Электроника. Лабораторная работа 1 исследование идеализированного рn перехода 3
 Скачать 86.9 Kb.
|
|
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №1 ИССЛЕДОВАНИЕ ИДЕАЛИЗИРОВАННОГО Р-N ПЕРЕХОДА 3 Вариант 1. Цель работы Целью настоящей работы является определение основных характеристик идеализированного р-n перехода. Исходными данными являются параметры конструкции: тип полупроводника, концентрация примесей, площадь р-n перехода. Определяются следующие характеристики идеализированного р-n перехода в отсутствие внешнего напряжения: – контактная разность потенциалов; – толщина; – тепловой ток (ток насыщения); – напряжение и тип пробоя; – барьерная ёмкость. Краткие теоретические сведения: P-n переход является одним из самых распространенных видов контактов, используемых в электронике. Его главным свойством является односторонняя проводимость, т.е. способность хорошо проводить ток только при одной полярности приложенного напряжения (прямое напряжение). При обратном напряжении ток на несколько порядков меньше. В идеальном случае p-n переход представляет собой контакт однородных полупроводников p и n типа. Как правило, одна из областей имеет намного более высокую концентрацию донорной примеси Nд или акцепторной примеси Nа. Такие переходы называют асимметричными, их сильнолегированную область – эмиттером, слаболегированную – базой. Сильнолегированную область обозначают n+ илиp+ : Nд>>NаNа>>Nд база эмиттер эмиттер база  pn+p+n На границе p и n областей существуют значительные градиенты концентрации свободных электронов и дырок dn/dxи dp/dx. Поэтому в p-n переходе даже в отсутствие внешнего напряжения происходит диффузия основных носителей в смежную область, т.е. наблюдается диффузионный ток основных носителей. Переход основных носителей в смежную область, где они становятся неосновными, приводит к рекомбинации и, поэтому, к уменьшению концентрации основных носителей. В результате в приграничных областях концентрация свободных электронов и дырок низкая, образуется обедненный слой. Заряды ионов примесей в нём остаются нескомпенсированными. Нескомпенсированные ионы примесей в приграничных областях являются здесь наиболее количественно значимыми зарядами. Эти заряды создают собственное электрическое поле p-n перехода. Собственное электрическое поле p-n перехода – тормозящее для диффундирующих основных носителей (образует потенциальный барьер). Это же поле вызывает встречный дрейф неосновных носителей, т.е. встречный дрейфовый ток. Возникает устойчивое равновесие диффузионного и дрейфового токов, в результате чего тока во внешней цепи нет. Выравнивания концентраций, как это было бы, например, при диффузии газов, не происходит. Собственное электрическое поле p-n перехода характеризуют контактной разностью потенциалов k0. В идеализированном p-n переходе NANД k0 = Tln ––––– , (1) ni2 где T – термический потенциал, NA,NД– концентрации примесей,  – собственная концентрация: , (2)где NC,NV– эффективные плотности состояний, З– ширина запрещенной зоны. Величинаk0примерно соответствует Uпр, при котором электрическое поле перехода исчезает и перестает препятствовать протеканию большого диффузионного тока (прямого токаIпр). Типичные значенияk0= 0,3 ... 1,5 В. Протяженность приграничных областей с нескомпенсированными ионами примесей называют толщиной p-n перехода w. Для идеализированного p-n перехода  (3)где εε0 – диэлектрическая проницаемость полупроводника, q– элементарный электрический заряд. От толщины р-n перехода зависит напряженность поля при обратном напряжении EUобр/w. Если напряженность превышает критическую Eкр,возникает пробой. Поэтому толщина p-n перехода определяет напряжение пробоя, для увеличения которого одну из областей – базу делают слаболегированной. Типичные значения w= 0,1...2 мкм. Анализ процессов в идеализированном p-n переходе приводит к так называемой формуле Шокли или теоретической ВАХ:  (4)где I0 –тепловой ток (ток насыщения), Iи U – ток и напряжение перехода. Величина I0 определяет величины Iпр и Iобрне только идеализированного, но и в значительной степени реального p-n перехода. Для идеализированного p-n перехода  , (5)где D – коэффициент диффузии, S – площадь p-n перехода, L – диффузионная длина, Nб – концентрация примеси в базе. Значения I0изменяются в больших пределах в зависимости от типа полупроводника, площади, особенностей изготовления и температуры p-n перехода. В зависимости от толщины p-n перехода в нём возникает лавинный или, в очень тонких p-n переходах, туннельный пробой. Напряжение лавинного пробоя Uпроб.л можно рассчитать по приближенной формуле:  (6)Напряжение туннельного пробоя Uпроб.топределяется выражением:  (7)Возникает тот пробой, напряжение которого меньше. При Uпроб.лUпроб.тхарактер пробоя – смешанный. Р-n перехода обладает ёмкостью, т.е. способностью накапливать заряды. Поэтому при изменении внешнего напряжения возникают переходные процессы заряда или разряда этой ёмкости. В результате возникает задержка в процессе установления напряжения и тока, в частности, при отпирании или запирании перехода. Эта задержка определяет быстродействие отдельных элементов и интегральных схем с p-n переходами. Например, при отпирании перехода происходит разряд барьерной ёмкости Cб, от величины которой зависит длительность процесса отпирания. Аналогично проявляет себя диффузионная ёмкость. Для идеализированного p-n перехода в отсутствие напряжения барьерная ёмкость определяется соотношением  (8)где S– площадь перехода. Характеристики реальных p-n переходов оказываются несколько иными из-за влияния сопротивления и неоднородности областей, неидеальности структуры и поверхности полупроводника и других факторов, не учитываемых в идеализированном p-n переходе. Реальные переходы отличаются также намного более сложным влиянием температуры, чем это учитывается в приведённых выше соотношениях. Поэтому исследование реальных p-n переходов является предметом других лабораторных работ. 
1. Указать направление диффузии и дрейфа в асимметричном р-n переходе при U=0. Какие составляющие (электронная, дырочная) будут преобладать? При ассиметричном переходе могут преобладать и донорная и акцепторная примеси. Диффузия – смешение одного вещества с другим при их контакте – происходит от большей концентрации к меньшей. При дрейфе наоборот – от меньшей концентрации к большей. Переход основных носителей к смежным областям приводит к рекомбинации (исчезновение пары свободных носителей противоположного заряда в среде с выделением энергии), то есть к уменьшению концентрации основных носителей. В результате в смежной области концентрация дырок и электронов низкая, область называется обеднённой. Количество электронов и дырок будут примерно равны.  2. Почему диффузия носителей не приводит к выравниванию концентраций? Собственное электрическое поле P-N перехода характеризуется контактной разностью потенциалов  . Диффузия не будет проходить до конца.3. Какие заряды количественно преобладают вблизи контакта р- и n- областей? Преобладают неосновные, так как основные носители переходят в смежную зону становясь неосновными. Почему на границе областей концентрация подвижных носителей невелика? Подвижные уходят от контакта. 4. Какой окажется контактная разность потенциалов φk при подаче внешнего напряжения, равного ? Величина примерно равна напряжению пробоя, при котором электрическое поле перехода исчезает и перестаёт препятствовать протеканию большого диффузионного тока – прямого тока IПР. Они имеют разные направления. 5. Как на свойства р-n перехода влияет выбор типа полупроводника? Тип влияет на значение тока насыщения I0, что в свою очередь влияет на IПР и IОБР, причём не только идеализированного, но и реального P-N перехода. 6. Как на свойства р-n перехода влияет концентрация примесей? Из формулы 1 видно, что концентрация примесей влияет на контактную разность потенциалов , и на толщину P-N перехода, представленную формулой 4.  (4)7. Как на свойства р-n перехода влияет его площадь? Площадь влияет на значение тока насыщения, что видно из формулы 3 и барьерной ёмкости - формула 2. Чем больше площадь перехода, тем больше эти два показателя. 8.Туннельный пробой возникает при малой ширине p-n-перехода (например, при низкоомной базе), когда при большом обратном напряжении электроны проникают за барьер без преодоления самого барьера. В результате туннельного пробоя ток через переход резко возрастает и обратная ветвь ВАХ идет перпендикулярно оси напряжений вниз. Лавинный пробой возникает в том случае, если при движении до очередного соударения с нейтральным атомом кристалла электрон или дырка приобретают энергию, достаточную для ионизации этого атома, при этом рождаются новые пары электрон-дырка, происходит лавинообразное размножение носителей зарядов; здесь основную роль играют неосновные носители, они приобретают большую скорость. Лавинный пробой имеет место в переходах с большими удельными сопротивлениями базы («высокоомная база»), т.е. в p-n-переходе с широким переходом. Тепловой пробой характеризуется сильным увеличением тока в области p-n-перехода в результате недостаточного теплоотвода. | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||