Краткая теория. Подготовка к лабораторной работе

Подготовка к лабораторной работе

Исследование полупроводникового диода

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №1

Цель работы: изучение устройства полупроводникового диода, физических процессов, происходящих в нём; исследование характеристик и параметров полупроводниковых диодов.

Изучить следующие вопросы курса:

1. Электрические свойства полупроводников. Собственные и примесные полупроводники

2. Электронно-дырочный переход и его характеристики. Прямое и обратное включение p-n перехода.

3. Вольт-амперная характеристика и параметры полупроводникового диода

4. Типы полупроводниковых диодов, их особенности и характеристики.

Полупроводниковый диод - это электронный прибор, представляющий собой контакт двух полупроводников с различным типом проводимости р и n.

Вольтамперная характеристика идеализированного р-п перехода, представляющая собой зависимость тока I от приложенного к переходу напряжения V имеет вид:

. (1)

В этих формулах - сумма плотностей тока, S – площадь перехода.

Предэкспоненциальный множитель в (1)

(2)

называют током насыщения р-п перехода или обратным тепловым током. Как вытекает из (2), ток насыщения определяется концентрацией неосновных носителей тока, что обуславливает малое значение тока насыщения и его сильную зависимость от температуры.

При прямом смещении , что обеспечивается подачей на полупроводниковый диод прямого напряжения (), как следует из (1), ток через р-п переход будет расти по экспоненциальному закону с ростом напряжения. При обратном смещении ()ток стремится к току насыщения. При обратном смещении через полупроводниковый диод протекает весьма незначительный обратный ток i_обр (I <0) величина которого у германиевых полупроводниковых диодов имеет порядок 10^-5-10^-8 А, а у кремневых 10^-9-10^-12 А.

Таким образом, р-п переход характеризуется односторонней проводимостью. На явлении односторонней проводимости р-п перехода основана работа выпрямительных, универсальных и некоторых СВЧ диодов.

На рисунке 1 приведены вольтамперные характеристики идеализированного р-п перехода, изготовленного из германиевого (1) и кремниевого (2) полупроводников.

Величина прямого напряжения, при которой начинает протекать значительный прямой ток, называется пороговым . Как видно из рисунка, пороговое напряжение кремниевого р-п перехода больше чем германиевого: и . Это обусловлено большей шириной запрещенной зоны кремния чем германия. Концентрация собственных носителей, а вместе с ним и концентрация неосновных носителей тока на основе закона действующих масс, в германии на несколько порядков больше чем в кремнии. Поэтому обратные токи в германиевых р-п переходах также значительно выше чем в кремниевых.

Если степень легирования р- и п- областей р-п перехода примерно одинакова, то такой р-п переход является симметричным и электроны и дырки через р-п переход инжектируются в равной степени. На практике находят применение несимметричные переходы, в которых инжектируются только дырки, если р - область легировано сильнее , или только электроны в противном случае . В несимметричных переходах высоколегированную (низкоомную) область принято называть эмиттером, а низколегированную (высокоомную) область – базой.

Вольтамперная характеристика реального р-п перехода отличается от идеализированной. Это объясняется тем, что при выводе идеализированной вольтамперной характеристики (1) не учитывались целый ряд факторов. Эти факторы обуславливают отличие как прямой, так и обратной ветвей вольтамперной характеристики реального р-п перехода от идеализированной.

Прямая вольтамперная характеристика реального р-п перехода

На вид реальной вольтамперной характеристики р-п перехода в прямом направлении влияют три фактора: 1) явление рекомбинации носителей тока в запорном слое; 2) распределенное сопротивление базы, т.е. объемное сопротивление высокоомной области базы и 3) модуляция сопротивления базовой области при высоких уровнях инжекции. Рассмотрим эти явления подробнее.

В области р-п перехода в реальных условиях протекают дополнительные токи за счет генерационно-рекомбинационных процессов, не учтенных при теоретических расчетах. В условии равновесия токи, возникающие за счет рекомбинации и генерации, равны друг другу и противоположно направлены и ток через переход остается равным нулю. При прямом смещении из-за инжекции основных носителей в области перехода резко возрастают концентрации неравновесных электронов и дырок. Это приводит к росту вероятности их рекомбинации и, тем самым, роста рекомбинационного тока. Рекомбинационный ток накладывается на инжекционный ток и вызывает рост прямого тока. Однако с ростом прямого напряжения вклад рекомбинационного тока в общий ток уменьшается и ток через переход определяется только током инжекции (рис.2,а)

С учетом рекомбинационного тока уравнение вольтамперной характеристики можно записать в виде:

(3)

где m – коэффициент неидеальности, который может принимать значения от 1 до 2. В случае преобладания инжекционной составляющей прямого тока m =1, а при преобладании генерационной составляющей m = 2.

При выводе вольтамперной характеристики предполагается, что все внешнее напряжение приложено к р-п переходу. В реальных несимметричных р-п переходах сопротивление базовой области может быть сравнимой с сопротивлением р-п перехода. Это приводит к перераспределению приложенного внешнего напряжения между р-п переходом и базовой областью: . Таким образом, к р-п переходу приложено только часть внешнего напряжения , что приводит к уменьшению прямого тока: вольтамперная характеристика смещается вправо (рис.2,а).

Вольтамперная характеристика реального р-п перехода с учетом сопротивления базы примет вид:

. (4)

При малых токах I влиянием сопротивления базы можно пренебречь. Однако с ростом прямого тока падение напряжения на р-п переходе уменьшается, а падение напряжения на сопротивлении базы увеличивается и при больших прямых токах ток может определяться только сопротивлением базовой области. При этом вольтамперная характеристика р-п перехода практически становится линейной (омический участок) (см. рис. 2,а). Необходимо учесть, что из-за наличия сопротивления базы и падения напряжения на нем ухудшается выпрямляющее свойство р-п перехода и возрастает мощность, рассеиваемая на переходе.

Рост прямого тока вызывает рост инжектированных неосновных носителей в базовую область и их концентрация может стать сравнимой с концентрацией основных носителей, что противоречит условиям при выводе идеализированной вольтамперной характеристики. Это приводит к уменьшению сопротивления базы и, тем самым, уменьшению падения напряжения на нем и некоторому росту прямого тока. Вольтамперная характеристика при этом откланяется влево. Это явление называется эффектом модуляции сопротивления базы.

Обратная вольтамперная характеристика реального р-п перехода

Величина обратного тока в реальных р-п переходах отличается от расчетной также за счет трех факторов: 1) из-за тока термогенерация в запорном слое перехода; 2) из-за поверхностных токов утечки на переходе и 3) из-за явления пробоя перехода при больших напряжениях.

При обратном напряжении на р-п переходе возрастает его ширина и высота потенциального барьера. Рекомбинационный ток практически равен нулю, так как инжекция носителей тока не происходит. Зато за счет расширения обедненного слоя возрастает вероятность генерации электронно-дырочной пары. Такая генерация может происходить за счет переброса электронов из валентной зоны в зону проводимости как через запрещенную зону полупроводника в области перехода, так и за счет переброса через локальные уровни, что более вероятно. Возникающие при генерации свободные дырки и электроны разделяются электрическим полем перехода так, что электроны переводятся в п - область, а дырки в р - область, создавая дополнительный обратный ток . Расчеты показывают, что этот ток прямо пропорционально объему р-п перехода и скорости тепловой генерации собственных носителей Qi

где - ширина р-п перехода при обратном смещении, - ширина р-п перехода в отсутствии внешнего напряжения.

В реальных р-п переходах из-за технологических особенностей граница перехода обязательно выходит на поверхность. Как известно, на поверхности полупроводника возникают поверхностные состояния за счет различных факторов. В связи с этим состояние поверхности оказывает влияние на вид реальной ВАХ-ки р-п перехода. Это влияние особенно сильно сказывается на обратных токах из-за его малой величины. Поверхностные заряды, имеющиеся на поверхностных состояниях, и возможные загрязнения поверхности приводит к образованию каналов проводимости между областями р-п перехода и протекания токов утечки Ток утечки растет линейно с напряжением и может даже превышать ток генерации. Таким образом, при обратных напряжениях на переходе величина обратного тока составит:

.

На рисунке 2,б приведены вольтамперные характеристики обратной ветви р-п перехода с учетом рассмотренных факторов.

При больших обратных напряжениях возможен пробой р-п перехода, что приводит к резкому росту обратного тока. Пробой р-п перехода играет важную роль в работе ряда полупроводниковых приборов, например, в стабилитронах, поэтому это явление рассмотрим более подробно.

При больших обратных напряжениях наблюдается электрический пробой в кремниевых р-n переходах, который обусловлен лавинным размножением носителей тока или туннельным их прохождением через р-n переход. Явление электрического пробоя используется для создания стабилитронов.

Стабилитроном называется полупроводниковый диод, на обратной ветви вольтамперной характеристики которого имеется участок с сильной зависимо­стью тока от напряжения (рис. 1.2.), т.е. с большим значением крутизны DI/DU.

Напряжение стабилизации U_ст равно напряжению пробоя p–n– перехода при некотором заданном токе стабилизации I_ст. Стабилизирующие свойства характеризуются дифференциальным сопротивлением стабилитрона

r_д= DU/DI, (1.2)

которое должно быть как можно меньше. Температурная зависимость напряжения стабилизации характеризуется температурным коэффициентом напряжения

a_ст=(dU_ст/dT)U^-1, (1.3)

где dU_ст и dT – изменение напряжения и температуры.

Промышленностью выпускаются стабилитроны с параметрами: U_ст от 1,5 до 180 В, токи стабилизации от 0,5 мА до 1,4 А; a_ст от 0,05 до 0,15%К; r_д от долей и единиц ома (у мощных стабилитронов) до сотен и даже тысяч Ом (у высоковольтных маломощных стабилитронов). Особую группу составляют прецизионные стабилитроны, имеющие a_ст до 0,0005 %К, т.е. в сотни раз ниже, чем обычные. Их используют в качестве источников опорного напряжения. Прецизионные стабилитроны представляют собой три р-n перехода, два из которых включены в прямой направлении, а третий работает в режиме лавинного пробоя.

Выпускаются также двуханодные стабилитроны, служащие для стабилизации разнополярных напряжений и представляющие собой встречно включённые p–n –переходы.

Для стабилизации малых напряжений (0.6-1,5 В) используется прямая ветвь ВАХ-ки диода. Такие приборы называются стабисторами и они изготавливаются из высоколегированных полупроводников.

Дата добавления: 2015-05-06