ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 30.04.2025
Просмотров: 1127
Скачиваний: 3
СОДЕРЖАНИЕ
© Национальный исследовательский университет мэи, 2013
Предварительное расчетное задание
Предварительное расчетное задание
Предварительное расчетное задание
Предварительное расчетное задание
Предварительное расчетное задание
Предварительное расчетное задание
Основные принципы работы и техническая эксплуатация лабораторного комплекса
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
УДК 621.383
М
Утверждено учебным управлением МЭИ
Подготовлено на кафедре полупроводниковой электроники
Рецензенты: доктор технических наук, профессор А.М. Гуляев.
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, так и свойств оптоэлектронных приборов (фоторезисторов, фототранзисторов, светодиодов).
Методические указания предназначены для обеспечения учебного процесса при многоуровневой подготовке специалистов по укрупненной группы специальностей и направлений подготовки 210100 «Электроника и наноэлектроника», а также для образовательных программам 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. 3 Тираж 200 экз. Изд. № Заказ ____________________________________________________________
Лабораторная работа № 1. Исследование статических вольт-амперных 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 EaEv. 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:
,
.
Произведение
концентраций свободных электронов и
дырок в полупроводнике равно квадрату
собственной концентрации носителей
заряда
.
Из этого соотношения находят концентрациюнеосновных
носителей заряда, т.е. дырок в полупроводнике
n-типа
(
)
и электронов в полупроводникеp-типа
(
).
Удельная
электропроводность полупроводника σ
(
,
где
– удельное сопротивление) прямо
пропорциональна концентрации свободных
носителей заряда и ихподвижности
μ:
, (1.1)
где q – элементарный заряд (q = 1,6∙10–19 Кл).
Для расчета подвижности в германии может быть использована эмпирическая формула:
,
(1.2)
где
‒ суммарная концентрация ионов доноров
и акцепторов, остальные величины являются
эмпирическими постоянными.
Германий (Ge)
|
Носители заряда |
μ1 |
μ2 |
N0, см –3 |
a |
b |
|
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:
,
(1.3)
где
(1.4)
|
Тип п/п материала |
Тип носителей заряда |
|
|
см-3 |
|
|
|
|
Si |
Электроны Дырки |
1414,0 470,5 |
68,5 44,9 |
9,2∙1016 2,2∙1017 |
2,42 2,20 |
0,26 0,36 |
0,71 0,72 |
|
GaAs |
Электроны Дырки |
9400,0 450,0 |
750,0 30,0 |
7∙1016 5∙1017 |
2,3 2,3 |
0,50 0,45 |
0,5 0,5 |
,
см2/(В·с)
,
см2/(В·с)
,
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.
|
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 φk называется контактной разностью потенциалов. Для резкого (ступенчатого) p-n-перехода
, (1.5)
Здесь φT = 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);
и
– 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 φk+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 φk U. Это прямое включение. Если внешнее напряжение будет близко к φk, носители смогут переходить через барьер, и через диод будет течь значительный ток.