Лабораторная работа №1. 1. Тема: Исследование вентильных свойств p-n-перехода

1. Тема: Исследование вентильных свойств p-n -перехода

2. Цели работы:

- экспериментальное исследование параметров и характеристик p-n -перехода;

- приобретение практических навыков работы с электронно-вычислительной техникой.

3. Исходные данные:

-модель p-n -перехода реализована в среде программирования Electronics Workbench.

4. Правила работы в лаборатории:

Общие требования безопасности

Студенты допускаются к самостоятельной работе на оборудовании после проведения с ними вводного инструктажа на рабочем месте. Получение инструктажа подтверждается личной подписью студента в журнале учета инструктажей по технике безопасности.

Проведение лабораторных работ допускается на исправном оборудовании. Металлические части оборудования, которые могут оказаться под напряжением, должны быть заземлены.

Требования безопасности перед началом работ

Запрещается: переодеваться; пользоваться огнем; курить; принимать пишу в лаборатории.

Убедиться в целостности электрических розеток и разъемов.

Включение компьютера производить только после получения допуска по выполняемой работе и разрешения преподавателя или ассистента.

Требования безопасности во время работы

Выполняя лабораторную работу, студенты обязаны использовать только вычислительную технику и периферийное оборудование относящееся к данному рабочему месту.

Требования безопасности по окончании работы

По команде преподавателя учащиеся обязаны выключить компьютер и составляющие вычислительного комплекса.

Рабочее место привести в порядок.

Требования безопасности в аварийных ситуациях

Если в процессе работы появилась неисправность (запах горелой изоляции, дым, искрение и т.п.) необходимо немедленно отключить питание и доложить преподавателю.

В случае возникновения пожара необходимо:

-отключить питание на вводном автомате электропитания;

-сообщить преподавателю или ассистенту;

-приступить к тушению, используя имеющиеся в лаборатории огнетушители.

5. Аппаратное обеспечение:

Класс персональных ЭВМ

6. Программное обеспечение:

Среда программирования Electronics Workbench, Mathcad, программные модули лабораторной работы.

7. Теория:

Зависимость величины тока через переход от приложенного напряжения отражает его вольтамперная характеристика, рис.1.

Рис.1 - ВАХ p - n перехода

Теоретически доказано, что вах. p - n перехода описывается выражением:

(1)

(1.а)

где =0, 025 В – температурный потенциал при комнатной температуре (+18^о С = 291 К);

Кл – заряд электрона;

U - напряжение прикладываемое к переходу;

Дж/К или эВ/К– постоянная Больцмана;

термодинамическая температура;

I ₀ – тепловой ток, который зависит от температуры и определяется свойствами полупроводникового материала, из которого изготовлен переход.

В реальных p - n переходах выражение (1) претерпивает изменения:

(2)

где – коэффициент инжекции, в зависимости от типа материала ;

G – проводимость утечки, определяется поверхностным состоянием p - n перехода.

Типовыми значениями указанных параметров являются:

Табл.№1

Тип материала	[t=18oC; T=291K], А		G, См
Ge		1, 7
Si		1, 7
AsGa		1, 9

Поскольку прямой ток p - n перехода I _пр»(10³…10⁵)× I ₀, то можно говорить о практически односторонней проводимости p - n перехода, что хорошо видно из вольт-амперной характеристики p - n перехода.

Прямая ветвь ВАХ. При напряжениях U> 0 малейшее изменение напряжения вызывает существенное изменение тока.

Различают два режима работы перехода — нормальный, когда ток порядка миллиампера, и микрорежим, когда ток порядка микроампера. В зависимости от диапазона токов прямые напряжения несколько различаются, но в пределах диапазона их можно считать постоянными и рассматривать как своего рода параметр открытого перехода.

U* называют на пряжением открытого перехода. При комнатной температуре:

- в нормальном режиме U*(AsGa) =1 В, U*(Si) =0, 7 В, U*(Ge) =0, 5 В;

- в микрорежиме U*(AsGa) =0, 85 В, U*(Si) =0, 5 В, U*(Ge) =0, 3 В.

Обратная ветвь ВАХ.

Реальный обратный ток перехода несколько превышает величину I ₀, предсказываемую выражением (1). Причиной этого является, прежде всего, поверхностный ток утечки и генерация электронно-дырочных пар в области обратносмещенного перехода. Составляющую обратного тока, обусловленную генерацией, называют током термогенерации.

Процессы генерации и рекомбинации носителей происходят во всех частях кристалла — как в нейтральных слоях n и р, так и в области перехода. В равновесном состоянии скорости генерации и рекомбинации везде одинаковы, поэтому направленных потоков носителей нет. Когда к переходу приложено обратное напряжение, область перехода дополнительно обедняется носителями. Поэтому рекомбинация здесь замедляется и процесс генерации оказывается неуравновешенным. Избыточные генерируемые носители уносятся электрическим полем в нейтральные слои: электроны в n-слой, дырки в р-слой. Эти потоки и образуют ток термогенерации I_G.

Неконтролируемое возрастание тока термогенерации приводит к пробою p-n -перехода. В силу этого, вводится понятие обратного максимально допустимого напряжения на p-n -переходе (3)

(3)

где U _проб - напряжение теплового или электрического пробоя определяемое материалом и конструктивными особенностями p-n -перехода.

Вентильные свойства p-n -перехода оценениваются коэффициентом выпрямления (4)

при U = 1, 2· U^* В. (4)

где U* - напряжение открытого перехода при комнатной температуре в нормальном режиме.

8. Литература:

1. Степаненко И.П. Основы микроэлектроники: Учеб.пособие для вузов.2-е изд., перераб. и доп. М: Лаб. баз. зн. 2001

2. Жеребцов И.П. Основы электроники.- 5-е изд., перераб. и доп. Л.: Энергоатом-издат. 1989.

4. Журавлева Л.В. Электроматериаловедение. М.: Академия, 2004.

5. С. Зи Физика полупроводниковых приборов, ч1 М.: Мир, 1984.

6. Викулин И.М., Стафеев И.М. Физика полупроводниковых приборов М.: Сов. радио, 1980.

7. Епифанов Г.И. Физические основы микроэлектроники М.: Сов. радио, 1971.

8. Пасынков В.В. и др. Полупроводниковые прибороы: Учебник для вузов.– 3-е изд., перераб. и доп. М: Высш. школа, 1981

9. Контрольные вопросы:

1. Каким выражением описывается ВАХ p-n-перехода.

2. В чем проявляются вентильные свойства p-n-перехода.

3. Как зависит вид ВАХ p-n-перехода от типа материала.

4. Какие параметры материала определяют вид ВАХ p-n-перехода.

5. Каковы причины обуславливающие пробой p-n-перехода.

10. Методические рекомендации по проведению исследований:

10.1. Снятие прямой ветви ВАХ p-n-перехода

1). Из среды программирования Workbench 5.12, войти в каталог «Diodes», открыть папку «Ge_291oK_вар», загрузить файл «Ge_291oK_прям_№(1 )». Номер варианта уточнить у преподавателя. При запросе, рис.2, «наступите» мышкой на клавишу «Use circuit model».

Рис.2

На экране монитора появится схема.

Рис.3.

Схема содержит: источник ЭДС, амперметр, полупроводниковый диод на основе Ge.

2). Установить значение ЭДС источника равным 1, 2· U^* В. Активировать схему. Снять показания амперметра, занести их в таблицу №2.

Табл.№2

3). Постепенно, с произвольным шагом, снижая напряжение источника ЭДС, производить измерение тока p-n-перехода с последующей записью его величины в таблицу №2. Измерения производить (не менее 8 раз) до достижения тока порядка 0, 5 мА.

4). Из среды программирования Workbench 5.12, войти в каталог «Diodes», открыть папку «Si_291oK_вар», загрузить файл «Si_291oK_прям_№(1 )». Номер варианта уточнить у преподавателя. При запросе, рис.4, «наступите» мышкой на клавишу «Нет».

Рис.4

При запросе, рис.2, «наступите» мышкой на клавишу «Use circuit model». На экране монитора появится схема.

Рис.5.

Схема содержит: источник ЭДС, амперметр, полупроводниковый диод на основе Si.

5). Выполнить указания пунктов 2), 3).

6). Из среды программирования Workbench 5.12, войти в каталог «Diodes», открыть папку «AsGa_291oK_вар», загрузить файл «Si_291oK_прям_№(1 )». Номер варианта уточнить у преподавателя. При запросе, рис.4, «наступите» мышкой на клавишу «Нет». При запросе, рис.2, «наступите» мышкой на клавишу «Use circuit model». На экране монитора появится схема.

Рис.6.

Схема содержит: источник ЭДС, амперметр, полупроводниковый диод на основе AsGa.

5). Выполнить указания пунктов 2), 3).

10.2. Снятие обратной ветви ВАХ p-n-перехода

1). Из среды программирования Workbench 5.12, войти в каталог «Diodes», открыть папку «Ge_291oK_вар», загрузить файл «Ge_291oK_обрат». При запросе, рис.2, «наступите» мышкой на клавишу «Use circuit model». На экране монитора появится схема.

Рис.7.

Схема содержит: источник ЭДС, амперметр, полупроводниковый диод на основе Ge.

2). Произвести измерение тока диода (с произвольным шагом) в интервале [0÷ 1, 2· U^* ] (не менее 3 измерений) и в интервале [100÷ 100, 05] В с шагом 0, 01 В. Результаты измерений занести в таблицу №3.

Табл.№3

3). Из среды программирования Workbench 5.12, войти в каталог «Diodes», открыть папку «Si_291oK_вар», загрузить файл «Si_291oK_обрат». При запросе, рис.2, «наступите» мышкой на клавишу «Use circuit model». На экране монитора появится схема.

Рис.8.

Схема содержит: источник ЭДС, амперметр, полупроводниковый диод на основе Si.

4). Выполнить указания пункта 2).

5). Из среды программирования Workbench 5.12, войти в каталог «Diodes», открыть папку «AsGa_291oK_вар», загрузить файл «AsGa_291oK_обрат». При запросе, рис.2, «наступите» мышкой на клавишу «Use circuit model». На экране монитора появится схема.

Рис.9.

Схема содержит: источник ЭДС, амперметр, полупроводниковый диод на основе AsGa.

6). Выполнить указания пункта 2).

10.3. Анализ ВАХ и расчет параметров p-n-перехода

1). По полученным данным, табл.2, 3, постройте графики функций: , подобные рис.1.

2). Руководствуясь выражениями (3), (4) и ВАХ, для всех типов материала, рассчитайте:

- коэффициент выпрямления (при U = ±1, 2· U^* B);

- обратное максимально допустимое напряжение.

Данные, используемые в ходе расчетов, показать на ВАХ и занести в таблицу №4 в строку «экспериментальные». Результаты вычислений занести в таблицу №4 в строку «экспериментальные».

Табл.№4

3). Руководствуясь выражениями (2), (3), (4) и данными таблицы №1 рассчитайте:

- прямой ток p-n -перехода при U = 1, 2· U^* B;

- обратный ток p-n -перехода при U = -1, 2· U^* B;

- коэффициент выпрямления (при U = ±1, 2· U^* B).

Результаты вычислений занести в таблицу №4 в строку «расчетные».

4). Сделайте выводы:

- о вентильных свойствах р-n -перехода и зависимости его параметров от типа материала;

- о сходимости расчетных и экспериментальных данных результатов исследования.

11. Содержание отчета о лабораторной работе:

в отчете должны быть отражены название, цель лабораторной работы, пункты исследований, таблицы с экспериментальными и расчетными данными, графики, необходимые математические выражения, выводы по работе.