Полупроводниковая электроника

МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ
РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное автономное образовательное
учреждение высшего образования

«ЮЖНЫЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Е. Н. Сидоренко, А. С. Махно, А. В. Шлома

ПОЛУПРОВОДНИКОВАЯ ЭЛЕКТРОНИКА 

Учебное пособие
по специальному лабораторному практикуму 
«Электроника»
(специальность 11.03.02 «Инфокоммуникационные 
технологии и системы связи»)

Ростов-на-Дону – Таганрог
Издательство Южного федерального университета
2019

С34

УДК 621.382(075.8) 
ББК 32.852я73
 С34

Печатается по решению кафедры радиофизики физического факультета
Южного федерального университета (протокол № 19 от 19 февраля 2019 г.)

Рецензенты:

доктор физико-математических наук, профессор, заведующий кафедрой 
радиофизики Южного федерального университета Г. Ф. Заргано

доктор физико-математических наук, профессор Ростовского  
государственного университета путей сообщения В. Н. Таран

Сидоренко, Е. Н.
Полупроводниковая электроника : учебное пособие по специальному лабораторному практикуму «Электроника» (специальность 
11.03.02 «Инфокоммуникационные технологии и системы связи») / 
Е. Н. Сидоренко, А. С. Махно, А. В. Шлома ; Южный федеральный 
университет. – Ростов-на-Дону ; Таганрог : Издательство Южного 
федерального университета, 2019. – 112 с. 
ISBN 978-5-9275-32-05-6

Учебное пособие содержит теоретические основы и рекомендации по 
выполнению лабораторных работ по изучению принципа действия, параметров и характеристик элементов полупроводниковой электроники,  
а также их практического применения.
Предназначено для студентов, обучающихся по направлению подготовки 11.03.02 «Инфокоммуникационные технологии и системы связи» 
по дисциплине «Электроника»
 
 
  
 
 
 
 
        УДК 621.382(075.8)
 
  
 
 
 
 
        ББК 32.852я73
ISBN 978-5-9275-32-05-6  
 
 © Южный федеральный университет, 2019
© Сидоренко Е. Н., Махно А. С, 
Шлома А.В., 2019
© Оформление. Макет. Издательство
Южного федерального университета, 2019

ОГЛАВЛЕНИЕ

РАЗДЕЛ I. ИЗУЧЕНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК 
КРЕМНИЕВОГО ДИОДА ................................................ 6

Введение ...................................................................... 6

Глава 1. Краткая теория ................................................ 8
1.1. p-n-Переход......................................................... 8
1.2. Классификация p-n-переходов ............................. 12
1.3. p-n-Переход при внешнем напряжении, 
приложенном к нему ................................................ 13
1.4. Полупроводниковые диоды. 
Их вольтамперные характеристики ........................... 16
1.5. Емкость диода ................................................... 18
1.6. Переходные процессы в диоде ............................. 20
1.7. Маркировка полупроводниковых диодов .............. 23

Глава 2. Описание лабораторного макета ...................... 24

Глава 3. Методические указания по выполнению 
лабораторной работы ................................................... 27
3.1. Исследование статической вольтамперной 
характеристики кремниевого диода ........................... 27
3.2. Вольтамперная характеристика диода 
на экране осциллографа ........................................... 29
3.3. Изучение переходных процессов в диоде .............. 31
3.4. Исследование зависимости емкости диода 
от приложенного обратного напряжения .................... 32
3.5. Указания к отчету ............................................. 33

Контрольные вопросы к разделу I ................................. 34

Литература к разделу I ................................................ 34

РАЗДЕЛ II. ИЗУЧЕНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК 
ПОЛУПРОВОДНИКОВОГО СТАБИЛИТРОНА ................ 36

Введение .................................................................... 36

Глава 4. Краткая теория .............................................. 38
4.1. Полупроводниковый диод и его применение ......... 38
4.2. Полупроводники с собственной и дырочной 
проводимостью ........................................................ 39
4.3. р-n-Переход диода.............................................. 41
4.4. Типы р-n-переходов в диодах .............................. 46
4.5. p-n-Переход при внешнем напряжении, 
приложенном к нему ................................................ 47
4.6. Полупроводниковые диоды. Их вольтамперные 
характеристики ....................................................... 50
4.7. Типы пробоев p-n-перехода. Вольтамперная 
характеристика стабилитрона ................................... 53
4.8. Основные параметры и структура стабилитронов .. 55
4.9. Емкость p-n-перехода ......................................... 58
4.10. Переходные процессы в стабилитроне ................ 60
4.11. Маркировка стабилитронов ............................... 62

Глава 5. Описание лабораторного макета ...................... 63

Глава 6. Методические указания по выполнению 
лабораторной работы ................................................... 66
6.1. Исследование статической вольтамперной 
характеристики кремниевого стабилитрона ................ 66
6.2. Визуальное наблюдение вольтамперной 
характеристики стабилитрона на экране осциллографа. .. 68
6.3. Исследование переходных процессов 
в стабилитроне............................................................. 70
6.4. Исследование зависимости емкости стабилитрона 
от обратного напряжения ......................................... 71
6.5. Указания к отчету ............................................. 73

Контрольные вопросы к разделу II ............................... 73

Литература к разделу II ............................................... 74

РАЗДЕЛ III. ИЗУЧЕНИЕ СВОЙСТВ ВАРИКАПА ........... 75

Введение .................................................................... 75

Глава 7. Краткая теория .............................................. 77
7.1. Полупроводниковый диод................................... 77
7.2. р-n-Переход полупроводникового диода ................ 78
7.3. Характеристики р-n-перехода 
полупроводникового диода ........................................ 81
7.4. p-n-Переход без внешнего источника напряжения . 84
7.5. p-n-Переход при внешнем напряжении ................ 85
7.6. Вольтамперные характеристики p-n-перехода ....... 88
7.7. Физическая природа емкости 
полупроводникового диода (варикапа) ........................ 90
7.8. Зависимость барьерной емкости от постоянного 
напряжения ............................................................ 92
7.9. Рабочий интервал напряжений варикапов. 
Коэффициент перекрытия. Коэффициент нелинейности .. 93
7.10. Метод измерения емкости варикапов ................. 94
7.11. Рабочий диапазон частот варикапа. 
Добротность ............................................................ 95

Глава 8. Описание лабораторного макета ...................... 98

Глава 9. Методические указания по выполнению  
лабораторной работы ..................................................101
9.1. Исследование статической вольтамперной 
характеристики варикапа ........................................101
9.2. Получение изображения вольтамперной 
характеристики варикапа на экране осциллографа .....103
9.3. Исследование зависимости емкости варикапа 
от приложенного обратного напряжения ...................105
9.4. Определение добротности параллельного 
колебательного контура с варикапом ........................107
9.5. Указания к отчету ............................................109

Контрольные вопросы к разделу III .............................109

Литература к разделу III .............................................110

РАЗДЕЛ I. ИЗУЧЕНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК КРЕМНИЕВОГО 

ДИОДА

Введение

Полупроводниковый прибор с одним р-n-переходом, имеющий два 
омических вывода, называют полупроводниковым диодом [7]. Полупроводниковые диоды широко распространены в радиоэлектронике. Они 
пришли на смену ламповым диодам, которые требовали источника питания для подогрева катода, были громоздкими, со временем изменяли 
свои характеристики из-за утечки вакуума. Полупроводниковые диоды 
миниатюрны в исполнении, дешевы, имеют малую массу, при выполнении правил эксплуатации обладают неограниченным сроком службы.
Полупроводниковые диоды широко применяются в радиоприемных 
устройствах:
– в качестве выпрямителей (широко используются для преобразования переменного тока в постоянный);
– в качестве демодуляторов (для выделения низкочастотной составляющей сигнала из модулированных сигналов);
– в качестве диодной защиты (для защиты устройств от включения 
неправильной полярности схем с источниками питания, защиты входов 
схем от перегрузки, защиты ключей от пробоя ЭДС самоиндукции, возникающей при выключении индуктивной нагрузки);
– в качестве диодных переключателей для коммутации высокочастотных сигналов. 
Полупроводниковые диоды изготавливаются в основном из элементов IV группы таблицы Менделеева (кремния, германия, селена и 
др.), которые называют полупроводниками. Удельные сопротивления 
полупроводников при комнатной температуре имеют значения, которые находятся в широком интервале (от 10–3 до 107 Ом ∙ м), и занимают 
промежуточное положение между металлами и диэлектриками. К полупроводникам относится большинство веществ, составляющих примерно 4/5 объема земной коры. Это ряд элементов, большинство минералов, различные окислы, сульфиды, теллуриды и другие химические 

соединения [4]. Но химически чистые полупроводники практически не 
применяются в технике из-за малой концентрации свободных зарядов.  
Их легируют – вводят примеси элементов III или V групп, в результате 
чего образуются полупроводники с большой концентрацией положительных зарядов (дырок) и отрицательных (электронов) соответственно. Их называют примесными полупроводниками. Говорят, что полупроводники с большой концентрацией дырок обладают проводимостью 
p-типа, а полупроводники с большой концентрацией электронов – проводимостью n-типа.

Цели работы:
1. Изучение принципа работы и устройства кремниевого полупроводникового диода.
2 Приобретение навыка сборки электронных схем.
3. Овладение навыками измерения вольтамперных характеристик, 
работы с осциллографом и мультиметрами.

Задачи:
1. Экспериментальное исследование прямой и обратной ветвей статической вольтамперной характеристики кремниевого диода.
2. Визуальное наблюдение вольтамперной характеристики диода на 
экране осциллографа.
3. Изучение зависимости емкости p-n-перехода диода от величины 
обратного напряжения.
4. Расчет зависимости дифференциального и статического сопротивления диода от приложенного напряжения.
5. Изучение переходных характеристик кремниевого диода.

Глава 1. Краткая теория

1.1. p-n-Переход

Основу большинства полупроводниковых диодов составляют кремний или германий. В данной работе исследуется кремниевый диод. 
Кремний является одним из самых распространенных элементов. Земная кора содержит 28 % кремния. Основное преимущество кремния перед германием – это бóльшая ширина запрещенной зоны, которая для 
кремния составляет 1,1 эВ. При большей ширине запрещенной зоны 
связи кристалла более устойчивы к воздействию температуры, и поэтому кремниевые диоды могут работать при более высоких температурах, чем германиевые. Кроме того, концентрация свободных носителей 
заряда в чистом кремнии приблизительно на три порядка ниже, чем в 
германии, и составляет при T = 300 К n ≈ 1016 м–3. 
Элемент кремний имеет 14-й номер в периодической системе Менделеева. Заряд ядра кремния равен +14е (е – заряд электрона), вокруг 
ядра вращаются 14 электронов. Десять из 14 электронов сильно связаны с ядром и в химических реакциях не участвуют, а четыре, находящиеся на последней (внешней) электронной орбите, слабо связаны с 
ядром и называются валентными. Валентные электроны участвуют в 
образовании ковалентных связей с ближайшими соседними атомами. 
При низких температурах (близких к абсолютному нулю) практически 
все электроны связаны с атомами и свободные электроны в кристалле 
отсутствуют. Поэтому сопротивление полупроводников при T = 0 K 
очень велико. При повышении температуры увеличивается тепловое 
движение электронов. Некоторые ковалентные связи разрушаются, и 
образуются свободные электроны. Места, которые покинули электроны, заряжены положительно и называются дырками. Если к такому 
полупроводнику приложить напряжение, то через него будет протекать ток, представляющий встречные потоки электронов и дырок [3]. 
Таким образом, ток в чистом полупроводнике имеет электронно-дырочную природу.
Основным элементом большинства полупроводниковых диодов является электронно-дырочный переход (р-n-переход), представляющий 
собой переходный слой между двумя областями полупроводника, одна 
из которых имеет электронную электропроводность (n-типа), а другая – 
дырочную (p-типа) [там же].

На рис. 1 изображено пространственное распределение дырок 
(•), электронов (о), ионов-акцепторов (
) и ионов-доноров (
) в p- 
и n-областях кристалла полупроводника до их контакта: Видно, что 
до соприкосновения p- и n-областей кристалла дырки и отрицательные 
ионы примеси (акцепторы) в p-области распределены равномерно. Кроме 
того, в p-области имеется небольшое количество равномерно распределенных свободных электронов. Концентрации акцепторов Na и дырок pp 
в p-области практически одинаковы и много больше концентрации электронов np. Аналогично в n-области кристалла электроны и положительно заряженные ионы примеси (доноры) распределены равномерно, как и 
небольшое количество дырок. Концентрации доноров Nд и электронов nn 
практически одинаковы и много больше концентрации дырок pn. 

Рис. 1. Начальное распределение концентраций зарядов по длине 
кристалла L в p- и n-областях: Na – концентрация ионов-акцепторов; 
Nд – концентрация ионов-доноров; рр – концентрация дырок в p-области 
кристалла; nр – концентрация электронов в p-области кристалла; 
рn – концентрация дырок в n-области кристалла; 
nn – концентрация электронов в n-области кристалла

При контакте областей (рис. 2) на их границе образуется градиент 
концентраций свободных носителей заряда [4]. Градиент концентраций вызывает диффузию свободных зарядов: электроны из n-обла

сти переходят в p-область и рекомбинируют с дырками, а дырки из  
р-области переходят в n-область и рекомбинируют с электронами.  
В результате в пограничной области концентрация свободных электронов и дырок убывает почти до нуля. В то же время в р-области вблизи 
ее контакта с n-областью образуется отрицательный пространственный заряд ионов акцепторной примеси, а в n-области – положительный пространственный заряд ионов донорной примеси. Области пространственных зарядов на рис. 2 заштрихованы. Между этими зарядами 
возникает контактная разность потенциалов φк и электрическое поле 
с напряженностью Ек. Поле огромной напряженности (Ек ≈ 106 В/м) 
препятствует диффузии свободных носителей заряда из глубины р- 
и n-областей через р-n-переход, и она практически прекращается. 
Таким образом, область, обедненная свободными носителями заряда, со своим собственным электрическим полем называется р-n-переходом. Переход в целом нейтрален, т. е. отрицательный заряд в левой 
части и положительный заряд в правой части одинаковы. Область перехода является наиболее высокоомной частью диодной структуры [3].

Рис. 2. Распределение концентраций заряда в идеализированном 
p-n-переходе: Na – концентрация ионов-акцепторов; Nд – концентрация 
ионов-доноров; рр – концентрация дырок в p-области кристалла; 
nр – концентрация электронов в p-области кристалла; рn – концентрация 
дырок в n-области кристалла; nn – концентрация электронов в n-области 
кристалла; φк – контактная разность потенциалов; Ек – напряженность 
электрического поля; lp-n – ширина p-n-перехода

Основными параметрами p-n-перехода являются высота потенциального барьера и ширина p-n-перехода.
Высота потенциального барьера равна контактной разности потенциалов φк. Контактная разность потенциалов в переходе обусловлена градиентом концентрации носителей заряда и представляет собою 
энергию, которой должен обладать свободный заряд, чтобы преодолеть 
потенциальный барьер, величиной:

к
ln
ln
ln
,
p
p
n
p
n
T
T

n
n
p

p
p
n
kT
e
p
p
n
     
 
 
 
(1)

где k = 1,38 ∙ 10–23 Дж/К – постоянная Больцмана, е – заряд электрона;  
Т – абсолютная температура; рр и рn – концентрации дырок в р- и n-областях соответственно; nр и nn – концентрации электронов в р- и n-областях 
соответственно, φT = kT/e – температурный потенциал. При температуре 
T = 27 °C φT = 0,025 В. Для германиевого перехода контактная разность 
потенциалов φк = 0,6 В, а для кремниевого перехода φк = 0,8 В.
Ширина p-n-перехода lp-n (см. рис. 2) – это приграничная область, 
обедненная носителями заряда, которая располагается между p- 
и n-областями:
lp-n = lp + ln,
где

0
к

a

2
1 ,
pl
e
N

 

0
к

д

2
1 ,
nl
e
N

 

 
(2)

где ε – относительная диэлектрическая проницаемость материала полупроводника; ε0 – диэлектрическая постоянная вакуума; Na и Nд – концентрации акцепторов и доноров соответственно. 
Из формул (2) видно, что ширина p-n-перехода зависит от концентрации примесей, и тем меньше, чем больше концентрация примесей.
Толщина электронно-дырочных переходов имеет порядок 0,1– 
10 мкм. Толщина перехода определяет предельно допустимые ток и 
мощность диода. 
Если на p-n-переходе отсутствует внешнее напряжение, такое состояние перехода называют равновесным. В равновесном состоянии через 
р-n-переход движутся два встречных потока зарядов (протекают два 
тока). Это:
– диффузионный ток, который связан с основными носителями заряда (Iдиф);

– дрейфовый ток неосновных носителей заряда (Iдр).
Так как внешнее напряжение отсутствует и тока во внешней цепи 
нет, то дрейфовый ток и диффузионный ток взаимно уравновешиваются. Поэтому результирующий ток (алгебраическая сумма токов) равен 
нулю:
Iдр + Iдиф = 0. 
(3)

Это соотношение называют условием динамического равновесия 
процессов диффузии и дрейфа в изолированном (равновесном) p-n-переходе [3].

1.2. Классификация p-n-переходов

Путем простого соприкосновения двух полупроводниковых пластин 
с различными типами проводимости p-n-переход нельзя осуществить, 
так как при этом неизбежен промежуточный (хотя бы и очень тонкий) 
слой воздуха или поверхностных пленок. Настоящий p-n-переход получается в едином кристалле полупроводника при внедрении в него акцепторов, с одной стороны, и доноров – с другой. Между р- и n-слоями 
получается достаточно резкая граница.
Резкость границы играет существенную роль для формирования перехода, поскольку плавный переход, как показывает теория, не обладает 
теми вентильными свойствами, которые лежат в основе работы полупроводниковых диодов и транзисторов.
Переходы, в которых имеется скачкообразное изменение концентрации на границе слоев, называются ступенчатыми. Они представляют 
собой предельный случай общего класса плавных переходов, в которых 
градиент концентрации примесей конечен. На практике ступенчатые 
переходы являются известным приближением. Однако они хорошо отражают свойства многих реальных p-n-структур и, кроме того, оказываются проще для анализа [4].
По соотношению концентраций основных носителей (электронов nn 
и дырок pp) или по соотношению концентраций ионов акцепторов Na 
и доноров Nд в р- и п-слоях кристалла переходы делятся на симметричные и несимметричные. Если pp = nn или Na = Nд, то lp = ln и p-n-переход 
называется симметричным (на рис. 1, 2 приведены концентрации Nа 
и Nд, pp и nn для симметричного ступенчатого перехода). Если Nа > Nд 
(Nа < Nд) то lp < ln (lp > ln) и p-n-переход называется несимметричным, 

причем в большей степени он располагается в области полупроводника 
с меньшей концентрацией примеси.
Симметричные переходы, где концентрации основных носителей 
в обоих слоях почти одинаковы, трудно реализовать практически. По- 
этому они не являются типичными. Большее распространение получили несимметричные переходы, в которых выполняются неравенства  
pp > nn (Nа > Nд) или nn > pp (Nд > Nа) и концентрации различаются в несколько раз [3].

1.3. p-n-Переход при внешнем напряжении, приложенном к нему

Если к p-n-переходу приложить постоянное напряжение от внешнего источника, то в нем нарушается динамическое равновесие токов и 
он переходит в неравновесное состояние. В зависимости от полярности 
приложенного напряжения возможны два режима работы p-n-перехода, 
два его состояния [4]: 
– открытое, когда p-n-переход хорошо проводит электрический 
ток;
– закрытое, когда он плохо проводит ток.

1.3.1. Прямое смещение p-n-перехода

Если положительный полюс источника постоянного напряжения 
подсоединен к р-области, а отрицательный – к n-области, то p-n-переход 
смещен в прямом направлении (рис. 3).

Рис. 3. Схема подключения источника напряжения 
к p-n-переходу в прямом направлении