Теория и расчет полупроводниковых приборов : твердотельная электроника
Покупка
Тематика:
Полупроводниковая электроника
Издательство:
Издательский Дом НИТУ «МИСиС»
Год издания: 2010
Кол-во страниц: 83
Дополнительно
Доступ онлайн
2 000 ₽
В корзину
В лабораторном практикуме приводится описание лабораторных работ, предназначенных для детального и углубленного изучения физических процессов в приборах и структурах современной полупроводниковой электроники - диодах и биполярных транзисторах. Предназначен обучающихся по направлению 210100 «Электроника и наноэлектроника».
Скопировать запись
Фрагмент текстового слоя документа размещен для индексирующих роботов.
Для полноценной работы с документом, пожалуйста, перейдите в
ридер.
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ «МИСиС» № 1897 Кафедра полупроводниковой электроники и физики полупроводников Г.И. Кольцов С.И. Диденко М.Н. Орлова Теория и расчет полупроводниковых приборов Твердотельная электроника Лабораторный практикум Рекомендовано редакционно-издательским советом университета Москва 2010
УДК 621.38 К60 Р е ц е н з е н т д-р техн. наук, проф. Г.Д. Кузнецов Кольцов, Г. И. К60 Теория и расчет полупроводниковых приборов : Твердотельная электроника : лаб. практикум / Г. И. Кольцов, С. И. Диденко, М. Н. Орлова. – М. : Изд. Дом МИСиС, 2010. – 83 с. В лабораторном практикуме приводится описание лабораторных работ, предназначенных для детального и углубленного изучения физических процессов в приборах и структурах современной полупроводниковой электроники – диодах и биполярных транзисторах. Предназначен обучающихся по направлению 210100 «Электроника и наноэлектроника». © Г.И. Кольцов, С.И. Диденко, М.Н. Орлова, 2010
СОДЕРЖАНИЕ Основные правила техники безопасности при выполнении лабораторных работ..................................................................................4 Лабораторная работа 1. Изучение статических вольт-амперных характеристик p-n переходов и исследование зависимости обратного тока диода от температуры....................................................6 Лабораторная работа 2. Зарядные емкости полупроводниковых приборов..................................................................................................24 Лабораторная работа 3. Исследование вольт-амперных характеристик биполярных транзисторов............................................41 Лабораторная работа 4. Работа биполярного транзистора на высокой частоте.................................................................................60
Основные правила техники безопасности при выполнении лабораторных работ Выполнение лабораторных работ связано с использованием электрорадиоизмерительных приборов и стендов, являющихся источниками повышенной опасности, так как некоторые элементы их находятся под высоким напряжением. Поэтому к лабораторным работам студенты допускаются только после инструктажа по технике безопасности, о получении которого должны свидетельствовать их личные подписи в специальном журнале. Студент, работающий в лаборатории, обязан руководствоваться инструкциями и всеми дополнительными указаниями преподавателей о соблюдении мер безопасности при работе с установками. Выполнение работ в отсутствии преподавателя или лаборанта запрещается. Студенты, лично не выполняющие правила техники безопасности или допускающие их нарушения в отношении других лиц, отстраняются от выполнения работ и привлекаются к ответственности. Запрещается загромождать столы и рабочее место посторонними предметами (сумками, портфелями, чемоданами, одеждой) и приборами, не относящимися непосредственно к выполняемой работе. Перед выполнением практической части лабораторного задания необходимо внимательно ознакомиться с описанием работы, схемой включения приборов, обратив особое внимание на цепи, находящиеся под повышенным напряжением. Прежде чем включать в сеть электрорадиоизмерительные приборы и стенды, необходимо убедиться в наличии надежного зануления корпусов приборов. Работа с незануленными или неисправными приборами, установками и стендами, не имеющими защитных кожухов, запрещается. Первое включение собранной схемы, а также ее включение после внесения изменений производится только с разрешения преподавателя или лаборанта. Пользоваться кабелями питания с поврежденной изоляцией проводников, вилок, разъемов, а также поврежденными штепсельными розетками запрещается. Все производимые в схеме установки изменения, снятие испытуемых приборов и переключения должны осуществляться только в полностью обесточенных цепях. После подачи напряжения прикос
новение к открытым токоведущим частям схемы или исследуемых полупроводниковых приборов запрещается. При пользовании переносными электрорадиоизмерительными приборами (например, тестерами), последние должны располагаться на стеллажах или столах. Запрещается во время измерений держать эти приборы в руках или на коленях. Запрещается оставлять без надзора включенные установки и приборы. Запрещается бесцельное хождение no лаборатории, посторонние разговоры, отвлечение других от выполняемой работы. При обнаружении неисправности в оборудовании (погасание индикаторной лампы, искрение, дым и т.п.) или резком зашкаливании измерительных приборов необходимо принять меры к немедленному обесточиванию приборов и устранению неисправности вместе с преподавателем или лаборантом или по их указаниям. Если произошел несчастный случай, то необходимо немедленно отключить установку от сети, сообщить о случившемся преподавателю иди лаборанту и оказать первую помощь пострадавшему.
Лабораторная работа 1 ИЗУЧЕНИЕ СТАТИЧЕСКИХ ВОЛЬТ-АМПЕРНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК p-n ПЕРЕХОДОВ И ИССЛЕДОВАНИЕ ЗАВИСИМОСТИ ОБРАТНОГО ТОКА ДИОДА ОТ ТЕМПЕРАТУРЫ 1.1. Цель работы Целью работы является изучение идеальной и реальной вольтамперной характеристики (ВАХ) плоскостных полупроводниковых диодов различного назначения; выяснение причин, влияющих на отклонение характеристики от идеальной; исследование температурной зависимости тока диода. 1.2. Теоретическое введение Основным элементом многих полупроводниковых приборов является электронно-дырочной переход (p-n переход). В условиях термодинамического равновесия полупроводниковый кристалл с p-n переходом является в целом квазинейтральным, суммарный заряд в нем равен нулю. Диффузионный ток, возникающий вследствие градиента концентрации носителей заряда, уравновешивается дрейфовым током, обусловленным встречным движением носителей заряда в поле равновесных доноров и акцепторов в окрестности металлургической границы p-n перехода. Между p- и nобластями устанавливается контактная разность потенциалов: ( ) , к W E x dx ϕ = ∫ (1.1) где W – ширина области пространственного заряда в области перехода. За счет контактного потенциала образуется потенциальный барьер для основных носителей заряда соответствующих областей. При приложении к переходу внешнего смещения состояние термодинамического равновесия нарушается и через переход протекает неравновесный ток. Величина протекающего тока определяется уменьшением или увеличением потенциального барьера, определяемого контактной разностью потенциалов (рис. 1.1).
Рис. 1.1. Схема диффузионных и дрейфовых токов носителей заряда в p-n переходе (а); распределение акцепторов и доноров в p-n переходе (б); распределение электрического встроенного поля (в); распределение потенциала в p-n переходе в условиях термодинамического равновесия (г) При положительном внешнем смещении (рис. 1.2, а), поданном на переход (плюс – к p-области), потенциал p-области увеличивается, а величина потенциального барьера уменьшается. Уменьшение потенциального барьера приводит к увеличению потока электронов из pобласти, а дырок из n-области, в результате ток через переход возрастает. При обратной полярности внешнего смещения (рис. 1.2, б) потенциальный барьер увеличивается и при напряжениях, больше нескольких kT/q, переходы электронов и дырок оказываются невозможными. Ток через переходы в этом случае обусловлен только пе
ремещением неосновных носителей заряда, которые перебрасываются через переход электрическим полем, направление которого благоприятно для таких переходов. В область поля неосновные носители попадают из объема полупроводника с расстояний, сравнимых с диффузионной длиной. Рис. 1.2. Зонные диаграммы p-n перехода при прямом (а) и обратном (б) смещениях 1.2.1. Идеальная вольт-амперная характеристика p-n перехода Аналитическая или графическая зависимость, связывающая между собой значение тока, протекающего через переход, и величину приложенного смещения, называется вольт-амперной характеристикой. Расчет идеальной ВАХ p-n перехода проводится на основе ре
шения уравнений непрерывности для дырок и электронов, которые имеют вид 1 div ; p p p p G R j t q ∂ = − − ∂ 1 div , n n n n G R j t q ∂ = − + ∂ (1.2) где G – скорость генерации (индексы p и n – концентрация дырок и электронов соответственно); R – скорость рекомбинации носителей заряда; jp и jn – плотность тока дырок и электронов соответственно. Для упрощения задачи принимается ряд допущений. 1. Рассматривается тонкий плоский p-n переход. При этом не учитывается генерация и рекомбинация носителей заряда в области пространственного заряда (ОПЗ) p-n перехода (W << L, где L – диффузионная длина носителей заряда), и задача сводится к одномерному случаю div ; div p n n p j j j j x x ∂ ⎛ ⎞ ∂ = = ⎜ ⎟ ∂ ∂ ⎝ ⎠ . Считается, что в полупроводниковой структуре существует только термогенерированные носители заряда, уравновешенные рекомбинацией (С = 0). 2. Рассматривается стационарный случай протекания тока через p-n переход, т.е. 0; 0 n p t t ∂ ∂ = = ∂ ∂ . 3. Контакты полупроводника с металлом, к которым подается внешнее смещение, сделаны омическими и находятся далеко от p-n перехода; ловушки и поверхностная рекомбинация отсутствуют, так что неравновесные носители заряда, прошедшие p-n переход, рекомбинируют в объеме полупроводника. 4. Концентрация подвижных носителей заряда в ОПЗ мала, и объемный заряд в ней определяется только ионами примеси. Токи малы и не вызывают существенного падения напряжения на сопротивлении квазинейтральных областей кристалла полупроводника и контактах. Таким образом, все внешнее напряжение приложено непосредственно к p-n переходу.
5. Уровень инжекции мал (∆np << pp; ∆pn << nn). Поэтому в объеме полупроводника механизм рекомбинации линейный, т.е. скорость рекомбинации пропорциональна ∆n и ∆p: 0 0 ; , p p n n p n n p n n p p n n p p n p R R − − Δ Δ = = = = τ τ τ τ (1.3) и поле в квазинейтральных областях отсутствует. С учетом указанных упрощений уравнение непрерывности имеет вид 1 0 p n p j p q x ∂ Δ − − = ∂ τ ; (1.4) 1 0 p n n n j q x Δ ∂ − = ∂ τ . (1.5) Полный ток электронов и дырок определяется дрейфовой и электронной составляющими: ; n p n n p n p n n dp dn j qp E qD j qn E qD dx dx = μ − = − μ + . (1.6) Поскольку в квазинейтральных областях электрическое поле в случае малого уровня инжекции мало, считаем, что p p dp j qD dx = − и n n dn j qD dx = . (1.7) Отсюда окончательный вид уравнений непрерывности 2 2 0 n n p p d p p D dx Δ − = τ ; 2 2 0 p p n n d n n D dx Δ − = τ . (1.8) Общее решение этих уравнений имеет вид ( ) ( ) 0 0 exp exp ; exp exp . n n p p p p p p n n n n x x p x p A B L L x x n x n A B L L ⎛ ⎞ ⎛ ⎞ − = − + ⎜ ⎟ ⎜ ⎟ ⎜ ⎟ ⎜ ⎟ ⎝ ⎠ ⎝ ⎠ ⎛ ⎞ ⎛ ⎞ − = − + ⎜ ⎟ ⎜ ⎟ ⎝ ⎠ ⎝ ⎠ ; (1.9)
С учетом граничных условий |x|→ ∞, ∆np → 0, ∆pn → 0 при n x W = величина ( ) 0 вн exp ; n n qU p W p kT ⎛ ⎞ = ⎜ ⎟ ⎝ ⎠ (1.10) при p x W = величина ( ) 0 вн exp p p qU n W n kT ⎛ ⎞ = ⎜ ⎟ ⎝ ⎠ . Получаем Bn = 0; Bp = 0. Для электронов и дырок получаем следующие значения коэффициентов: ( ) ( ) ( ) 0 0 вн exp / exp / p p n p n n qU kT n A W L − = − ; ( ) ( ) ( ) 0 0 вн exp / exp / n n p n n p qU kT p A W L − = − ; ( ) ( ) 0 0 0 0 0 вн вн exp 1 exp ; exp 1 exp . n n n n p p p p p n x W qU p x p p kT L x W qU n x n n kT L ⎛ ⎞ − ⎛ ⎞ ⎛ ⎞ = + − − ⎜ ⎟ ⎜ ⎟ ⎜ ⎟ ⎜ ⎟ ⎝ ⎠ ⎝ ⎠ ⎝ ⎠ − ⎛ ⎞ ⎛ ⎞ ⎛ ⎞ = + − − ⎜ ⎟ ⎜ ⎟ ⎜ ⎟ ⎝ ⎠ ⎝ ⎠ ⎝ ⎠ (1.11) Отсюда следует, что в случае, когда ширина квазинейтральной области много больше диффузионной длины, концентрация дырок уменьшается по экспоненциальному закону и на достаточно большом расстоянии уменьшается до равновесной концентрации (рис. 1.3). Для плотности токов jp и jn, учитывая соотношения (1.10)–(1.11), получим выражения ( ) ( ) 0 0 вн вн exp 1 ; exp 1 . p p p n n p n n n p p n qD qU j j W p L kT qD qU j j W n L kT ⎛ ⎞ = = − ⎜ ⎟ ⎝ ⎠ ⎛ ⎞ = = − ⎜ ⎟ ⎝ ⎠ ; (1.12) Принимая во внимание условие , n p p n p p n n j j j j = = и то, что общий ток через p-n переход равен сумме электронного и дырочного тока, выражение для ВАХ p-n перехода можно представить в виде
Доступ онлайн
2 000 ₽
В корзину