2014_4434

Министерство образования и науки Российской Федерации НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

621.38	№ 4434
Ф 503

ФИЗИКА

ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ

ПРИБОРОВ

Методическое руководство к лабораторному практикуму для студентов IV курса РЭФ, обучающихся по направлениям 210100.62 – Электроника и наноэлектроника,

222900.62 – Нанотехнология

НОВОСИБИРСК

2014

1

УДК 621.382:53(076.5) Ф 503

Составители:

доцент С.В. Калинин; доцент Е.А. Макаров;

ассистент А.С. Черкаев Рецензент канд. физ.-мат. наук, доцент Богомолов Б.К.

Работа подготовлена на кафедре полупроводниковых приборов и микроэлектроники

ФИЗИКА ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРИБОРОВ

Методическое руководство

Редактор Л.Н. Ветчакова

Выпускающий редактор И.П. Брованова Компьютерная верстка Л.А. Веселовская

Налоговая льгота – Общероссийский классификатор продукции Издание соответствует коду 95 3000 ОК 005-93 (ОКП)

___________________________________________________________________________________

Подписано в печать 10.12.2014. Формат 60 × 84 1/16. Бумага офсетная. Тираж 100 экз. Уч.-изд. л. 5,34. Печ. л. 5,75. Изд. № 213. Заказ № 54. Цена договорная

___________________________________________________________________________________

Отпечатано в типографии Новосибирского государственного технического университета

630073, г. Новосибирск, пр. К. Маркса, 20

© Hовосибиpский государственный технический университет, 2014

2

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ И УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ

ВАХ – вольт-амперная характеристика ГН – генератор напряжения ГТ – генератор тока БТ – биполярный транзистор ОБ – общая база ОЭ – общий эмиттер

ПТ – полевой транзистор

ПТУП – ПТ с управляющим p–n-переходом

МДП – структура металл – диэлектрик – полупроводник МОПТ – ПТ с МОП-структурой затвора или ПТ с изолированным

затвором ОИ – общий исток

ОПЗ – область пространственного заряда N – концентрация легирующей примеси

n( p)	– концентрация электронов (дырок)
ni	– собственная концентрация электронов
E	– напряженность электрического поля
Eg	– ширина запрещенной зоны
Dn( p)	– коэффициент диффузии электронов (дырок)
n( p)	– время жизни электронов (дырок)
0	– контактная разность потенциалов
I	– ток
U	– напряжение

P– мощность

Q– объемный заряд

R– статическое сопротивление

r – дифференциальное сопротивление

T	– температура
W	– толщина базы

3

ПРЕДИСЛОВИЕ

Лабораторный практикум по дисциплине «Физика полупроводниковых приборов» предназначен для студентов РЭФ, обучающихся по направлениям 210100.62 – Электроника и наноэлектроника и 222900.62 – Нанотехнология. Он включает в себя описание четырех лабораторных работ, посвященных исследованию полупроводниковых диодов, биполярных и полевых транзисторов. В ходе выполнения работ снимаются основные характеристики приборов, определяются и сравниваются с теоретическими и расчетными их параметры.

Практикум выполняется на базе модульного учебного комплекса МУК-ФОЭ1, разработанного кафедрой общей физики НГТУ. В его состав входят два универсальных стенда С3-ЭЛ01 и С3-ТТ02 с наборами необходимых для выполнения работ полупроводниковых элементов, а также два ампервольтметра АВ1-09 и генератор напряжения/тока ГНЗ-01 [8–10].

В отчете по лабораторной работе студент должен представить:

цель и содержание работы;

схемы и методики измерений;

используемые расчетные формулы;

результаты выполненных теоретических расчетов;

таблицы измеренных зависимостей и соответствующие им гра-

фики;

сравнение полученных результатов со справочными или теоретическими данными;

выводы по результатам проделанной работы.

Настоящее издание практикума дополнено обобщающими (ключевыми) вопросами и задачами, предназначенными для контроля остаточных знаний, а также карточками оперативного текущего контроля студентов.

4

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 1

ТЕМПЕРАТУРНАЯ ЗАВИСИМОСТЬ ПАРАМЕТРОВ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ДИОДОВ

1.1. Цель и содержание работы

Цель работы – установление соответствия между реальными и теоретическими температурными характеристиками различных полупроводниковых диодов и их взаимосвязи с параметрами полупроводниковых материалов.

Содержанием работы является исследование зависимости статических ВАХ диодов от температуры окружающей среды. В работе снимаются температурные зависимости обратных токов и прямых напряжений диодов, изготовленных из разных материалов, и определяются параметры их температурных характеристик.

1.2. Температурные зависимости обратных токов

Обратный ток p–n-перехода образуется суммой трех составляющих: тока насыщения Is , тока термогенерации в ОПЗ p–n-перехода Ig

и тока утечки Iут . Соотношение между этими токами для разных по-

лупроводниковых материалов различно. Для кремниевых и арсенидгаллиевых p-n-переходов преобладают токи термогенерации и утечки, а для германиевых основной составляющей может быть ток насыщения. Все упомянутые компоненты обратного тока зависят от температуры, но в разной степени [1, 3–6].

Температурная зависимость токов насыщения Is и термогенерации Ig в основном обусловлена изменением собственной концентрации носителей заряда в полупроводниковом материале:

Eg

n	N	c	N	v	e 2kT ,			(1.1)
i

5

где Nc и Nv – эффективные плотности состояний у дна зоны проводимости и потолка валентной зоны соответственно; Eg – ширина за-

прещенной зоны; k – постоянная Больцмана; T – абсолютная темпера-

тура в кельвинах.

По сравнению с этой сильной экспоненциальной зависимостью температурным изменением других величин, определяющих токи,

можно пренебречь. Для тока насыщения, пропорционального ni2 , на

основе (1.1) можно получить следующее выражение для температурной зависимости:

			I	s	(T ) I		s	(T )e (T T0 ) ,	(1.2)
								0
	где Is (T0 )	– значение	Is при некоторой начальной температуре T0
	(например,	при 300 К);			Eg	– логарифмический температурный
				kT 2
	коэффициент обратного тока.				0

Как видно из приведенной формулы, сильно зависит от выбо-

ра T0 .

Величина тока термогенерации пропорциональна ni , и ее зависимость от температуры также имеет экспоненциальный характер:

I	g	(T ) I	g	(T )e (T T0 ) ,	(1.3)
				0

	где	Eg		.
		2kT02
				2

В табл. 1 приведены рассчитанные теоретические значения логарифмических коэффициентов и для различных полупроводнико-

вых материалов при комнатной температуре. Как видно из таблицы, температурные коэффициенты с увеличением ширины запрещенной зоны растут.

Если построить зависимости (1.2) и (1.3) в логарифмическом масштабе по оси токов, то они будут представлены почти прямыми линиями (рис. 1.1). Некоторая нелинейность будет обусловлена зависимостью коэффициентов и от температуры. Для кремниевых и арсе-

нидгаллиевых p–n-переходов при комнатной температуре ток термогенерации много больше тока насыщения. Но с ростом температуры Is

6

			Таблица 1.1
Логарифмические температурные коэффициенты
для разных материалов при T0 = 293 К
Параметр	Материал		Значение
, 1/град	Ge		0,0892
	Si		0,1514
	GaAs		0,1933
, 1/град	Ge		0,0446
	Si		0,0757
	GaAs		0,0967

Рис. 1.1. Температурные зависимости составляющих обратного тока в полулогарифмическом масштабе

увеличивается быстрее ( 2 ), и при некоторой температуре T* их величины станут равны, а далее преобладающим будет ток насыщения.

Температура T* может быть определена по формуле

T* T		2	ln	Ig (T0)			.	(1.4)
0				I	s	(T
						0)

Ток утечки зависит от температуры сравнительно слабо.

7

1.3. Зависимость прямого напряжения от температуры

Прямое напряжение при фиксированном прямом токе I с ростом температуры уменьшается [1, 3–6]. Будем считать, что выбранная рабочая точка находится на участке преобладания тока инжекции. Используя выражения для ВАХ идеального диода, получим

			I			I
	U (T ) kT ln			1	kT ln		.	(1.5)
			Is (T )			Is (T )
	q				q

Множитель kTq растет с ростом температуры, но преобладающим

и определяющим в данной зависимости является экспоненциальный рост тока насыщения.

Рис. 1.2. Вольт-амперные характеристики

диода при различных температурах

8

Подстановка (1.2) в (1.5) приводит к линейному уменьшению U (T ):

U (T ) kT ln	I		Eg	(T T	) U (T	) (T T ) , (1.6)
q	Is (T0 )		0		0	0
			qT0

где – температурный коэффициент напряжения (ТКН).

	Величину		1		Eg		U (T )		0	(см. рис. 1.2) можно определить
			T			q
							0
		0
	по наклону прямой,					аппроксимирующей экспериментальную зависи-
	мость U(Т).									различны и составляют примерно
	Для кремния и германия ТКН

3 и 2 мВ/град соответственно.

Линейное уменьшение прямого напряжения с ростом температуры характерно для идеализированного p–n-перехода.

У реальных диодов при увеличении прямого тока I температурный коэффициент медленно уменьшается, а затем меняет знак, т. е. ста-

новится отрицательным. Это объясняется влиянием сопротивления базы, увеличивающегося с ростом температуры. Роль изменения сопротивления базы становится определяющей на омическом участке характеристики, т. е. при достаточно больших токах [14].

1.4. Тепловое сопротивление диода

Кроме параметров, связанных с ВАХ, в справочниках обычно приводятся параметры, знание которых необходимо для выбора надежных

режимов работы диодов: мощность, выделяемая на переходе Ppn ; теп-

ловое сопротивление RТ , характеризующее конструкцию и условия охлаждения диода; предельные температуры рабочего диапазона Tmin

и Tmax [1,3–6,14].

Температура p–n-перехода Tpn	всегда выше,	чем	температура
окружающей среды T0 , и зависит от величины мощности, рассеивае-
мой переходом Ppn :
Tpn T0	RT Ppn ,		(1.7)
где Ppn есть произведение тока,	протекающего	через	переход, на
напряжение: Ppn IU .
9

Величина RТ составляет 1…10 град/Вт для мощных диодов и бо-

лее 100 град/Вт для маломощных. Тепловое сопротивление точечных диодов выше, чем плоскостных, так как теплоотвод от p–n-перехода малого размера затруднен. Поэтому температура точечного p–n-пе- рехода с ростом обратного напряжения возрастает гораздо быстрее, чем плоскостного, что приводит к более сильной зависимости обратного тока от напряжения.

Максимальная рабочая температура окружающей среды для большинства германиевых диодов составляет 55…70 °С и 85…125 °С – для кремниевых. Минимальная рабочая температура как для германиевых, так и для кремниевых диодов составляет –60 °С.

1.5.Описание лабораторной установки

исхемы исследования

Вольт-амперные характеристики диодов измеряются с помощью модульного учебного комплекса МУК-ФОЭ1 (см. приложение 1). Для выполнения данной лабораторной работы необходимо воспользоваться универсальным стендом СЗ-ТТ02, описание которого дано в приложении 1. Набор исследуемых полупроводниковых диодов состоит из

VD1 – Д310, VD2 – КД223, VD3 – АЛ307 (см. приложение 2).

Лабораторная установка позволяет реализовать две схемы измерения параметров ВАХ: для прямой ветви (рис. 1.3, а) и для обратной

(рис. 1.3, б).

При снятии прямой ветви через исследуемый диод пропускается ток Iпр , задаваемый генератором тока (ГТ). Величина тока контроли-

руется миллиамперметром. Вольтметр, измеряющий прямое напряжение на диоде, подключается непосредственно к нему. При снятии обратной ветви ВАХ генератором напряжения (ГН) задается обратное

напряжение, а измеряется обратный ток Iобр , причем измеряющий его

микроамперметр включается с диодом последовательно до вольтметра. В этом случае такое включение микроамперметра объясняется тем, что ток, протекающий через вольтметр, соизмерим по величине с обратным током диода.

Для ограничения резкого изменения тока в цепи последовательно с источниками включен резистор R. Схемы собираются соединительными проводами в состоянии с выключенными источниками питания, и только после их проверки преподавателем студент может включить их и приступить к выполнению работы.

10