Лабник тверд эл

1.Титульный лист с названием работы, ф.и.о. студента и номер группы;

2.Расчет предварительного задания;

3.Схема измерения;

4.Таблицы экспериментальных данных и графики ВАХ диодов.

5.Результаты анализа результатов.

Контрольные вопросы

1.Какие заряды образуют ОПЗ?

2.От каких параметров полупроводникового диода зависит величина контактной разности потенциалов?

3.Что происходит с величиной потенциального барьера при подаче на р-n-переход прямого и обратного напряжений?

4.Нарисуйте и объясните зависимости распределения концентрации носителей от координаты при прямом и обратном смещении.

5.Нарисуйте и объясните ВАХ диодов.

11

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:

								Eg Т
n	N	c	Т N	v	Т exp				,	(2.1)
i								2kT

где Eg – ширина запрещенной зоны (Eg=Eс –Ev). Она зависит от

температуры:
Eg Eg 0 T.	(2.2)

Для Si Eg0=1,17 эВ, a=-3,9∙10-4 эВ/К, для Ge Eg0=0,785 эВ, a=-3,7∙10-4 эВ/К, для GaAs Eg0=1,52 эВ, a=-4,3∙10-4 эВ/К.

Это приводит к росту тока насыщения (рис 2.1),

q Dn T np T

q Dp T pn T

D

T

Dp T

js

jsn jsp

q ni2 T

n

.

(2.3)

L

T

L

T

L T p

L

T n

p

p

p

n

n

n

Рис. 2.1. Изменение ВАХ при повышении температуры

Таким образом, для расчета ВАХ при температуре Т необходимо рассчитать значение тока насыщения и сопротивления базы диода. Для этого необходимо рассчитать значения концентраций неосновных носителей заряда и подвижности носителей при заданной температуре. Температурная зависимость концентрации свободных носителей заряда n в полупроводнике легированном донорной примесью с концентрацией Nd показана на рисунке 2.2.

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

12

Рис. 2.2. Температурная зависимость концентрации свободных носителей заряда

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).

n0

Nс Nd

1 2

exp

Ec

Ed

kT ,

(2.4)

p0

N N f

1 2

exp

Ea

Ev

kT .

(2.5)

где Nd, Na –

концентрация

легирующей примеси;

Nc, Nv –

эффективная плотность квантовых состояний (количество разрешенных уровней в единице объема материала) в зоне

проводимости и в валентной зоне соответственно,		.
Для Si	Nc=2,7∙1019 (T/300) 3/2, Nv=1,05∙1019 (T/300) 3/2,
для Ge	Nc=1,04∙1019 (T/300) 3/2, Nv=6,1∙1019 (T/300) 3/2.

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

При домашней подготовке необходимо ознакомиться с температурными зависимостями в диодах.

Предварительное расчетное задание

1.Провести расчет υk, Is и rб 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.

13

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 υk.

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

Указания к отчету

Отчет должен содержать:

1.Титульный лист с названием работы, ф.и.о. студента и номер группы;

2.Расчет предварительного задания;

3.Схема измерения;

4.Таблицы экспериментальных данных и графики ВАХ диодов.

5.Результаты анализа результатов измерений.

Контрольные вопросы

1.Объясните зависимость от температуры концентрации носителей

иположения уровня Ферми.

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

3.Объясните электропроводность полупроводников и ее

зависимость от температуры. Определение Eg и	по температурным
зависимостям электропроводности.

4.Какие параметры диода изменяются при повышении температуры?

5.Нарисовать схему и объяснить способ снятия ВАХ диодов с помощью амперметра и вольтметра.

6.Дать определение дифференциального сопротивления диода и объяснить графически способ его определения.

14

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 биполярных 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.

+	n-область		p-область	–
	ОПЗ	ОПЗ
	эмиттер	база	коллектор
				Ec
				EF
Ec		Uкб		EV
EF		Uэб
Ev	инжекция	экстракция
		дырок
	дырок

Рис. 3.1. Биполярный p-n-p-транзистор в активном режиме

Рис. 3.2. Условное обозначение биполярного транзистора

Биполярный транзистор состоит из трех областей чередующегося типа электропроводности (рис. 3.1), которые образуют два p-n- перехода, расположенных в непосредственной близости один от другого. В зависимости от порядка расположения областей различают

15

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 Iэp, инжектируемых в базу, практически равен полному току эмиттера Iэ. Эффективность эмиттера характеризуется коэффициентом инжекции I pЭ IЭ , 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 Lp, 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 æ I pК I pЭ , где I pК – ток

дырок, достигающих границы ОПЗ коллекторного перехода. Значение æ в транзисторе с малым отношением w/Lp близко к единице.

При токе эмиттера I Э 0 через коллекторный переход протекает

обратный ток, обусловленный приложенным к нему обратным
напряжением, как в изолированном p-n-переходе, IК IK 0 exp UКБ	Т 1
, где IK 0 – обратный ток насыщения коллекторного перехода,	U КБ –

напряжение, приложенное к коллектору. Учитывая, что управляемая эмиттером составляющая тока коллектора равна γ æ Iэ, полный ток коллектора:

IК N IЭ IK 0 exp UКБ Т 1 ,	(3.1)
где αN γ æ – 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, он является общим для входной и выходной цепей), с

общим эмиттером и общим коллектором. Схемы включения транзистора показаны на рисунке 3.3.

16

+Епит

+Епит

+Епит

+

Iк

Uвх

Iк

Iк

–

Iэ

Uвых

IБ

–

IБ

Uвх

Uвых

+

Uвых

Iэ

Iб

Uвх

+

–

Iэ

ОБ

ОЭ

ОК

Рис. 3.3. Схемы включения транзистора

Зависимостью IК UКБ

при

постоянном Iэ определяется семейство

выходных ВАХ (рис. 3.4,а) транзистора с общей базой. Семейство входных ВАХ (рис. 3.4,б) транзистора с ОБ представляет собой зависимость IЭ UЭБ , параметром семейства является U КБ .

Iк		Uкб<0
	Iэ4	Iэ
	Iэ3	Uкб=0
активный режим	Iэ2	Uкб>0
	Iэ1
насыщени
е	Iэ=0
отсечка	-Uкб	Uэб
а)		б)

Рис. 3.4. Выходные и входные ВАХ p-n-p-транзистора с ОБ

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 IK 0 .

Физические процессы в биполярном транзисторе можно описать системой уравнений:

I Э0

U Э

I I К 0

U К

(3.2

I

Э

exp

1

exp

1 ,

1

N

I

T

1 N I

Т

)

17

N

I Э0

U Э

I K 0

U К

(3.3

I

К

exp

1

exp

1 ,

1 N I

T

1 N I

Т

)

I Э0 1 N

U Э

I K 0 1 I

U

К

(3.4

I

Б

I

Э

I

К

exp

1

exp

1 ,

1 N I

T

1 N

I

Т

)

где N – нормальный коэффициент передачи тока, I – инверсный коэффициент передачи тока, IЭ0 и IK 0 токи насыщения эмиттерного и коллекторного p-n-переходов Iэ0 = Sэ (jэ ps+ jэ ns), Iк0 = Sк (jк ps+ jк ns).

Коэффициент передачи тока эмиттера является важнейшим параметром транзистора. В p-n-p-транзисторе:

dI

N dI К

Э

dI

I dI Э

К

1

1

DnЭ n p0Э LpБ

DpБ pn0Б LnЭ

DnК n p0К LpБ

DpБ pn0Б LnК

W

1

W

1

D

nЭ

N

Б

W

1

th

ch

1

,

DpБ N Э

LpБ

LpБ

LnЭ

W

1

W

1

D

nК

N

Б

W

1

th

ch

1

,

LpБ

DpБ N К

LpБ

LnК

(3.5)

(3.6)

где Nб, Nэ, Nк – концентрации легирующей примеси в базе, эмиттере, коллекторе, Sэ и Sк – площади эмиттера и площадь коллектора.

Группа уравнений (3.2) - (3.4) и соответствующая электрическая модель (рис 3.5) называются моделью Эберса-Молла. Для более полного представления свойств транзистора модель дополнена омическими сопротивлениями квазиэлектронейтральных областей эмиттера, базы и коллектора.

Рис. 3.5. Эквивалентная схема модели Эберса-Молла для p-n-p- транзистора

В активном режиме работы транзистора коллекторный переход обратно смещен, IК IK 0 exp UКБ Т 1 → Iк0. Это обратный ток p-n- перехода, он очень мал, им можно пренебречь (считаем, что ток I2 на

18

рис 3.5 равен нулю). Тогда IЭ IЭ0 exp UЭБ Т 1 это ток прямо смещенного эмиттерного перехода (I1 на рис 3.5), а ток коллектора равен IК N IЭ0 exp UЭБ Т 1 (ток источника αN ∙I1).

При повышенном обратном напряжении на ОПЗ коллектора электроны могут вызвать ударную ионизацию носителей заряда, произойдет лавинное умножение носителей, все токи, пересекающие переход, увеличатся в M раз (M – коэффициент лавинного умножения). Лавинное умножение может приводить к нестабильной работе транзистора, поэтому при усилении электрических сигналов такой режим не используют. Задают такое U К , что M ≈ 1.

Для	транзистора с ОБ	коэффициент		усиления	по току
Iвых /ΔIвх = αN < 1, т.е. усиления тока не происходит. Однако транзистор
с ОБ	позволяет получить	большое	усиление по		напряжению
(ΔUвых /ΔUвх). Коэффициент		усиления	по	мощности	(ΔPвых /ΔPвх)

транзистора с ОБ может быть заметно больше единицы. Выходное дифференциальное сопротивление транзистора в пологой области велико, входное дифференциальное сопротивление транзистора, определяемое по входной ВАХ прямосмещенного эмиттерного перехода, значительно меньше выходного.

При домашней подготовке необходимо ознакомиться с принципом работы биполярного транзистора.

Предварительное расчетное задание

1.Провести расчет основных параметров транзистора: N , I , Iэ0,

Iк0.

2. Рассчитать входную ВАХ при обратном смещении на коллекторном переходе и выходные ВАХ при IЭ = 0; 2 мА; 10 мА.

Данные к расчету

Тип транзистора p-n-p, материал – кремний для нечетных вариантов и германий для четных вариантов.

	Концентрация атомов примеси	Nаэ= ((Nж +1)/2)∙1018 см –3
	в эмиттере
	Концентрация атомов примеси	Ndб=Nж∙1015 см –3 ,
		где Nж – номер фамилии
	в базе
		студента в журнале группы.
	Концентрация атомов примеси	Nак=5∙1017 см –3
	в коллекторе
	Протяженность (длина) базы	Wб=1 мкм
	Площади р-n-переходов	S=10000 мкм2

19

	Время жизни дырок в базе	τрб=	с
	Время жизни электронов в	τnэ=	– с
	эмиттере
	Время жизни электронов в	τnк=5∙	с
	коллекторе

Рабочее задание

1.Запишите в рабочий журнал тип транзистора и материал, из которого он сделан.

2.Измерьте и постройте входные вольт-амперные характеристики транзистора при U КБ =0; U КБ <0; U КБ >0.

3.Измерьте и постройте выходные вольт-амперные характеристики транзистора при IЭ =0; при нескольких (не менее трех-пяти) значениях

тока эмиттера.

4. Для инверсного включения выполните измерения и постройте входные и выходные характеристики.

Анализ результатов измерений

1.	Построить	зависимость	входного	сопротивления	транзистора
rвх = ∆Uэб / ∆Iэ от напряжения UЭБ и тока IЭ				(в активном режиме).
2.	Построить	зависимость выходного		сопротивления	транзистора
rвых = ∆U КБ /∆Iк от напряжения			U КБ (при	различных значениях тока
эмиттера).
3.	Постройте зависимость коэффициента передачи тока N					от тока
эмиттера при фиксированном			значении	U КБ (|U КБ | > 3 В), а		так же

зависимость коэффициента инверсной передачи тока I от тока коллектора при фиксированном значении UЭБ (|UЭБ | > 3 В).

Указания к отчету

Отчет должен содержать:

1.Титульный лист с названием работы, ф.и.о. студента и номер группы;

2.Расчет предварительного задания;

3.Схема измерения;

4.Таблицы экспериментальных данных и графики ВАХ.

5.Результаты анализа результатов измерений.

Контрольные вопросы

1. Какими носителями образован ток эмиттера транзистора типа p - n -

p?

2. Какими носителями образован ток базы транзистора типа p - n - p?

20