2014_4434
.pdfМинистерство 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