Полупроводниковые приборы

Вид материала

Исследование

Содержание Выпрямительные диоды Импульсные диоды Туннельные диоды 2. Биполярные транзисторы Транзистор как активный четырёхполюсник Полевые транзисторы с изолированным затвором. Полевой транзистор с изолированным затвором Э к с п е р и м е н т а л ь н а я ч а с т ь Исследование вольтамперных характеристик биполярного транзистора n-p-n-типа и расчет его основных параметров Проходная или передаточная характеристика Выходная характеристика Исследование вольтамперных характеристик n-канального полевого транзистора с p-n-переходом и определение его основных параметров

Подобный материал:

• Полупроводниковые приборы, 421kb.
• Программа государственного экзамена по специальности 014100 «микроэлектроника и полупроводниковые, 141.75kb.
• Научно-технический журнал «Электронная техника. Серия Полупроводниковые приборы», 156.74kb.
• Лекция №11, 74.47kb.
• Ii. Свойства полупроводников. Полупроводниковые приборы. Общие свойства полупроводников, 14.35kb.
• Рабочая программа по дисциплине опд. В. 01 Полупроводниковые приборы и структуры, 236.36kb.
• Полупроводниковые диоды. Вольт-амперные характеристики германиевого и кремниевого диодов., 140.49kb.
• Учебно-методическое пособие ч а с т ь 1 Проводниковые и полупроводниковые материалы, 1174.66kb.
• Приборы радиационной и химической разведки, 93.55kb.
• Общая трудоемкость изучения дисциплины составляет 3 зет (108 час), 49.28kb.

ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ПРИБОРЫ


Цель работы: Изучение принципа работы полупроводниковых приборов на примере биполярного и полевого транзисторов. Экспериментальное и компьютерное исследование их вольт-амперных характеристик и расчет основных h-параметров.

1. Полупроводниковые диоды
   

Диодами называют двухэлектродные элементы электрической цепи, обладающие односторонней проводимостью тока. В полупроводниковых диодах односторонняя проводимость обуславливается применением полупроводниковой структуры, сочетающей в себе два слоя, один из которых обладает дырочной (p), а другой электронной (n) проводимостью.




А p n К А К


Принцип действия полупроводникового диода основывается на специфике процессов, протекающих на границе раздела р- и n- слоев, в так называемом электронно-дырочном p-n-переходе.

В германиевых и кремниевых диодах двухслойная p-n-структура создается введением в один из слоев монокристалла акцепторной примеси, а в другой – донорной примеси. На практике наибольшее распространение получили p-n-структуры с неодинаковой концентрацией акцепторных и донорных примесей, т.е. с неодинаковой концентрацией основных носителей заряда в слоях р_р и n_n. Типичными являются структуры с р_р » n_n. На примере германия принято следующее распределение концентраций: р_р = 10¹⁸ см ^–3, n_n = 10¹⁵ см ^–3. Концентрация собственных носителей заряда в германии при 20ºС n_i = 2,5 · 10¹³ см ^–3.

В p-n-структуре на границе раздела слоев АВ (рис.1) возникает разность концентраций одноименных носителей заряда. В приграничной области под действием разности концентраций возникает диффузионное движение основных носителей заряда во встречном направлении через границу раздела. Дырки из р-области диффундируют в n-область, электроны из n-области – в р-область.

При уходе дырок из р-области в ней создается нескомпенсированный отрицательный объемный заряд за счет оставшихся отрицательных ионов акцепторных атомов примеси. Электроны, ушедшие из n-слоя оставляют здесь нескомпенсированный положительный объемный заряд. Наличие объемного заряда является главной особенностью p-n-перехода.


A

- + +

p - + + n

- + +

- + +

B

p_p 10¹⁸


n_i n_n 10¹⁵

n_p 10⁹ p_n 10¹²

x


q +

x

_

Е

x


φ x


φ_o Рис. 1


Ввиду наличия объемного заряда в р-n-переходе создаётся электрическое поле и разность потенциалов.

Толщина слоя объемного заряда составляет доли микрометров. Внутреннее электрическое поле объемных зарядов с потенциальным барьером φ_о создает тормозящее действие дальнейшего диффузионного процесса. При комнатной температуре для германия φ_о = 0,3 ÷ 0,5 В, а для кремния φ_о = 0,6 ÷ 0,8 В.

Рассмотрим случай, когда внешнее напряжение подключено к p-n- структуре в прямом направлении, т.е. плюсом источника к выводу p-области, а минусом источника к выводу n-области. При таком подключении источника создаваемое им электрическое поле направлено противоположно внутреннему полю, что приводит к уменьшению результирующего поля в p-n-переходе. Уменьшение потенциального барьера облегчает переход основных носителей заряда под действием поля через границу раздела.


+


- +

p - + n

- +

 x

φ_o-U_a


φ_o


φ_o+U_a a)


I_a


Рис. 2


I_o

U_a б)

ΔU_a

С повышением приложенного внешнего напряжения, диффузионный ток увеличивается (т.к. уменьшается потенциальный барьер), в связи с чем возрастает прямой ток через p-n-переход. Примерный вид прямой ветви вольтамперной характеристики p-n- перехода показан на рис. 2б.

При подключении к диоду источника внешнего напряжения в обратном направлении (рис.2а) потенциальный барьер возрастает на величину U_а и становится равным φ_о+U_а. При этом увеличивается объемный заряд в p-n-переходе и его ширина. Возросший потенциальный барьер затрудняет прохождение через p-n-переход основных носителей заряда, вследствие чего диффузионный ток уменьшается. Дрейфовый ток, обусловленный неосновными носителями заряда, остается неизменным.

Прямой ток диода создается основными носителями заряда, а обратный – неосновными. Концентрация основных носителей заряда на несколько порядков превышает концентрацию неосновных носителей. Этим и обуславливаются вентильные свойства p-n-перехода, а следовательно и диода. Проведенному теоретическому анализу вольт-амперной характеристики диода соответствует ее запись в аналитической форме:


, называемая уравнением Шокли. При 20˚С = 0,026 В.


По конструктивно-технологическим признакам диоды подразделяются на точечные и плоскостные, сплавные и диффузионные, по функциональному назначению и принципу образования p-n-перехода – на выпрямительные, импульсные, туннельные, диоды Шотки, стабилитроны, варикапы, фотодиоды, светодиоды и т.д.


Выпрямительные диоды. Это диоды, предназначенные для выпрямления переменного тока в постоянный, к быстродействию, емкости p-n-перехода и стабильности параметров которого не предъявляют высоких требований. Их выполняют на сплавных и диффузионных несимметричных p-n-переходах. Они характеризуются малым сопротивлением в прямом направлении и позволяют пропускать большие токи (до десятков и сотен ампер) при допустимых обратных напряжениях до 1000 В. Емкость p-n-перехода из-за большой его площади относительно велика (десятки пикофарад), и, следовательно, переходные процессы протекают относительно долго.

Импульсные диоды. Диоды, предназначенные для работы в импульсных цепях, должны иметь малую длительность переходных процессов, что можно обеспечить лишь уменьшением емкости p-n- перехода. Уменьшение емкости достигается за счет сокращения площади p-n-перехода. Однако это уменьшает теплоотвод, и естественно допустимые мощности рассеяния (30 – 40 мВт).

Переходные процессы в диоде заключаются в следующем. При подаче к диоду импульса напряжения прямой полярности происходит инжекция неосновных носителей (дырок) из р-области в n-область и диод переходит из запертого состояния в открытое. Этот процесс определяет время установления прямого тока t_уст. (рис. 3).

i

t_уст I_прям.

0,1 I_пр. t


i_обр.

t_вост. Рис. 3


При изменении полярности импульса напряжения требуется время для рассасывания неосновных носителей из n-области и восстановления исходного состояния. Это рассасывание происходит как за счет рекомбинации дырок с электронами, так и за счет возвращения дырок в свою р-область. Этот процесс характеризуется временем восстановления обратного сопротивления t_вост . Это время в течение которого обратный ток уменьшается до 0,1 I_пр .

Учитывая важность переходных процессов для оценки работы импульсных диодов, они (в дополнение к параметрам выпрямительных диодов) характеризуются временами t_уст и t_вост , а также емкостью p-n-перехода С_д и максимальным прямым импульсным напряжением U_пр.max .

Диоды Шотки. Металлополупроводниковые диоды (диоды Шотки), у которых выпрямляющий переход представляет собой тонкую пленку молибдена или алюминия, нанесенную на пластинку кремния методом вакуумного испарения, обладают емкостью, не превышающую 0,01пкФ, что обеспечивает время их переключения доли наносекунды и предельную частоту работы десятки гигагерц. Благодаря меньшему прямому напряжению 0,3 В, вместо 0,7 В у диодов с p-n-переходом, они обеспечивают более высокий КПД. Условное обозначение диода Шотки отличается от выпрямительного и импульсного.

Стабилитроны. Это диоды, использующие участок вольт-амперной характеристики p-n-перехода соответствующий обратному электрическому пробою. Работу стабилитрона иллюстрирует приведенная схема и вольтамперная характеристика (рис. 4).


R_o U_ст I

U

U_вх I_ст U_ст


ΔI_ст

А I_ст