- •Полупроводниковые приборы
- •Содержание
- •Введение
- •1. Исследование выпрямительных диодов и степени их соответствия техническим условиям
- •Справочные данные на диоды
- •2Д213а, 2д213б, 2д213в, 2д213г, кд213а, кд213б, кд213в, кд213г
- •Электрические параметры
- •Предельные эксплуатационные данные
- •Д311, д311а, д311б
- •Предельные эксплуатационные данные
- •2. Исследование характеристик кремниевого стабилитрона и их анализ
- •Справочные данные на стабилитроны д814а, д814б, д814в, д814г, д814д
- •Электрические параметры
- •Предельные эксплуатационные данные
- •3. Исследование биполярного транзистора в схеме с общим эмиттером
- •Справочные данные транзисторов кт315 и кт361 кт315а, кт315б, кт315в, кт315г, кт315д, кт315е, кт315к, кт315и
- •Электрические параметры
- •Предельные эксплуатационные данные
- •Транзисторы кт361а, кт361б, кт361в, кт361г, ктз61е
- •Электрические параметры
- •Предельные эксплуатационные данные
- •4. Исследование биполярного транзистора в схеме с общей базой
- •5. Определение малосигнальных и физических параметров биполярных транзисторов и составление эквивалентных схем замещения.
- •6. Исследование полевого транзистора с управляющимp-n-переходом
- •2Пзоза, 2пзозб, 2пзозв, 2пзозг, 2пз03д, 2пзозе, 2пзози, кпзоза, кпзозб, кпзозв, кпзозг, кпзозд, кпзозе, кпзозж, кпзози
- •Электрические параметры
- •Предельные эксплуатационные данные
- •7. Исследование полевого транзистора с изолированным затвором.
- •8. Исследование импульсных свойств p-n-перехода
- •81. Цель работы
- •8.2. Программа работы
- •8.3. Динамические процессы в р-n-переходе
- •8.4. Описание лабораторной установки
- •8.5. Указания к выполнению работы
- •8.6. Содержание отчета
- •8.7. Вопросы для самоконтроля
- •8.8. Рекомендованная литература
- •9.4. Описание лабораторной установки
- •9.5. Указания к выполнению работы
- •9.6. Содержание отчета
- •9.7. Вопросы для самоконтроля
- •9.8. Рекомендованная литература
- •10. Исследование вольтамперных характеристик полупроводниковых оптопар
- •10.1. Цель работы
- •10.2. Программа работы
- •10.3. Краткие теоретические сведения
- •10.4. Описание лабораторной установки
- •4.5. Указания к выполнению работы
- •4.6. Содержание отчета
- •4.7. Вопросы для самоконтроля
- •4.8. Рекомендованная литература
- •Приложение 1. Описание лабораторного стенда 87л-01 «Луч»
- •Приложение 2. Рекомендации по работе с измерительными приборами
8. Исследование импульсных свойств p-n-перехода
81. Цель работы
Целью работы является исследование переходных процессов в р-n-переходе при скачкообразном изменении приложенного к нему внешнего напряжения, определение времени жизни неосновных носителей и контактной разности потенциалов.
8.2. Программа работы
8.2.1. Ознакомиться с теорией и методом исследования переходных процессов в р-n-переходе, схемой лабораторной установки, назначением переключателей и измерительных приборов.
8.2.2. Исследовать переходные процессы в р-n-переходе при его включении и выключении путём скачкообразной подачи и снятия прямого напряжения.
8.2.3. Исследовать переходные процессы в р-n-переходе при его выключении путём подачи скачком обратного напряжения.
8.2.4. Обработкой полученных временных диаграмм рассчитать время жизни неосновных носителей в базе диода.
8.2.5. Экспериментально определить контактную разность потенциалов р-nперехода.
8.3. Динамические процессы в р-n-переходе
8.3.1. Емкость р-n-перехода
Инжекция неосновных носителей заряда в случае приложения к р-n-переходу прямого напряжения и экстракция неосновных носителей заряда в случае приложения к переходу обратного напряжения приводят к изменению по сравнению с равновесными концентраций носителей заряда вблизи перехода. Изменение величины приложенного внешнего напряжения вызывает изменение распределения избыточных носителей вблизи перехода, а следовательно, величины суммарного объёмного заряда. Это явление напоминает процессы в обычном конденсаторе, в котором изменение напряжения, приложенного к обкладкам, вызывает изменение накопленного заряда по закону ∆q=С∆U. Поэтому принято считать, что р-n-переход обладает емкостными свойствами или просто ёмкостью. Емкость р-n-перехода оказывает чрезвычайно важное влияние на его импульсные свойства.
Емкостные свойства р-n-перехода различны при прямом и обратном смещениях. Так, при прямом смещении они обусловлены главным образом накоплением избыточных концентраций неосновных носителей заряда в р- иn-областях и характеризуются так называемойдиффузионной емкостью, которая определяется выражением
, (8.1)
где S– площадь р-n-перехода;pn,np– равновесные концентрации дырок вn-области и электронов в р-области;Lp,Le– диффузионные длины дырок вn-области и электронов в р-области;U– внешнее напряжение, приложенное к р-nпереходу; Т – температура полупроводника;k– постоянная Больцмана; е – заряд электрона.
Из уравнения (2.1) видно, что с увеличением прямого напряжения (U>0) диффузионная ёмкость р-n-перехода быстро возрастает. При обратном смещении (U<0) диффузионная ёмкость уменьшается, и при достаточно большой величине обратного напряжения ее можно считать равной нулю.
При обратном смещении емкостные свойства р-n-перехода обусловлены образованием областей объемных зарядов ионизированных примесных атомов и характеризуются так называемойбарьерной ёмкостью, которая для резкого р-n-перехода определяется выражением
, (8.2)
гдеNa,Nд– концентрации атомов акцепторной примеси в р-области и донорной примеси вn-области, соответственно;UK– контактная разность потенциалов р-nперехода;- относительная диэлектрическая проницаемость полупроводника;0– электрическая постоянная.
Из выражения (2.2) следует, что барьерная ёмкость тем больше, чем выше концентрации примесей в полупроводнике и чем меньше напряжение, приложенное к переходу. Учитывать барьерную ёмкость особенно важно при достаточно больших обратных смещениях р-nперехода, так как диффузионная емкость при этом практически равна нулю. При прямом смещении барьерная емкость значительно меньше диффузионной.
Для анализа динамических процессов в р-n-переходе пользуются его эквивалентной схемой замещения, представленной на рис.2.1. Схема содержит два конденсатора Сбари Сдиф, отражающих барьерную и диффузионную ёмкости р-n-перехода, а также два резистораRdиRб. Первый из них отражает электропроводность области объёмных зарядов р-nперехода, а второй – электропроводность р- иn- областей полупроводника, носящих название базы. Характерно, что все элементы в схеме на рис.2.1 являются нелинейными, их параметры зависят от величины и знака приложенного напряженияUд.
Зависимости Сбари Сдифот напряжения рассмотрены выше. СопротивлениеRdпри большом обратном напряжении велико, т.к. в области объёмных зарядов практически отсутствуют подвижные носители. При подаче на р-n-переход прямого напряжения область объёмных зарядов, во - первых, сужается, а во - вторых, обогащается подвижными носителями, что приводит к резкому снижению величиныRd.
Сопротивление Rбзависит от приложенного напряжения слабее, чемRd. Тем не менее при обратном смещении оно больше из-за экстракции неосновных носителей, а при прямом смещении оно меньше из-за инжекции неосновных носителей в р- иn-области полупроводника.
8.3.2. Переходные процессы в р-n-переходе при подаче прямого напряжения
Рассмотрим переходные процессы в р-n-переходе на примере полупроводникового диода, включенного по схеме, приведённой на рис.2.2. Условимся также, что параметры схемы таковы, что при подаче напряжения Е положительной полярности величина токаIв цепи не зависит от процессов, происходящих в диоде. Это возможно в том случае, если сопротивлениеRвнешней по отношению к диоду цепи значительно больше суммарного сопротивления диода.
Наглядное представление о характере происходящих при подаче прямого напряжения переходных процессов дают временные диаграммы напряжений и токов, приведённые на рис.2.3. Проанализируем их.
Прямое напряжение складывается из напряжения на p-nпереходе и напряжения на базе (Uд=U+Uб). При подаче на вход схемы скачком напряжения Е(t) положительной полярности (рис.2.3,а) ток через диод также скачком нарастает до величиныI+=E/R(рис.2.3,б).
В начальный момент времени полное падение напряжения на диоде Uд(рис.2.3,д) равно падению напряженияUбна сопротивлении базыRб(рис.2.3,г) и определяется величиной токаI+
Uд ( 0 ) = Uб ( 0 ) = U1 = RбI+ (2.3)
Напряжение Uна р-n-переходе (рис.2.3,в) при этом равно нулю, т.к. он шунтирован ёмкостью, напряжение на которой, как следует из второго закона коммутации, не может измениться скачком.
По мере диффузии неосновных носителей заряда в базу её сопротивление уменьшается, а следовательно, уменьшается и падение напряжения на ней (рис.2.3,г). В то же время напряжение на р-n-переходе возрастает, так как ёмкость р-n-перехода заряжается. Полное падение напряжения на диоде определяется суммой напряженийUбиUи изменяется по закону, показанному на рис.2.3,д.
Если величина тока I+невелика, то уровень инжекции неосновных носителей заряда в р-n-переходе низок, а сопротивление базыRбизменяется незначительно. Диаграмма напряженияUбв этом случае практически повторяет диаграмму токаI(рис.2.3,б), а на диаграмме суммарного напряжения на диодеUдотсутствует первоначальный пикU1, как это показано на рис.2.3,д пунктиром. При больших значениях токаI+наблюдается режим с высоким уровнем инжекции неосновных носителей, который сопровождается бóльшим изменением напряжения на базе (см. рис.2.3,г), при этом на диаграмме напряженияUдпоявляется характерный пик.
2.3.3. Переходные процессы в р-n-переходе при выключении диода
Выключение диода может быть достигнуто либо уменьшением входного напряжения до нуля, либо подачей входного напряжения обратной полярности. Рассмотрим вначале переходные процессы, возникающие в р-n-переходе при снятии скачком входного напряжения. Временные диаграммы этих процессов также представлены на рис.2.3.
В момент tu(рис.2.3,а), когда входное напряжение Е скачком уменьшается до нуля, также скачком уменьшаются до нуля ток диодаI(рис.2.3,б) и падение напряженияUбна сопротивлении базы (рис.2.3,г). В то же время напряжениеUна р-n-переходе скачком измениться не может, так как не могут измениться скачком концентрации неосновных носителей заряда в р- иn-областях. Накопленные вблизи границ р-n-перехода избыточные неосновные носители заряда постепенно рассасываются путём диффузии вглубь базы и рекомбинации там с основными носителями. Ёмкость р-nперехода постепенно разряжается и напряжение на переходе падает (рис.2.3,в). Полное падение напряжения на диоде (рис.2.3,д) при этом равняется падению напряжения на р-n-переходе.
Анализ показывает, что описанный выше процесс снижения напряжения на p-n-переходе подчиняется приближённому закону
(8.4)
где U3– напряжение на р-nпереходе в момент снятия внешнего напряжения (рис.2.3,в); τр– время жизни неосновных носителей заряда в полупроводнике.
Из уравнения (2.4) следует, что напряжение на р-nпереходе уменьшается практически линейно. Это обстоятельство используют для экспериментального определения времени жизни неосновных носителей заряда в базе диода. Величинаропределяется по наклону линейного участкаU(t) по формуле:
(8.5)
где tиUпоказаны на рис.2.3,д.
Следует отметить, что время жизни неосновных носителей заряда зависит от уровня инжекции, которая определяется величиной напряжения Е, приложенного к р-n-переходу. Измерение напряженияU3на р-n-переходе, которое часто называют послеинжекционным, в зависимости от величины прямого тока через диод позволяет найти контактную разность потенциалов на р-n-переходе. С увеличением амплитуды импульсов прямого тока величинаU3стремится к постоянному значению, приближающемуся к контактной разности потенциаловUk.
Рассмотрим теперь переходные процессы, возникающие в р-n-переходе при подаче скачком напряжения обратной полярности. Временные диаграммы, иллюстрирующие рассматриваемый случай, представлены на рис.2.4.
В момент t0входное напряжение скачком изменяется от положительного значения Е+до отрицательного значения Е-(рис.2.4,а). Поскольку концентрация неосновных носителей в р- иn- областях диода не может измениться мгновенно, то с момента переключения накопленные неосновные носители начинают диффундировать через р-n-переход в обратном направлении. При этом через диод протекает обратный ток, который может быть довольно значительным. Величина обратного токаI-ограничивается в основном только сопротивлением внешней цепиR(рис.2.2).
Протекание обратного тока сопровождается уменьшением избыточных концентраций неосновных носителей в р- и n-областях, но до тех пор, пока эти концентрации на границах р-n-перехода выше равновесных, обратный ток постоянен (ступенька на рис.2.4,б). Времени жизни τРнеосновных носителей заряда в базе может быть найдено по формуле
, (8.6)
где tст– длительность «ступеньки» обратного тока (см. рис. 2.4б);
функция - интеграл вероятности, график которого приведен на рис.2.5. Аналитически зависимостьотможно аппроксимировать функцией
, (8.7)
где х = , рассчитывается по формуле (2.6).
Из (2.7) можно найти искомую величину времени жизни τРнеосновных носителей заряда в базе:
(8.8)
Для нахождения τРнеобходимо по диаграмме тока диода (рис.2.4,б) определить величиныI-, I+и tст. Далее поI-, I+рассчитывается величина х, подстановка которой в (2.8) позволяет найти искомое τР.
В момент t1(рис.2.4,в) концентрация неосновных носителей заряда на границах р-n-перехода достигает равновесного значения, вследствие чего напряжение на переходе обращается в нуль. С этого момента на р-n-переходе появляется обратное смещение, растущее с течением времени и достигающее в конце концов значения приложенного внешнего напряжения. Кроме того, с моментаt1концентрация неосновных носителей на границах р-n-перехода становится ниже равновесной, зона перехода обедняется носителями, что приводит к снижению обратного тока, который в конце концов достигает величины обратного тока насыщения (рис.2.4,б).
Характер напряжения на сопротивлении базы (рис.2.4,г) определяется характером тока через диод. Полное падение напряжения на диоде (рис.2.4,д) представляет собой сумму напряжений на р-n-переходе и на сопротивлении базы.
Переходные процессы, происходящие при переключении напряжения на р-n-переходе, определяют его быстродействие – основной параметр полупроводниковых приборов, используемых в схемах импульсной и вычислительной техники. Для увеличения быстродействия р-n-перехода необходимо уменьшать его емкость и время жизни неосновных носителей заряда. Первое достигается изготовлением р-n-переходов как можно с меньшей площадью, второе – использованием материалов с высокой скоростью рекомбинации.