 5. Как зависит положение уровня Ферми примесных полупроводников от концентрации примеси и температуры? 6. Как связаны концентрации основных и неосновных носителей заряда в полупроводнике n-типа? 7. Что такое равновесная концентрация электронов и дырок и как она зависит от материала полупроводника, температуры? 8. Как зависит концентрация основных и неосновных носителей заряда от степени легирования и температуры? 9. Объясните механизм образования p-n перехода. 10.Нарисуйте распределение объемных и подвижных зарядов, напряженности электрического поля и потенциала в области несимметричного p-n перехода в равновесном состоянии. 11.В чем заключаются условия равновесия p-n перехода? 12.Что такое контактная разность потенциалов и от чего она зависит? 13.Нарисуйте энергетическую диаграмму несимметричного p-n перехода в равновесном состоянии. 14.Нарисуйте энергетическую диаграмму прямосмещенного p-n перехода. 15.Как зависит ширина p-n перехода от концентрации примеси и от приложенного напряжения? 16.Что такое инжекция носителей заряда? 17.Нарисуйте энергетическую диаграмму обратносмещенного p-n перехода. 18.Что такое экстракция носителей заряда? 1. 2. 3. 4. 35 19.Запишите выражение для вольт-амперной характеристики идеального p-n перехода. 20.Нарисуйте вольт-амперные характеристики германиевого, кремниевого и арсенидо-галлиевого переходов и объясните их отличие. 21.Объясните влияние температуры на ход вольт-амперной характеристики p-n перехода. 22.Как влияет сопротивление базы на ход прямой ветви характеристики p-n перехода? 23.Как зависит величина обратного тока p-n перехода от концентрации примеси и температуры? 24.Объясните зависимость обратного тока в реальных p-n переходах от величины обратного напряжения. 25.Что такое пробой? 26.Назовите основные виды пробоев p-n переходов. 27.Поясните механизм и условия возникновения теплового пробоя. 28.Как влияет температура окружающей среды на напряжение теплового пробоя? 29.Какие виды пробоев используются в стабилитронах? 30.Поясните механизм и условия возникновения лавинного пробоя. 31.Поясните механизм и условия возникновения полевого пробоя. 32.Как зависит величина напряжения стабилизации от степени легирования базы? 33.Почему в качестве материала для электронно-дырочных переходов, предназначенных для работы в режиме электрического пробоя, выбран кремний, а не германий? 34.Почему с ростом температуры напряжение стабилизации для переходов с лавинным пробоем увеличивается? 35.Почему с ростом температуры напряжение стабилизации для переходов с полевым пробоем уменьшается? 36.Нарисуйте схему для экспериментальных исследований. Поясните назначение элементов схемы и порядок экспериментальной работы. 8. БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 1. Электронные приборы: Учебник для вузов / В.Н. Дулин, Н.А. Аваев, В.П. Демин и др.; Под ред. Г.Г. Шишкина. 4-е изд., перераб. и доп. М.: Энергоатомиздат, 1989. 496 с. 2. Батушев В.А. Электронные приборы: Учебник для вузов. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Высшая школа, 1980. 383 с. 3. Пасынков В.В., Чиркин А.К. Полупроводниковые приборы: Учебник для вузов. 5-е изд., исправл. СПб.: изд-во «Лань», 2001. 480 с. 36 4. Булычев А.Л., Лямин П.М., Тулинов Е.С. Электронные приборы: Учебник для вузов.Минск: Высшая школа, 1999. 415 с. 5. Гусев В.Г., Гусев Ю.М. Электроника: Учеб. пособие. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Высшая школа, 1991. 621 с. 6. Елфимов В.И., Устыленко Н.С. Основы теории p-n перехода: Учеб. пособие. Екатеринбург: ООО «Изд-во УМЦ УПИ», 2000. 55 с. 7. Федотов Я.А. Основы физики полупроводниковых приборов. 2-е изд., испр. и доп. М.: Сов. радио, 1969. 542 с. 8. Епифанов Г.И. Физика твердого тела: Учеб. пособие для втузов. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Высшая школа, 1977. 288 с. 9. Ржевкин К.С. Физические принципы действия полупроводниковых приборов. М.: МГУ, 1986. 256 с. 10.Тугов Н.М., Глебов Б.А., Чарыков Н.А. Полупроводниковые приборы: Учебник для вузов / Под. ред. В.А. Лабунцова. М.: Энергоатомиздат, 1990. 576 с. 11.Зи С. Физика полупроводниковых приборов. Кн. 1: Пер. с англ. 2-е изд. перераб. и доп. М.: Мир,1984. 456 с. 12.Антипов Б.Л., Сорокин В.С., Терехов В.А. Материалы электронной техники. Задачи и вопросы: Учеб. пособие для вузов/ Под ред. В.А. Терехова. М.: Высш. шк., 1990. 206 с. 13.Жеребцов И.П. Основы электроники: Учеб. пособие для вузов. 5-е изд., перераб. и доп. Л.: Энергоатомиздат,1989. 352 с. 14.Рычина Т.А., Зеленский А.В. Устройства функциональной электроники и электрорадиоэлементы. М.: Радио и связь, 1989. 352 с. 15.Полупроводниковые приборы: Диоды, тиристоры, оптоэлектронные приборы: Справочник / Под ред. Н.Н. Горюнова. М.: Энергоатомиздат, 1983. 744 с. 16.Полупроводниковые приборы. Диоды выпрямительные, стабилитроны, тиристоры: Справочник / Под ред. А.В. Голомедова, 2-е изд., стер. М.: Радио и связь: изд. фирма "КУбК-а", 1994. 527 с. 17.Справочник по полупроводниковым диодам, транзисторам и интегральным схемам/ Под общ. ред. Н.Н. Горюнова. 4-е изд., перераб. и доп. М.: Энергия, 1976. 744 с. 18.Транзисторы и полупроводниковые диоды: Справочник / Под общ. ред. И.Ф. Николаевского. М.: Связьиздат, 1963. 646 с. 37 Приложение 1 Пример оформления титульного листа отчета по лабораторной работе МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ Государственное образовательное учреждение ВПО «Уральский государственный технический университет – УПИ» Кафедра «Радиоэлектроника информационных систем» Оценка работы __________ Преподаватель ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК И ПАРАМЕТРОВ ЭЛЕКТРОННОДЫРОЧНЫХ ПЕРЕХОДОВ Отчет по лабораторной работе № 1 по дисциплине «Физические основы электроники» Подпись Дата Преподаватель ____________________ Студент Ф.И.О. _________ Ф.И.О. преподавателя ____________________ _________ Ф.И.О. студента Группа Р-13041 Екатеринбург 2003 38 Приложение 2 Параметры германиевых выпрямительных полупроводниковых диодов Параметры Д7Ж Д302 Д305 ГД107А Среднее прямое 0,5 0,25 0,3 1,0 напряжение Uпр, В Импульсное прямое напряжение, В Средний обратный ток, мкА , при 100 800 2500 20 Uобр=Uобр макс Максимально допустимое обратное 400 200 50 15 напряжение, В Средний прямой ток 300 1000 10000 20 Iпр макс, мА Импульсный прямой 1000 4000 20000 ток, мА Рабочая частота, кГц 2,4 5,0 5,0 ГД113А 1,0 ГД507А 0,5 4,0 250 50 115 20 15 16 48 200 Приложение 3 Параметры кремниевых выпрямительных полупроводниковых диодов Параметры Д226А Д242Б КД102Б КД103А КД105Б КД106А Среднее прямое 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0 напряжение Uпр, В Импульсное прямое 2,5 напряжение, В Средний обратный ток, мкА, при 50 3 0,1 1,0 100 10 Uобр=Uобр макс Максимально допустимое обратное 300 100 300 50 400 100 напряжение, В Средний прямой ток 300 5000 100 100 300 300 Iпр макс, мА Импульсный прямой 2500 15000 2000 2000 15000 3000 ток, мА Рабочая частота, кГц 1,0 1,2 20 1,0 30 39 Приложение 4 Параметры стабилитронов с полевым пробоем Параметры КС133Г КС147А КС156А 2С439А Напряжение стабили3,3 4,7 5,6 3,9 зации номинальное при (5) (10) (10) (51) (IСТ,мА),В Разброс напряжения +10% +10% +10% 3,03,6 В стабилизации Максимальный ток 37,5 58 55 176 стабилизации, мА Минимальный ток 1 3 3 3 стабилизации, мА Прямое напряжение при IПР=50мА (не 1 1 1 более), В Постоянный обратный ток при 0,3 1 1 UОБР=0,7UСТНОМ, мА Постоянный прямой 50 ток, мА Дифференциальное 150 56 46 12 сопротивление (5) (10) (10) (51) (IСТ,мА) , Ом Температурный коэффициент -0,015 +0,05 -0,1 -0,090,01 напряжения стабилизации, %/град Рассеиваемая 125 300 300 1000 мощность, мВт 40 КС456А 5,6 (30) +10% 139 3 10 (30) 0,05 1000 Приложение 5 Параметры стабилитронов с лавинным пробоем Параметры Д814А Д814В Напряжение стабили8,0 10,0 зации номинальное (5) (5) (IСТ,мА), В Разброс напряжения 7,08,5 9,010,5 стабилизации В В Максимальный ток 40 32 стабилизации, мА Минимальный ток 3 3 стабилизации, мА Прямое напряжение 1 1 при IПР=50мА, В Постоянный обратный 0,1 0,1 ток(UОБР, В) не более, (1) (1) мкА Постоянный прямой ток, мА Дифференциальное 6 12 сопротивление (5) (5) (IСТ,мА) ,Ом Температурный коэффициент 0,07 0,09 напряжения стабилизации, %/град Рассеиваемая 340 340 мощность, мВт 41 Д814Д 13,0 (5) 11,514,0 В 2С168 2С175Ж КС191Ж А 6,8 (10) 7,5 (4) 9,1 (4) +10% 7,17,9В 8,69,6В 24 45 17 14 3 3 0,5 0,5 1 1 2 2 0,1 (1) 1000 (4,5) 20 (5) 20 (6) 50 50 18 (5) 28 (10) 200 (0,5) 200 (0,5) 0,095 +0,06 0,07 0,09 340 300 125 125 Оглавление 1. ЦЕЛЬ ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ ............................................................................. 3 2. ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В ЭЛЕКТРОННО-ДЫРОЧНЫХ ПЕРЕХОДАХ ... 3 2.2. Энергетическая диаграмма p-n перехода в равновесном состоянии ................ 8 2.3. Неравновесное состояние p-n перехода............................................................. 10 2.3.1. Прямосмещенный p-n переход ................................................................. 10 2.3.2. Обратносмещенный p-n переход .............................................................. 13 2.4. Вольт-амперная характеристика реального p-n перехода ............................... 16 2.4.1. Прямая ветвь ВАХ реального p-n перехода ............................................ 17 2.4.2. Обратная ветвь ВАХ реального p-n перехода......................................... 19 3. ВИДЫ ПРОБОЕВ P-N ПЕРЕХОДА ........................................................................ 21 3.1. Общая характеристика пробоя p-n перехода .................................................... 21 3.2. Тепловой пробой p-n перехода ........................................................................... 22 3.3. Полевой пробой.................................................................................................... 23 3.4. Лавинный пробой................................................................................................. 25 4. СХЕМЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ................................... 27 5. ЛАБОРАТОРНЫЕ ЗАДАНИЯ ................................................................................. 29 5.1. Лабораторное задание N 1: Исследование характеристик и параметров электронно-дырочных переходов ......................................................... 29 5.2. Лабораторное задание №2: Исследование характеристик и параметров электрических пробоев в электронно-дырочных переходах ............. 32 6. СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА ......................................................................................... 34 7. ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ ...................................................................... 35 8. БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК...................................................................... 36 ПРИЛОЖЕНИЕ 1............................................................................................................. 38 ПРИЛОЖЕНИЕ 2............................................................................................................. 39 ПРИЛОЖЕНИЕ 3............................................................................................................. 39 ПРИЛОЖЕНИЕ 4............................................................................................................. 40 ПРИЛОЖЕНИЕ 5............................................................................................................. 41 42 ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК И ПАРАМЕТРОВ ЭЛЕКТРОННО-ДЫРОЧНЫХ ПЕРЕХОДОВ Составители Елфимов Вячеслав Ильич Устыленко Наталья Степановна Редактор Л.Ю. Козяйчева ИД № 06263 от 12.11.2001г. Подписано в печать 15.01.2003 Формат 60х84 1/16 Бумага типографская Офсетная печать Усл. печ. л. 2,56 Уч. – изд. л. 2,39 Тираж 100 Заказ Цена «С» Редакционно – издательский отдел ГОУ ВПО «УГТУ-УПИ» 620002, Екатеринбург, ул. Мира, 19 Ризография НИЧ ГОУ ВПО «УГТУ-УПИ» 620002, Екатеринбург, ул. Мира, 19 43