ЛР1 Элетроника. Лабораторная работа 1 исследование идеализированного рn перехода Выполнили студенты гр. Бин2009 Будашкин Е. П. Будашкин М. П
 Скачать 131.85 Kb.
|
|
Федеральное агентство связи
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №1 «ИССЛЕДОВАНИЕ ИДЕАЛИЗИРОВАННОГО Р-N ПЕРЕХОДА» Выполнили: студенты гр. БИН2009 Будашкин Е. П. Будашкин М.П. Москва, 2021 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+ 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.
Вывод: напряжение пробоя зависит от концентрации акцепторной примеси (при уменьшении примеси - увеличивается напр. проб.), барьерная емкость напрямую зависит от площади перехода (при уменьшении площади - уменьшается барьерная емкость), тепловой ток зависит от площади перехода и концентрации акцепторной примеси (при уменьшении площади, увеличении концентрации - уменьшается тепловой ток). | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||