Физика примеры решения задач Электротехника Задачи и лабораторные работы Математика примеры решения задач Вычислить интеграл Информатика Компьютерные сети Компьютерная математика
Исследование полевых транзисторов Исследование биполярных транзисторов Полупроводниковые выпрямители Электронный усилитель на транзисторах Лабораторная работа Исследование стабилитронов Исследование варикапов

Методические указания лабораторные работы по электронике

Полупроводники

Полупроводниками принято считать широкий класс веществ, чья электропроводность меньше чем у металлов (106 - 104 Ом-1) , но больше чем у хороших диэлектриков (10-10 – 10-12 Ом-1). Различие между полупроводниками и диэлектриками является скорее количественным, чем качественным, диэлектрики тоже могут достигать при высоких температурах величин электропроводности, характерных для полупроводников.

В реальной практике термин «полупроводники» обычно применяют к веществам, у которых полупроводниковые свойства четко выражены уже при комнатных температурах (300К). Примеры таких веществ:

1. Элементы IV группы таблицы Менделеева кремний и германий ­­­- к настоящему времени наиболее полно изученные и широко применяющиеся в электронике. Атомы этих элементов имеют по 4 валентных электрона и образуют решетки типа алмаза с ковалентной связью атомов. Сам алмаз тоже обладает полупроводниковыми свойствами, однако при комнатной температуре его электропроводность очень мала.

2. Алмазоподобные полупроводники. К ним относятся соединения элементов III группы периодической системы с элементами V группы: GaAs, InSb, GaP, InP. Такие полупроводники называются полупроводниками типа AIII BV.

Атомы III группы имеют 3 валентных электрона, а V группы - 5, так что среднее число валентных электронов, приходящееся на 1 атом, в этих соединениях равно 4 (как и у Ge и Si). Каждый атом образует 4 валентные связи с ближайшими соседями, в результате чего получается кристаллическая решётка, подобная решётке алмаза с той лишь разницей, что ближайшие соседи атома AIII - атомы BV а соседи атома BV - атомы AIII. За счёт частичного перераспределения электронов атомы AIII и BV в такой структуре оказываются разноимённо заряженными. Поэтому связи в кристаллах AIII BV не полностью ковалентные, а частично ионные. Однако ковалентная связь в них преобладает и определяет структуру, в результате чего эти кристаллы по многим свойствам являются ближайшими аналогами Ge и Si.

Соединения элементов II и VI групп периодической системы - AIIBVI (ZnTe, ZnSe, CdTe, CdS и т.п.) также имеют в среднем 4 валентных электрона на 1 атом, но ионная связь у них более сильно выражена. У некоторых из них ковалентная связь преобладает над ионной, у других она слабее, но и те и другие обладают полупроводниковыми свойствами, хотя и не столь ярко выраженными, как в предыдущих группах.

3. Элементы VI и V групп и их аналоги. Элементы VI группы Te и Se как полупроводники были известны раньше, чем Ge и Si, причём Se широко использовался в выпрямителях электрического тока и фотоэлементах. Элементы V группы As, Sb и Bi - полуметаллы, по свойствам близкие к полупроводникам, а их ближайшие аналоги - соединения типа AIV и BVI (PbS, PbTe, SnTe, GeTe и т.п.), имеющие в среднем по 5 валентных электронов на атом, образуют одну из наиболее важных групп полупроводников, известную в первую очередь применением в качестве приёмников инфоракрасного излучения. Вообще среди соединений элементов VI группы (О, S, Se, Te) с элементами I-V групп очень много полупроводников. Большинство из них мало изучены.

4. Соединения элементов VI группы с переходными или редкоземельными металлами (Ti, V, Mn, Fe, Ni, Sm, Eu и т.п.). В этих полупроводниках преобладает ионная связь. Большинство из них обладает той или иной формой магнитного упорядочения (ферромагнетики или антиферромагнетики). Сочетание полупроводниковых и магнитных свойств и их взаимное влияние интересно как с теоретической точки зрения, так и для многих практических применений.

5. Органические полупроводники. Многие органические соединения также обладают полупроводниковыми свойствами. Их электропроводность, как правило, мала (10-10 Ом-1) и сильно возрастает под действием света. Однако некоторые органические полупроводники (кристаллы и полимеры на основе соединений тетрацианхинодиметана TCNQ, комплексы на основе фталоцианина, перилена, виолантрена и др.) имеют при комнатной температуре электропроводность, сравнимую с проводимостью хороших неорганических П.

Электроны и дырки в полупроводниках

Так как в твёрдом теле атомы или ионы сближены на расстояние, сравнимое с размерами самого атома, то в нём происходят переходы валентных электронов от одного атома к другому. Такой электронный обмен может привести к образованию ковалентной связи. Это происходит в случае, когда электронные оболочки соседних атомов сильно перекрываются и переходы электронов между атомами происходят достаточно часто.

 Эта картина полностью применима к такому типичному полупроводнику, как германий (Ge). Все атомы германия нейтральны и связаны друг с другом ковалентной связью. Однако электронный обмен между атомами не приводит непосредственно к электропроводности, поскольку в целом распределение электронной плотности жестко фиксировано: по 2 электрона на связь между каждой парой атомов - ближайших соседей. Чтобы создать проводимость в таком кристалле, необходимо разорвать хотя бы одну из связей (нагрев, поглощение фотона и т.д.), то есть, удалив с неё электрон, перенести его в какую-либо другую ячейку кристалла, где все связи заполнены и этот электрон будет лишним. Такой электрон в дальнейшем свободно может переходить из ячейки в ячейку, так как все они для него эквивалентны, и, являясь всюду лишним, он переносит с собой избыточный отрицательный заряд, то есть становится электроном проводимости.

Разорванная же связь становится блуждающей по кристаллу дыркой, поскольку в условиях сильного обмена электрон одной из соседних связей быстро занимает место ушедшего, оставляя разорванной ту связь, откуда он ушёл. Недостаток электрона на одной из связей означает наличие у атома (или пары атомов) единичного положительного заряда, который, таким образом, переносится вместе с дыркой.

В случае ионной связи перекрытие электронных оболочек меньше, электронные переходы менее часты. При разрыве связи также образуются электрон проводимости и дырка - лишний электрон в одной из ячеек кристалла и некомпенсированный положительный заряд в другой ячейке. Оба они могут перемещаться по кристаллу, переходя из одной ячейки в другую.

Наличие двух разноимённо заряженных типов носителей тока - электронов и дырок является общим свойством полупроводников и диэлектриков. В идеальных кристаллах эти носители появляются всегда парами - возбуждение одного из связанных электронов и превращение его в электрон проводимости неизбежно вызывает появление дырки, так что концентрации обоих типов носителей равны. Это не означает, что вклад их в электропроводность одинаков, так как скорость перехода из ячейки в ячейку (подвижность) у электронов и дырок может быть различной. В реальных кристаллах, содержащих примеси и дефекты структуры, равенство концентраций электронов и дырок может нарушаться, так что электропроводность в таком случае будет осуществляется практически только одним типом носителей.

Емкость Cбар, которой обладает p-n-переход при обратном напряжении U, называют барьерной. Ее наличие определяется шириной обедненной области, образованной неподвижными зарядами примесных ионов. С увеличением обратного напряжения барьерная емкость уменьшается (т. к. растет ширина обедненной области).

Для оценки величины емкости Cбар можно пользоваться приближенной формулой

 

(4.4)

где Cбар(U0) – значение барьерной емкости при U=0; j0– величина контактной разности потенциалов; n – показатель степени, равный 2 для резких p-n-переходов и 3 – для плавных.

Помимо барьерной емкости диод обладает также и диффузионной емкостью. Диффузионная емкость Cдиф перехода зависит от диффузионного тока и проявляется главным образом при прямом смещении p-n-перехода. Для достаточно больших прямых напряжений (U >0,4¸0,5 В для кремния) Cдиф>Cбар.

Общая емкость Cобщ p-n-перехода представляет собой сумму двух емкостей Cдиф и Cбар, т. е. Cобщ=Cдиф+Cбар.

Использование полупроводникового выпрямительного диода в различных схемах связано с заданием его режима по постоянному току. Часто последовательно с диодом VD включатся резистор Rн, называемый нагрузочным (рис. 4.1 б). Рассмотрим графоаналитический метод определения положения рабочей точки диода на ее ВАХ (рис. 4.1 а). Для этого найдем величину постоянного тока Iп, протекающего через диод, и напряжения Uп, падающего на диоде, если к последовательной цепочке состоящей из Rн и VD приложено напряжение E. В этом случае необходимо графически решить систему уравнений, состоящую из линейного уравнения, представляющего собой так называемую линию нагрузки, и уравнения, описывающего ВАХ диода.

Для напряжений UVD и , падающих соответственно на диоде и на сопротивлении, справедливо уравнение

 

(4.5)

являющиеся уравнением линии нагрузки.

Уравнение (4.5) есть уравнение прямой в координатах I, U. Точки пересечения этой прямой с осями координат легко находятся: если U=0, то I=E/Rн, и если I=0, то UVD=E. Таким образом, для построения линии нагрузки имеем две точки A и B с координатами В(Е, 0) и
А(0, Е/Rн). Проведя эту линию на графике и определив координаты точки ее пересечения с ВАХ диода, получим искомые значения напряжения Uп и тока Iп. Очевидно, что изменение величины сопротивления Rн будет изменять угол наклона нагрузочной прямой и соответственно режим работы диода. На рис. 4.1 а точкой П обозначено начальное положение рабочей точки и П1 — положение ее при замене резистора Rн на резистор большего номинала Rн1.

Помимо рассмотренного выше выпрямительного диода существуют и другие типы диодов, в основе которых лежат те или иные свойства полупроводникового p-n-перехода. Рассмотрим некоторые типы диодов.

Вид характеристик зависит от способа включения транзистора. Для однозначного установления зависимости между токами и напряжениями транзистора достаточно иметь два семейства характеристик. На практике наибольшее применение получили входные и выходные характеристики. Характеристики прямой передачи и обратной связи применяются редко и могут быть легко получены из входных и выходных характеристик путем перестроения.

Входными характеристиками транзистора, включенного по схеме ОБ (рис. 2.5), называют семейство характеристик, выражающих зависимость UЭБ = f (IЭ) при UКБ = const (рис. 2.7). Так как h21Б ≈ 1, то при UКБ = 0 (коллектор замкнут с базой) можно считать, что с некоторым приближением входная характеристика представляет собой прямую ветвь вольт – амперной характеристики эмиттерного перехода, определяемой соотношением (2.1).

Схема, поясняющая образование U ос на распределенном  сопротивлении базы r б.

Отрицательное напряжение коллектора, которое не учитывается в формуле (2.1), смещает входную характеристику в область увеличения токов эмиттера I Э (рис. 2.7). Это смещение вызвано двумя причинами. Во-первых, при повышении напряжения U КБ, в данном случае отрицательного, уменьшается  ширина базы и увеличивается градиент концентрации дырок в базе, что приводит к возрастанию тока эмиттера при неизменном напряжении UЭБ. Во-вторых, увеличивается обратный ток коллектора IКБ0, который, проходя по распределенному сопротивлению базы rб (рис. 2.8), создает на нем падение напряжения U ос = rб IКБ0. Для большей  наглядности на рис. 2.8 сопротивление rб вынесено во внешнюю цепь транзистора. Полярность напряжения обратной связи U ос такова, что его появление приводит к увеличению результирующего напряжения на эмиттерном p-n-переходе при неизменном напряжении U ЭБ. Под влиянием выше перечисленных факторов в цепи эмиттера при U ЭБ = 0 и отрицательном напряжении на коллекторе проходит небольшой эмиттерный ток. Для его устранения на эмиттер необходимо подать некоторое отрицательное напряжение.

Выходные статические характеристики транзистора, включенного по схеме ОБ, отражают зависимость I К = f (U КБ) при I Э = const (рис. 2.9).

Как известно , ток коллектора можно представить в виде

   (2.8)

При включении коллекторного перехода в обратном направлении напряжение UКБ в уравнение (2.8) подставляется со знаком «минус», поэтому при | UКБ | > φT справедливо уравнение (2.3).

Границей между режимом отсечки и активным режимом является характеристика (рис. 2.9), снятая при IЭ = 0. Из выражения (2.8) видно, что при IЭ = 0 выходная характеристика представляет собой обратную ветвь ВАХ коллекторного p-n-перехода. При увеличении отрицательного напряжения коллектора его ток быстро достигает значения IКБ0. Дальнейший рост отрицательного напряжения UКБ до определенного значения сопровождается незначительным увеличением тока IК, причиной чего является рост  токов генерации и утечки в коллекторном p-n-переходе. При достижении напряжением  UКБ некоторого значения коэффициент лавинного умножения становится больше единицы,  что сопровождается резким возрастанием тока IК и пробоем коллекторного перехода.  Напряжение коллектора, при котором возникает пробой коллекторного перехода при IЭ = 0, называют пробивным напряжением коллектор-база и обозначают UКБ Пр. Если ток IЭ не равен нулю, то выходная характеристика смещается в область больших токов коллектора на величину h21БIЭ. Поскольку значение h21Б зависит от тока IЭ и напряжения UКБ, выходные характеристики располагаются неравномерно при одинаковых изменениях тока эмиттера. При больших токах коллектора и эмиттера пробой коллекторного перехода происходит при меньших напряжениях UКБ и может перейти в тепловой пробой. Для исключения возможности теплового пробоя режимы работы транзистора необходимо выбирать ниже кривой максимально допустимой рассеиваемой коллектором мощности РКmax (штриховая линия на рис. 2.9).

 При UКБ > 0 и IЭ > 0 эмиттерный и коллекторный p-n-переход включены в прямом направлении, что соответствует режиму насыщения. В этом режиме происходит инжекция дырок в базу, как из эмиттера, так и из коллектора. Инжектируемые из коллектора дырки движутся навстречу экстрагируемым дыркам из базы. Поэтому в режиме насыщения наблюдается резкое уменьшение тока коллектора и даже изменение его направления. Области, расположенной ниже характеристики, снятой при IЭ=0, соответствует режим отсечки.

Рассмотрим режимы работы и статические характеристики биполярного транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером. При включении биполярного транзистора по схеме с ОЭ цепь базы является входной, а цепь коллектора – выходной.

В режиме отсечки полярности и значения напряжений UКЭ и UБЭ таковы, что коллекторный и эмиттерный переходы смещены в обратном направлении (рис. 2.10). В этом случае через эмиттерный p-n-переход проходит обратный ток IЭБ0, а через коллекторный – ток IКБ0. Во входной цепи (цепи базы) проходит ток базы IБ = IКБ0 + IЭБ0.

В режиме насыщения p-n-переходы включаются в прямом направлении (рис. 2.11,а). Для включения эмиттерного p-n-перехода в прямом направлении на базу подается отрицательное  напряжение UБЭ. Для включения коллекторного p-n-перехода в прямом направлении на коллектор следует подавать положительное напряжение относительно базы. Коллекторный переход включается в прямом направлении или при положительном напряжении UКЭ, или при отрицательном, но меньшем по значению, чем UБЭ. В последнем случае напряжение на коллекторном переходе будет прямым и равным UКБ = | UБЭ | - | UКЭ |. Таким образом, в отличие от схемы ОБ режим насыщения в схеме с ОЭ может наступить и  при отрицательном напряжении на коллекторе. В режиме насыщения в цепях транзистора проходят токи IК нас и IБ нас, значительно превышающие токи режима отсечки.


Методические указания к выполнению лабораторных работ по электронике