3. Описание лабораторной установки

В лабораторной работе исследуются ВАХ тиристора при различных токах управления.

На рис. 4.4 показана упрощенная принципиальная схема для измерения ВАХ. Весь рабочий интервал напряжений и токов, необходимый для снятия семейства ВАХ тиристора, разбит на три диапазона:

– большие прямые напряжения и малые прямые токи до 1 мА (область 1рис. 4.3);

– большие прямые напряжения и токи анода до 10 мА (области 2и3, рис. 4.3);

– малые прямые напряжения до 2 В и большие прямые токи (область 4, рис. 4.3).

V₁

V₂

ГТ

ГТ

А₁

А₂

I_A

I_У

Рис. 4.4. Схема измерения ВАХ тиристора

Вольт-амперметр измеряет напряжение на аноде тиристора, миллиамперметр– анодный ток. Вольтметри миллиамперметризмеряют напряжение управляющего электрода и тока управления. На переднюю панель выведены регулировки тока ано- даи тока управления.

4. Порядок выполнения работы

1. Снять семейство характеристик тиристора при токах управления = 0, 1, 2, 3 мА.

2. Определить ток отпирания тиристора. Для этого подать на анод 40 В и, постепенно увеличивая ток в цепи управления, зафиксировать момент резкого уменьшения напряжения на аноде тиристора. Соответствующий ток в цепи управления и будет током отпирания.

3. Определить анодный ток удержания. Для этого при напряжении на аноде 40 В увеличением тока управления перевести тиристор в открытое состояние. Уменьшить ток управления до нуля, тиристор при этом останется включенным. Далее следует постепенно увеличивать сопротивление в анодной цепи до резкого увеличения напряжения на аноде. Минимальное значение анодного тока, при котором тиристор еще оставался открытым, и будет током удержания.

5. Вопросы и задания для подготовки к работе

1. Принцип действия тиристора.

2. Конструктивные разновидности тиристоров.

3. Объяснить зависимость коэффициентов передачи тока от тока через структуру.

4. Токи через тиристор при включении в прямом направлении.

5. Токи через тиристор при включении в обратном направлении.

6. Объяснить влияние тока управления на ВАХ тиристора.

7. Пояснить параметры тиристора, определяемые по статическим ВАХ.

8. Чем определяется остаточное напряжение на включенном тиристоре?

9. От каких свойств материала зависит напряжение включения тиристора?

10. Поясните основные статические параметры тиристоров.

Литература

1. Пасынков В.В., Чиркин Л.К. Полупроводниковые приборы. – СПб.: Лань, 2002.

2. Степаненко И.П. Основы теории транзисторов и транзисторных схем. – М.: Энергия, 1977, 1973.

3. Тугов Н.М., Глебов Б.А., Чарыков Н.А. Полупроводниковые приборы. – М.: Энергоатомиздат, 1990.

4. Росадо Л. Физическая электроника и микроэлектроника. – М.: Высш. шк., 1991.

5. Маллер Р., Кеймингс Т. Элементы интегральных схем. – М.: Мир, 1989.

6. Петров К.С. Радиоматериалы, радиокомпоненты и электроника. – СПб.: Питер, 2003.

7. Макаров Е.А., Усольцев Н.В. Твердотельная электроника. – Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2004.

П р и л о ж е н и е

Задачи для подготовки и защиты лабораторных работ

1. Рассчитать контактную разность потенциалов в p–n-пeреходе с концентрацией доноров вn-области 10¹⁵см^–3и концентрацией акцепторов вp-области 10¹⁸см^–3.

Решение:, , .

Контактная разность потенциалов .

=.

Ответ:= 0.713 В.

2. Вычислить максимальную напряженность поля в переходе с концентрацией доноров в n-области 10¹⁵см^–3и концентрацией акцепторов вp-области 10¹⁸см^–3, внешнее обратное напряжение –5 В.

Решение:Максимальная напряженность электрического поля

,

где = 0.713 В из предыдущей задачи,

ширина p–n-перехода,

эффективная концентрацияили,

,

,

.

Ответ:=4.1810⁴В/см.

3. Для p–n-перехода площадью (100100) мкм²с концентрацией доноров вn-области 10¹⁵см^–3и концентрацией акцепторов вp-области 10¹⁸см^–3 рассчитать емкость при внешнем напряжении, равном нулю.

Решение:Емкостьp–n-перехода,

где F – его площадь =;

,

.

Ответ: С = 1.08 пФ.

4. Рассчитать прямое напряжение при токе 1 мА на p–n-переходе с параметрами:

– n-область: концентрация доноров 10¹⁵см^–3, дифффузионная длина дырок 0.3 мм;

– р-область: концентрация акцепторов 210¹⁶см^–3, дифффузионная длина электронов 0.1 мм;

– площадь перехода (20 20) мкм².

Решение: ,

где ;

,,.

Будем считать, что ,,

тогда ,

.

Концентрации неосновных носителей

;

.

Плотность тока насыщения

,

,

.

Ответ:.

5. Как изменится ток через p–n-переход при увеличении прямого напряжения от 0.55 до 0.60 В?

Решение:Поскольку, то можно пренебречь единицей в формулеи тогда отношение токов будет равно

.

Ответ: Ток возрастет в 7,3 раза.

6. Тепловое сопротивление р–n-переход–окружающая среда – 100 С/Вт. Чему будет равна температурар–n-перехода, если в приборе выделяется мощность 0.7 Вт,а температура окружающей среды20С ?

Решение:,,,

.

7. Вычислить генерационно-рекомбинационный ток в р–n-перехо-де при обратном напряжении 10 В с параметрами:

– n-область: концентрация доноров 10¹⁵см^–3, дифффузионная длина дырок 0.3 мм;

– р-область: концентрация акцепторов 2  10¹⁶см^–3, дифффузионная длина электронов 0.1 мм;

– площадь перехода (20 20) мкм².

Решение:,

где ,. Значенияимогут быть взяты из задачи 4.

,,

=,

,

.

Ответ:.

8. Рассчитать обратный ток через контакт алюминий–n-кремний с высотой барьера, площадь перехода (2020) мкм².

Решение: , ,

, где– постоянная Ричардсона,

.

Ответ:.

9. Вычислить напряжение лавинного пробоя в p⁺–n-переходе с концентрацией доноров.

Решение:, гдев эВ,в.

.

Ответ:.

10. Рассчитать коэффициент передачи токакремниевойn–p–n-транзисторной структуры с параметрами:

, ,

, , .

Эмиттер считать однородно легированным, эффективность коллектора принять равной единице.

Решение:Нормальный коэффициент передачиприблизительно равен

,

где ;– время диффузии сквозь базу;

– ширина базы;

– время жизни неосновных носителей в базе;

,– приближенные значения числа (интеграла) Гуммеля для базы и эмиттера;

;

;

;

;

;

.

Ответ:.

11. Рассчитать параметры Т-образной эквивалентной схемы по заданнымh-параметрам в схеме ОБ:

;;

;.

Решение:;

;

;

.

Ответ:

;;

;.

12. Вычислить y-параметры для схем с ОБ и ОЭ по заданнымh-параметрам в схеме с ОБ :

;;

;.

Решение:

– для схемы с ОБ:

,

,

,

;

– для схемы с ОЭ:

,

,

.

13. Рассчитать предельную частоту для транзистора с параметрами,,,при токе эмиттера.

Решение:,

,

,

.

Суммарная задержка

;

.

Ответ:.

14. Вычислить коэффициент обратной связи в биполярном транзисторе на частоте 10 МГц при емкости коллектораи сопротивлении базы.

Решение:

.

Ответ:.

15. Рассчитать крутизну и напряжение отсечки кремниевого полевого транзистора с управляющим р–n-переходом по заданным значениям:

глубина залегания р–n-перехода затвора – 0.9 мкм;

концентрация акцепторов в затворе – ;

толщина n-эпитаксиальной пленки канала – 1.5 мкм;

концентрация доноров в канале – ;

длина канала – 5 мкм;

ширина канала – 50 мкм.

Остальные параметры выбрать самостоятельно.

Решение:

– контактная разность потенциалов;

– напряжение отсечки;

– сопротивление канала;

где ;

– крутизна в пологой области,

где – крутизна при;

– толщина канала;

;

;

;

;

;

;

.

Ответ:;.

16. Рассчитать крутизну и напряжение отсечки арсенид-галлие-вого полевого транзистора с затвором Шоттки с исходными данными :

высота барьера на контакте – 0.8 эВ;

толщина n-эпитаксиальной пленки канала – 0.6 мкм;

концентрация доноров в канале – см^–3;

длина канала – 5 мкм;

ширина канала – 50 мкм.

Остальные параметры выбрать самостоятельно.

Решение: В GaAs при комнатной температуре,,, поэтому

;

.

Так как геометрические размеры канала совпадают с данными предыдущей задачи, то , откуда

.

Ответ:;.

17. Рассчитать крутизну n-канального полевого транзистора с уп-равляющимр–n-переходом при напряжении на затворе, равном нулю и при, если ток стока при, а напряжение отсечки.

Решение:;

.

Ответ: ;.

18. Определить максимальную частоту полевого транзистора смак-симальной крутизнойи емкостью затвора.

Решение:,

.

Ответ: .

19. Вычислить напряжение плоских зон и пороговое напряжение в n-канальном МДП транзисторе по заданным параметрам:

толщина двуокиси кремния под затвором – 0.1 мкм;

относительная диэлектрическая проницаемость – 3.8;

плотность фиксированного в окисле заряда –;

контактная разность потенциалов затвор–подложка – 0.5 В;

концентрация акцепторов в подложке – .

Решение:

;

;

;

;

;

.

Ответ: .

20. Рассчитать ток n-канального МДП транзистора при, если удельная крутизна, коэффициент влияния подложки, а пороговое напряжение.

Решение: Напряжение на стоке, соответствующее границе крутой и пологой областей

;

– так что транзистор – в пологой области ВАХ;

.

.

21. Рассчитать коэффициент прозрачности барьера высотой 1 эВ и толщиной м для электронов с эффективной массой.

Решение: Коэффициент прозрачности барьера, где из;;

,;

;

.

Ответ:.

22. Рассчитать коэффициент прозрачности треугольного барьера, созданного электрическим полем в арсенид-галлиевом p–n-переходе. Напряженность поля в переходе.

Решение:

Коэффициент прозрачности треугольного барьера

, где из,

,

;

,,

,

,

.

Ответ:.

23. Диффузия бора проводилась в течение часа с коэффициентом диффузии в подложкуn-кремния с концентрацией доноров. После диффузии концентрация акцепторов на поверхности составила. Рассчитать глубину залеганияp–n-пе-рехода.

Решение:

.

Ответ:

24. Рассчитать общую поверхностную концентрацию примеси после внедрения электрической дозы однозарядных ионов . Чему будет равна объемная концентрация на поверхности после разгонки этой дозы в течение часа с коэффициентом диффузии?

Решение:

.

Ответ:.

62