Файл: Учебное пособие по ТвЭиМЭ.doc

Лабораторная работа № 2. Исследование температурной зависимости статических вольт-амперных характеристик полупроводниковых диодов

Цель работы: приобретение навыков экспериментального исследования температурной зависимости ВАХ полупроводниковых диодов.

Повышение температуры приводит к росту собственной концентрации носителей:

, (2.1)

где E_g – ширина запрещенной зоны (E_g=E_с –E_v). Она зависит от температуры:

. (2.2)

Для Si E_g0 = 1,17 эВ, a = -3,9∙10^-4 эВ/К, для Ge E_g0 = 0,785 эВ, a = -3,7∙10^-4 эВ/К, для GaAs E_g0 = 1,52 эВ, a = -4,3∙10^-4 эВ/К.

Это приводит к росту тока насыщения (рисунок 2.1),

(2.3)

При низкой температуре (область 1) концентрация носителей повышается с ростом температуры за счет ионизации атомов примеси.

Концентрацию свободных носителей заряда в области 1, называемой областью слабой ионизации примеси, можно оценить по формуле (2.4), если полупроводник легирован донорной примесью (n-тип проводимости), или по формуле (2.5), если полупроводник легирован акцепторной примесью (p-тип проводимости).

, (2.4)

, (2.5)

где N_d, N_a – концентрация легирующей примеси; N_c, N_v – эффективная плотность квантовых состояний (количество разрешенных уровней в единице объема материала) в зоне проводимости и в валентной зоне, соответственно.

Для Si N_c = 2,7∙10¹⁹ (T/300) ^3/2, N_v = 1,05∙10¹⁹ (T/300) ^3/2,

для Ge N_c = 1,04∙10¹⁹ (T/300) ^3/2, N_v = 6,1∙10¹⁹ (T/300) ^3/2.

Значение подвижности рассчитывается по формуле (1.2), а затем по формулам (1.8) и (1.9) рассчитать необходимые величины.

При домашней подготовке необходимо ознакомиться с температурными зависимостями в диодах.

Предварительное расчетное задание

1. Провести расчет φ_k, I_s и r_б диодов на основе германия и кремния при 250, 300 и 350 К.

2. Рассчитать и построить ВАХ диодов при 250, 300 и 350 К с учетом сопротивления базы.

Данные к расчету

Взять из задания к типовому расчету согласно номеру в журнале

Рабочее задание

1. Получить у преподавателя диод, отметить в протоколе материал, из которого сделан диод.

2. Измерить прямую и обратную ветви ВАХ диодов при температурах, указанных преподавателем, результаты занести в таблицы.

3. Построить графики ВАХ диодов в линейных масштабах по осям.

4. По усмотрению преподавателя, получить второй диод и повторить п. 1-3.

Анализ результатов измерений

1. Графически оценить значение φ_k.

2. Сравнить экспериментально полученные ВАХ диодов с теоритическими, объяснить разницу.

Контрольные вопросы

1. Объясните зависимость от температуры концентрации носителей и положения уровня Ферми.

2. Объясните зависимость подвижности от температуры и концентрации ионов примеси.

3. Объясните электропроводность полупроводников и ее зависимость от температуры. Определение E_g по температурным зависимостям электропроводности.

4. Какие параметры диода изменяются при повышении температуры?

Лабораторная работа № 3. Исследование статических характеристик биполярного транзистора, включенного по схеме с общей базой

Цель работы: изучение принципа работы и приобретение навыков экспериментального исследования ВАХ биполярного полупроводниковых транзисторов.

Биполярный транзистор – это полупроводниковый прибор с двумя p-n-переходами и тремя или более выводами, усилительные свойства которого обусловлены явлениями инжекции и экстракции неосновных носителей заряда. Биполярный транзистор – активный прибор, так как он позволяет осуществлять усиление мощности.

Биполярный транзистор состоит из трех областей чередующегося типа электропроводности (рисунок 3.1), которые образуют два p-n-перехода, расположенных в непосредственной близости один от другого. В зависимости от порядка расположения областей различают p-n-p и n-p-n-транзисторы. Условное обозначение транзистора показано на рисунке 3.2. В активном режиме работы транзистора (режиме усиления мощности) на эмиттерный переход подается прямое смещение, а на коллекторный переход – обратное.

В p-n-p-транзисторе эмиттерный p-n-переход при прямом смещении инжектирует дырки из эмиттера в базовую область транзистора. Как правило, концентрация легирующей примеси в эмиттере значительно больше, чем в базе, в этом случае ток дырок I_эp, инжектируемых в базу, практически равен полному току эмиттера I_э. Эффективность эмиттера характеризуется коэффициентом инжекции , который должен быть близок к единице.

Часть дырок, инжектированных эмиттером, будет рекомбинировать в базе с электронами. Если толщина базы w много меньше диффузионной длины дырок в базе L_p, то большинство дырок дойдет до коллектора. Коллекторный переход смещен в обратном направлении, поэтому все дырки, дошедшие до ОПЗ коллектора, будут захвачены электрическим полем перехода и переброшены в квазинейтральную область коллектора – произойдет экстракция дырок коллектором. Эффективность перемещения неосновных носителей через базу характеризуется коэффициентом переноса , где– ток дырок, достигающих границы ОПЗ коллекторного перехода. Значениев транзисторе с малым отношениемw/L_p близко к единице.

При токе эмиттера через коллекторный переход протекает обратный ток, обусловленный приложенным к нему обратным напряжением, как в изолированномp-n-переходе, , где– обратный ток насыщения коллекторного перехода,– напряжение, приложенное к коллектору. Учитывая, что управляемая эмиттером составляющая тока коллектора равна γ I_э, полный ток коллектора:

, (3.1)

где –коэффициент передачи тока эмиттера при нормальном включении, т.е., когда эмиттер инжектирует электроны, а коллектор – собирает. (Возможен и инверсный режим, когда коллектор инжектирует электроны, а эмиттер – собирает.)

Транзистор может быть включен по схеме с общей базой ОБ (базовый вывод на земле, он является общим для входной и выходной цепей), с общим эмиттером и общим коллектором. Схемы включения транзистора показаны на рисунке 3.3.

Зависимостью при постоянномI_э определяется семейство выходных ВАХ (рисунок 3.4,а) транзистора с общей базой. Семейство входных ВАХ (рисунок 3.4,б) транзистора с ОБ представляет собой зависимость , параметром семейства является.

В зависимости от соотношения полярности напряжений на p-n-переходах различают активный (усилительный) режим, при котором эмиттер смещен прямо, а коллектор – обратно; режим насыщения, при котором коллекторный и эмиттерный переходы смещены в прямом направлении и инжектируют неосновные носители в базу; режим отсечки, при котором оба p-n-перехода обратно смещены, ток коллектора очень мал и равен .