ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 04.04.2025
Просмотров: 348
Скачиваний: 2
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ МЭИ
____________________________________________________
И.Н. МИРОШНИКОВА, О.Б. САРАЧ, Б.Н. МИРОШНИКОВ
ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОНИКИ ТВЕРДОТЕЛЬНАЯ ЭЛЕКТРОНИКА
Лабораторные работы Биполярные диоды и транзисторы Полевые транзисторы
Методическое пособие по курсу
ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОНИКИ
Часть I Твердотельная электроника
для студентов, обучающихся по направлению «Электроника и наноэлектроника»
Москва |
Издательский дом МЭИ |
2013 |
1
УДК 621.383
М
Утверждено учебным управлением МЭИ Подготовлено на кафедре полупроводниковой электроники
Рецензенты: доктор технических наук, профессор А.И. Попов.
М Физические основы электроники (твердотельная электроника). Лабораторные работы: методическое пособие И.Н. Мирошникова, О.Б. Сарач, Б.Н. Мирошников. М.: Издательство МЭИ, 2013. 96 с.
Представлены теоретические сведения и методика выполнения цикла лабораторных работ по исследованию электрических явлений в полупроводниковых приборах, методах исследования их характеристик.
Методические указания предназначены для обеспечения учебного процесса при многоуровневой подготовке специалистов по укрупненной группе специальностей и направлений подготовки 210100 «Электроника и наноэлектроника», а также для образовательных программ технической и педагогической направленности.
© Национальный исследовательский университет МЭИ, 2013
Мирошникова Ирина Николаевна Сарач Ольга Борисовна Мирошников Борис Николаевич
Методическое пособие по курсу «Физические основы электроники», часть I «Твердотельная электроника»
для студентов, обучающихся по направлению «Электроника и наноэлектроника»
Редактор издательства
____________________________________________________________
Темплан издания МЭИ 2012, метод. |
Подписано в печать |
|
Печать офсетная |
||
Формат 60×84/16 |
Физ. печ. л. 2,8 |
Тираж 200 экз. Изд. № Заказ |
____________________________________________________________
2
Лабораторная работа № 1. Исследование статических вольтамперных характеристик полупроводниковых диодов
Цель работы: изучение принципа работы полупроводниковых диодов и светодиодов.
Контролируемое введение примеси, легирование, позволяет управлять концентрацией свободных носителей заряда в полупроводнике. Если атомы примеси отдают электроны, примесь называется донорной. Уровень донорной примеси Ed находится в запрещенной зоне вблизи дна зоны проводимости Ec (рисунок 1.1). Для ионизации атомов примеси требуется энергия Ec–Ed. Для Si и Ge донорной примесью могут быть элементы пятой группы. Если атомы примеси принимают электроны, примесь называется акцепторной. Уровень акцепторной примеси Ea находится в запрещенной зоне вблизи потолка валентной зоны Ev. Для ионизации атомов примеси требуется энергия Ea Ev. Для Si и Ge акцепторной примесью могут быть элементы третьей группы.
а) б)
Рис. 1.1. Зонная структура полупроводника:
а) полупроводник n-типа (электронный); б) полупроводник p-типа (дырочный)
При температурах, близких к комнатной концентрации основных носителей заряда совпадает с концентрацией легирующей примеси: nn0 Nd , pp0 Na .
Произведение концентраций свободных электронов и дырок в полупроводнике равно квадрату собственной концентрации носителей заряда nn0 pn0 pp0 np0 ni2 . Из этого соотношения находят концентрацию
неосновных носителей заряда, т.е. дырок в полупроводнике n-типа ( pn0 ) и электронов в полупроводнике p-типа ( np0 ).
Удельная электропроводность полупроводника σ ( 1 , где –
удельное сопротивление) прямо пропорциональна концентрации свободных носителей заряда и их подвижности μ:
q n n p p , |
(1.1) |
где q – элементарный заряд (q=1,6∙10–19 Кл).
3
Для расчета подвижности в германии может быть использована эмпирическая формула:
μ2 |
T |
b |
, |
||||||||
μ(N,T ) μ |
(1.2) |
||||||||||
1 (N / N |
)a |
300 |
|||||||||
1 |
0 |
||||||||||
где N Nd Na |
суммарная концентрация ионов доноров и |
||||||||||
акцепторов, |
остальные |
величины |
являются |
эмпирическими |
|||||||
постоянными. |
|||||||||||
Германий (Ge) |
|||||||||||
Носители |
N0, см –3 |
a |
b |
||||||||
заряда |
см2/(В∙с) |
||||||||||
Электроны |
50 |
3850 |
8,1∙1016 |
0,48 |
0,269∙ln(N) 10,9 |
||||||
Дырки |
42 |
1860 |
1,4∙1017 |
0,42 |
0,33∙ln(N) 14,5 |
||||||
Для расчета подвижности в кремнии (Si) и арсениде галлия (GaAs) следует использовать следующую также эмпирическую формулу:
μ(N,T ) μ max |
B N |
||
T |
|||
1 B N |
|||
300 |
|||
T |
b |
|||
, |
||||
300 |
(1.3) |
где
N |
||||||||||||||||||||||||
g |
||||||||||||||||||||||||
min max |
||||||||||||||||||||||||
N |
||||||||||||||||||||||||
B N |
. |
(1.4) |
||||||||||||||||||||||
min |
max |
|||||||||||||||||||||||
T 300K |
||||||||||||||||||||||||
Тип п/п |
Тип |
max |
, |
min |
, |
N |
g |
, |
||||||||||||||||
носителей |
||||||||||||||||||||||||
материала |
||||||||||||||||||||||||
заряда |
см2/(В·с) |
см2/(В·с) |
см-3 |
|||||||||||||||||||||
Si |
Электроны |
1414,0 |
68,5 |
9,2∙1016 |
2,42 |
0,26 |
0,71 |
|||||||||||||||||
Дырки |
470,5 |
44,9 |
2,2∙1017 |
2,20 |
0,36 |
0,72 |
||||||||||||||||||
GaAs |
Электроны |
9400,0 |
750,0 |
7∙1016 |
2,3 |
0,50 |
0,5 |
|||||||||||||||||
Дырки |
450,0 |
30,0 |
5∙1017 |
2,3 |
0,45 |
0,5 |
||||||||||||||||||
Полупроводниковым диодом называют прибор с одним p-n- переходом и двумя выводами. Структура диода на основе p-n-перехода и его потенциальная диаграмма показаны на рисунке 1.2, а, условное обозначение – на рисунке 1.2, б.
4
Рис. 1.2. Диод на основе p-n перехода (здесь Na > Nd)
На границе областей n- и p-типа проводимости существует область, обедненная подвижными носителями заряда, – область пространственного заряда (ОПЗ). Нескомпенсированные ионы акцепторов у границы раздела создают отрицательный объемный заряд Q – = qNa–, нескомпенсированные ионы донорной примеси создают положительный объемный заряд Q+= qNd+. В результате в ОПЗ образуется внутреннее электрическое поле Eопз, препятствующее перемещению электронов из n-области в p-область и дырок из p– области в n-область.
Разность потенциалов между границами ОПЗ υk называется
контактной разностью потенциалов. Для резкого (ступенчатого) p-n-
перехода
k |
Т ln |
N |
d |
N |
a |
Т ln |
n |
n0 |
T ln |
p p |
. |
(1.5) |
|
n |
2 |
np |
pn0 |
||||||||||
i |
|||||||||||||
Здесь υT = kT/q – тепловой потенциал равный 0,026 В при комнатной температуре, T – абсолютная температура (в Кельвинах), k – постоянная Больцмана (k=8,617∙10–5 эВ/К); np0 и pn0 – концентрации неосновных
носителей заряда в соответствующих областях в состоянии термодинамического равновесия.
При приложении к p-n-переходу внешнего напряжения практически все оно падает на ОПЗ, так как ОПЗ имеет наиболее высокое сопротивление. Если «+» источника напряжения соединяется с n- областью, а « » – с p-областью, внешнее электрическое поле совпадает по направлению с внутренним, высота потенциального барьера увеличивается и становится равной υk+U. Это обратное включение.
Если «+» источника напряжения соединяется с p-областью, а « » – с n-областью, внешнее электрическое поле направлено против внутреннего, высота потенциального барьера уменьшается и становится равной υk U. Это прямое включение. Если внешнее напряжение будет
5
близко к υk, носители смогут переходить через барьер, и через диод будет течь значительный ток.
Вольт-амперная характеристика (ВАХ) диода на основе p-n-
перехода показана на рисунке 1.3. При приложении напряжения состояние ТДР нарушается. При обратном смещении ОПЗ расширяется, потенциальный барьер повышается, концентрация неосновных носителей заряда (np и pn) будет меньше равновесной (np0 и pn0).
I
Идеальная
характеристик
Реальная
характеристи
Is
φk U
Рис. 1.3. Вольт-амперная характеристика диода
При приложении прямого смещения носители будут преодолевать понизившийся потенциальный барьер. Электроны за счет диффузии (т.е. из-за разницы концентраций) будут проникать из n-области в p- область, а дырки – из p-области в n-область, концентрация неосновных носителей заряда вблизи ОПЗ будет выше равновесной. Этот процесс называется инжекцией. Распределение концентраций носителей при прямом смещении показано на рисунке 1.4.
Концентрация носителей на границе ОПЗ: |
|
pn хn pno exp U T . |
(1.6) |
np хp npo exp U T . |
(1.7) |
Зависимость распределения концентрации носителей от координаты определяется длиной области. В случае длинной области, превышающей утроенную диффузионную длину 3 Lp неосновных
носителей тока
pn x pn0 pn хn pn0 exp x Lp . |
(1.8) |
6
Рис. 1.4. Распределение концентрации носителей при прямом смещении
В случае короткой области
sh |
W x |
||||||
pn x pn0 pn хn pn0 |
Lp |
. |
(1.9) |
||||
sh |
W |
||||||
Lp |
|||||||
Для расчета концентрации электронов формулы аналогичные.
Если количество инжектированных неосновных носителей заряда много меньше количества основных носителей заряда – это низкий уровень инжекции (НУИ).
Плотность диффузионного тока дырок на границе ОПЗ (x=xn):
qD p p |
n0 |
U |
||||
J p диф = |
e |
Τ 1 . |
(1.10) |
|||
Lp |
||||||
плотность диффузионного тока электронов на границе ОПЗ (x= xp):
qDnn p0 |
U |
|||||
Jn диф = |
e |
T 1 . |
(1.11) |
|||
Ln |
||||||
где Dn и Dp – коэффициенты диффузии электронов и дырок, см2/(В·с);
Dn |
kT |
n T n , |
Dp |
kT |
p T p |
(1.12) |
|||
q |
q |
||||||||
Ln – диффузионная длина электронов в p-области, Lp – диффузионная длина дырок в n-области:
Lp |
Dp p , |
Ln |
Dn n , |
(1.13) |
||
Где τn – время жизни электронов в p-области, τp – время жизни дырок в n-области.
При условии НУИ и отсутствии генерации и рекомбинации носителей заряда в ОПЗ полная плотность тока через диод:
U |
(1.14) |
||
J = Js e |
T 1 . |
||
7