электроника лаб1. Решение Определение параметров полупроводникового материала
 Скачать 296.93 Kb.
|
|
Введение Целью настоящей работы является изучение параметров полупроводникового диода с резким p-n-переходом. В ходе выполнения данной работы необходимо рассчитать концентрацию основных и неосновных носителей в базе и эмиттере диода, подвижность основных и неосновных носителей в базе и эмиттере диода, коэффициенты диффузии для основных и неосновных носителей в базе и эмиттере диода, удельное сопротивление базы и эмиттера и контактную разность потенциалов, а также построить вольт-амперную характеристику диода при заданной температуре. Для диода с резким p-n-переходом рассчитать: 1) концентрацию основных и неосновных носителей в базе диода; 2) подвижность основных и неосновных носителей в базе диода; 3) коэффициенты диффузии для основных и неосновных носителей в базе диода; 4) удельное сопротивление базы; 5) контактную разность потенциалов; 6) концентрацию основных и неосновных носителей в эмиттере диода; 7) подвижность основных и неосновных носителей в эмиттере диода; 8) коэффициенты диффузии для основных и неосновных носителей в эмиттере диода; 9) удельное сопротивление эмиттера. Построить вольт-амперную характеристику диода. Исходные данные: материал – кремний Si; тип – p+-n; Т=305 К, UОБР.ДОП=170 В, jН=0,12 А/см2, S=1,5∙10-3 см2. Решение: 1. Определение параметров полупроводникового материала. Одним из основных параметров материала является концентрация носителей (основных и неосновных). Напряжение пробоя связано с допустимым обратным напряжением эмпирическим соотношением:  Из соотношения для напряжения лавинного пробоя найдем концентрацию легирующей примеси в базе диода:  где ΔЕ – ширина запрещенной зоны полупроводника, для Si ΔЕ = 1,12 эВ; NБ – концентрация легирующей примеси в базе диода, так как база имеет n-тип проводимости, то NБ = nn0.  По закону действующих масс найдем концентрацию неосновных носителей в базе диода. Запишем закон действующих масс для полупроводника n-типа:  где ni – собственная концентрация, для Si ni = 1010 см-3. Концентрация неосновных носителей в базе диода будет равна:  Найдем подвижности и коэффициенты диффузии для основных и неосновных носителей в базе диода. Подвижность основных и неосновных носителей в базе диода найдем по полуэмпирической формуле:  Для Si запишем:  Получаем:   Для Si запишем:  Получаем:  По соотношению Эйнштейна найдем коэффициенты диффузии для основных и неосновных носителей в базе диода:   Найдем удельное сопротивление базы через значение удельной проводимости:  Из графика зависимости контактной разности потенциалов от концентрации легирующей примеси в базе найдем контактную разность потенциалов:   Рисунок 1 – График зависимости контактной разности потенциалов от концентрации легирующей примеси в базе. Найдем концентрацию легирующей примеси в эмиттере диода из соотношения:  Выразим концентрацию:  По закону действующих масс найдем концентрацию неосновных носителей заряда в эмиттере диода:   Найдем подвижности и коэффициенты диффузии для основных и неосновных носителей в эмиттере диода. Подвижность основных и неосновных носителей в эмиттере диода найдем по формуле:   По соотношению Эйнштейна найдем коэффициенты диффузии для основных и неосновных носителей в эмиттере диода:   По соотношению удельного сопротивления с удельной электропроводностью, найдем удельное сопротивление эмиттера:  2. Расчет и построение вольт-амперной характеристики (ВАХ) диода. Прямая ветвь ВАХ при низком уровне инжекции изменяется по следующему закону:  Толщину базы рассчитаем через значение плотности тока, при которой начинается высокий уровень инжекции:   Рассчитаем ток насыщения при низком уровне инжекции:  На рисунке 2 показана прямая ветвь ВАХ диода, которая изменяется в диапазоне U от 0 до 0,87 В.  Рисунок 2 - Прямая ветвь ВАХ диода. При обратном смещении в кремниевом диоде преобладающей является генерационная составляющая тока:  где d (U) – толщина базы, равная:   Тогда:  Обратная ветвь ВАХ диода изменяется по следующему закону:  На рисунке 3 показана обратная ветвь ВАХ диода, которая изменяется в диапазоне U от –1 до 0 В.  Рисунок 3 – Обратная ветвь ВАХ диода. На рисунке 4 показана полная ВАХ диода.  Рисунок 4 – Полная ВАХ диода. Вывод: в ходе выполнения лабораторной работы произвели расчет параметров полупроводникового диода: концентрацию основных и неосновных носителей в базе и эмиттере диода, подвижность основных и неосновных носителей в базе и эмиттере диода, коэффициенты диффузии для основных и неосновных носителей в базе и эмиттере диода, удельное сопротивление базы и эмиттера и контактную разность потенциалов. Построили вольт-амперную характеристику диода при заданной температуре. Ответы на контрольные вопросы 1 Нарисуйте ВАХ идеализированного p-n-перехода.  Рисунок 1.1 - ВАХ идеализированного p-n-перехода. 2 Что называется полупроводниковым диодом? Полупроводниковым диодом называется электропреобразовательный полупроводниковый прибор с одним выпрямляющим электрическим переходом, имеющим два вывода. 3 Что такое стабилитрон? Стабилитрон - полупроводниковый прибор, предназначенный для стабилизации напряжения в электрических. Представляет собой диод, работающий при обратном напряжении; вольт-амперная характеристика имеет участок с очень слабой зависимостью напряжения от тока. 4 Что такое туннельный диод? Туннельный диод - полупроводниковый диод, действие которого основано на туннельном эффекте, который приводит к появлению на вольт амперной характеристике при прямом направлении участка отрицательной дифференциальной проводимости. 5 Что такое обращенный диод? Обращенным называют диод на основе полупроводника с повышенной концентрацией примесей, в котором проводимость при обратном напряжении вследствие туннельного эффекта значительно больше, чем при прямом напряжении. Список использованных источников 1. Саврук Е. В., Каранский В. В. Физические основы электроники. Расчет параметров диода с резким p-n-переходом : методические указания по выполнению лабораторной работы / Е. В. Саврук, В. В. Каранский. – Томск : ФДО, ТУСУР, 2017. – 40 с. |