41

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО СВЯЗИ

Федеральное государственное образовательное бюджетное учреждение

высшего профессионального образования

МОСКОВСКИЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ СВЯЗИ И ИНФОРМАТИКИ

Кафедра электроники

ПРАКТИКУМ № 1

по курсу

Физические основы электроники

Москва 2015

План УМД на 2014/2015 уч. г.

ПРАКТИКУМ № 1

по курсу

ЭЛЕКТРОНИКА

Составители: В.П. Власов, к.т.н., доцент,

В.Н. Каравашкина, к.т.н., доцент

утверждено советом факультета. . . . . . . . . . .

протокол № от

Рецензент Г.С. Берендеева

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №1

ИССЛЕДОВАНИЕ ИДЕАЛИЗИРОВАННОГО Р-N ПЕРЕХОДА

1. Цель работы

Целью настоящей работы является определение основных характеристик идеализированного р-n перехода. Исходными данными являются параметры конструкции: тип полупроводника, концентрация примесей, площадь р-n перехода. Определяются следующие характеристики идеализированного р-n перехода в отсутствие внешнего напряжения:

– контактная разность потенциалов;

– толщина;

– тепловой ток (ток насыщения);

– напряжение и тип пробоя;

– барьерная ёмкость.

2. Краткие теоретические сведения

P-n переход является одним из самых распространенных видов контактов, используемых в электронике. Его главным свойством является односторонняя проводимость, т.е. способность хорошо проводить ток только при одной полярности приложенного напряжения (прямое напряжение). При обратном напряжении ток на несколько порядков меньше.

В идеальном случае p-n переход представляет собой контакт однородных полупроводников p и n типа. Как правило, одна из областей имеет намного более высокую концентрацию донорной примеси N_д или акцепторной примеси N_а. Такие переходы называют асимметричными, их сильнолегированную область – эмиттером, слаболегированную – базой. Сильнолегированную область обозначают n⁺ или p⁺ :

N_д>>N_а N_а>>N_д

база эмиттер эмиттер база

p n⁺ p⁺ n

На границе p и n областей существуют значительные градиенты концентрации свободных электронов и дырок dn/dx и dp/dx. Поэтому в p-n переходе даже в отсутствие внешнего напряжения происходит диффузия основных носителей в смежную область, т.е. наблюдается диффузионный ток основных носителей. Переход основных носителей в смежную область, где они становятся неосновными, приводит к рекомбинации и, поэтому, к уменьшению концентрации основных носителей. В результате в приграничных областях концентрация свободных электронов и дырок низкая, образуется обедненный слой. Заряды ионов примесей в нём остаются нескомпенсированными. Нескомпенсированные ионы примесей в приграничных областях являются здесь наиболее количественно значимыми зарядами. Эти заряды создают собственное электрическое поле p-n перехода.

Собственное электрическое поле p-n перехода – тормозящее для диффундирующих основных носителей (образует потенциальный барьер). Это же поле вызывает встречный дрейф неосновных носителей, т.е. встречный дрейфовый ток. Возникает устойчивое равновесие диффузионного и дрейфового токов, в результате чего тока во внешней цепи нет. Выравнивания концентраций, как это было бы, например, при диффузии газов, не происходит.

Собственное электрическое поле p-n перехода характеризуют контактной разностью потенциалов _k0. В идеализированном p-n переходе

N_AN_Д

_{k0 =} _T ln ––––– , (1)

n_i²

где _T – термический потенциал, N_A, N_Д – концентрации примесей, – собственная концентрация:

, (2)

где N_C, N_V – эффективные плотности состояний, _З – ширина запрещенной зоны.

Величина_k0примерно соответствует U_пр, при котором электрическое поле перехода исчезает и перестает препятствовать протеканию большого диффузионного тока (прямого тока I_пр). Типичные значения_k0= 0,3 ... 1,5 В.

Протяженность приграничных областей с нескомпенсированными ионами примесей называют толщиной p-n перехода w. Для идеализированного p-n перехода

(3)

где εε₀ – диэлектрическая проницаемость полупроводника, q – элементарный электрический заряд.

От толщины р-n перехода зависит напряженность поля при обратном напряжении E  U_обр/w. Если напряженность превышает критическую E_кр, возникает пробой. Поэтому толщина p-n перехода определяет напряжение пробоя, для увеличения которого одну из областей – базу делают слаболегированной. Типичные значения w = 0,1...2 мкм.

Анализ процессов в идеализированном p-n переходе приводит к так называемой формуле Шокли или теоретической ВАХ:

(4)

где I₀ – тепловой ток (ток насыщения), I и U – ток и напряжение перехода. Величина I₀ определяет величины I_пр и I_обр не только идеализированного, но и в значительной степени реального p-n перехода. Для идеализированного p-n перехода

, (5)

где D – коэффициент диффузии, S – площадь p-n перехода, L – диффузионная длина, N_б – концентрация примеси в базе. Значения I₀ изменяются в больших пределах в зависимости от типа полупроводника, площади, особенностей изготовления и температуры p-n перехода.

В зависимости от толщины p-n перехода в нём возникает лавинный или, в очень тонких p-n переходах, туннельный пробой. Напряжение лавинного пробоя U_проб.л можно рассчитать по приближенной формуле:

(6)

Напряжение туннельного пробоя U_проб.т определяется выражением:

(7)

Возникает тот пробой, напряжение которого меньше. При U_проб.л  U_проб.т характер пробоя – смешанный.

Р-n перехода обладает ёмкостью, т.е. способностью накапливать заряды. Поэтому при изменении внешнего напряжения возникают переходные процессы заряда или разряда этой ёмкости. В результате возникает задержка в процессе установления напряжения и тока, в частности, при отпирании или запирании перехода. Эта задержка определяет быстродействие отдельных элементов и интегральных схем с p-n переходами. Например, при отпирании перехода происходит разряд барьерной ёмкости C_б, от величины которой зависит длительность процесса отпирания. Аналогично проявляет себя диффузионная ёмкость.

Для идеализированного p-n перехода в отсутствие напряжения барьерная ёмкость определяется соотношением

(8)

где S – площадь перехода.

Характеристики реальных p-n переходов оказываются несколько иными из-за влияния сопротивления и неоднородности областей, неидеальности структуры и поверхности полупроводника и других факторов, не учитываемых в идеализированном p-n переходе. Реальные переходы отличаются также намного более сложным влиянием температуры, чем это учитывается в приведённых выше соотношениях. Поэтому исследование реальных p-n переходов является предметом других лабораторных работ.