Лаб. Практикум 1 по курсу физические основы электроники москва 2015 План умд на 20142015 уч г
 Скачать 0.84 Mb.
|
|
ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО СВЯЗИ Федеральное государственное образовательное бюджетное учреждение высшего профессионального образования МОСКОВСКИЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ СВЯЗИ И ИНФОРМАТИКИ Кафедра электроники ПРАКТИКУМ № 1 по курсу ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОНИКИМосква 2015 План УМД на 2014/2015 уч. г. ПРАКТИКУМ № 1 по курсу ЭЛЕКТРОНИКА Составители: В.П. Власов, к.т.н., доцент, В.Н. Каравашкина, к.т.н., доцент утверждено советом факультета. . . . . . . . . . . протокол № от Рецензент Г.С. Берендеева ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №1 ИССЛЕДОВАНИЕ ИДЕАЛИЗИРОВАННОГО Р-N ПЕРЕХОДА 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. 2. 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+ или p+ : Nд>>NаNа>>Nд база эмиттер эмиттер база  p n+ 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 = T ln ––––– , (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 тока Iпр). 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), I и U – ток и напряжение перехода. Величина I0 определяет величины Iпр и Iобр не 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.л Uпроб.т характер 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. 3. Методические указания по выполнению лабораторной работы 3.1. Вызвать программу лабораторной работы, для чего кликнуть мышью на ярлыке ЛАБ1 на рабочем столе. 3.2. Ввести исходные данные согласно заданному преподавателем номеру варианта 1...12 и данным таблицы 1. При вводе чисел пользоваться экспоненциальной формой записи. Например, число  следует записать, как 3E17, число  – как 1Е–6. После набора каждого числа нажимать ENTER. 3.3. Перенести в отчёт рисунок p-n перехода с экрана. 3.4. Перенести в таблицу 2 результаты расчёта. 3.5. Исходя из теоретических сведений, предложить вариант конструкции с увеличенным напряжением пробоя Uпроб. Внести исходные данные и результаты в таблицу 2. 3.6. Исходя из теоретических сведений, предложить вариант конструкции с уменьшенной барьерной емкостью Cб0. Внести исходные данные и результаты в таблицу 2. 3.7. Исходя из теоретических сведений, предложить вариант конструкции с уменьшенным тепловым током I0. Внести исходные данные и результаты в таблицу 2. 4. Содержание отчета Отчёт должен содержать: – название и цель работы; – рисунок р-n перехода с поясняющими надписями, согласующимися с заданным вариантом (как на экране); – полностью заполненную таблицу 2. 5. Контрольные вопросы Указать направление диффузии и дрейфа в асимметричном р-n переходе при U=0. Какие составляющие (электронная, дырочная) будут преобладать? Почему диффузия носителей не приводит к выравниванию концентраций? Какие заряды количественно преобладают вблизи контакта р- и n- областей? Почему на границе областей концентрация подвижных носителей невелика? Какой окажется контактная разность потенциалов kпри подаче внешнего напряжения, равного k0? Как на свойства р-n перехода влияет выбор типа полупроводника? Как на свойства р-n перехода влияет концентрация примесей? Как на свойства р-n перехода влияет его площадь? Каким должен быть р-n переход с большим напряжением лавинного пробоя? С малым напряжением туннельного пробоя? Таблица 1. Данные исходных вариантов
Таблица 2. Результаты исследований
| ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||