What's slots online game popular today?
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

Примеси в полупроводниках. p- и n-типы полупроводников

Электропроводность полупроводника может быть обусловлена как электронами собственных атомов данного вещества (собственная проводимость), так и электронами примесных атомов (примесная проводимость). Наряду с примесями источниками носителей тока могут быть и различные дефекты структуры, например вакансии, междоузельные атомы, а также недостаток или избыток атомов одного из компонентов в полупроводниковых соединениях (отклонения от стехиометрического состава), например недостаток Ni в NiO или S в PbS.

Примеси делятся на донорные и акцепторные. Доноры отдают в объём полупроводника избыточные электроны и создают таким образом электронную проводимость (n-типа). Акцепторы захватывают валентные электроны вещества, в которое они внедрены, в результате чего создаются дырки и возникает дырочная проводимость (р-типа).

Типичные примеры доноров - примесные атомы элементов V группы (Р, As, Sb) в Ge и Si. Внедряясь в кристаллическую решётку, такой атом замещает в одной из ячеек атом Ge. При этом 4 из 5 его валентных электронов образуют с соседними атомами Ge ковалентные связи, а 5-й электрон оказывается для данной решётки лишним, так как все связи уже насыщены. Не локализуясь ни в одной элементарной ячейке, он становится электроном проводимости. При этом примесный атом однократно положительно заряжен и притягивает электрон, что может привести к образованию связанного состояния электрона с примесным ионом. Однако эта связь очень слаба из-за того, что электростатическое притяжение электрона к примесному иону ослаблено большой поляризуемостью П., а размеры области вблизи примеси, в которой локализован электрон, в десятки раз превышают размер элементарной ячейки кристалла. Энергия ионизации примеси ~0,01 эВ в Ge и ~0,04 эВ в Si, даже при температуре 77 К большинство примесей ионизовано, то есть в полупроводнике имеются электроны проводимости с концентрацией, определяемой концентрацией донорных примесей.

Аналогично атомы элементов III группы (В, Al, Ga, In) - типичные акцепторы в Ge и Si. Захватывая один из валентных электронов Ge в дополнение к своим 3 валентным электронам, они образуют 4 ковалентные связи с ближайшими соседями - атомами Ge - и превращаются в отрицательно заряженные ионы. В месте захваченного электрона остаётся дырка, которая так же, как электрон вблизи донорного иона, может быть удержана в окрестности акцепторного иона кулоновским притяжением к нему, однако на большом расстоянии и с очень малой энергией связи. Поэтому при не очень низких температурах эти дырки свободны.

Рассмотренные примеры относятся к примесям замещения. Примером примесей внедрения в Ge и Si является Li. Из-за малости иона Li+ он, не нарушая существенно структуры решётки, располагается между атомами Ge (в междоузлии). Свой внешний валентный электрон, движущийся на существенно большем расстоянии, он притягивает очень слабо и легко отдаёт, являясь, таким образом, типичным донором. Во многих полупроводниках типа AIVBVI источники свободных дырок - вакансии атомов AIV, а вакансии BVI - источники электронов проводимости. Из сказанного ясно, что введение определённых примесей (легирование полупроводника) - эффективный метод получения полупроводников с различными требуемыми свойствами.

Равновесные концентрации носителей заряда в полупроводниках

При отсутствии внешних воздействий (освещения, электрического поля и т.п.) концентрации электронов и дырок в полупроводнике полностью определяются температурой, шириной его запрещенной зоны, эффективными массами носителей, концентрациями и пространственным распределением примесей и дефектов, а также энергиями связи электронов и дырок с ними. Это так называемые равновесные концентрации носителей.

С повышением температуры тепловое движение забрасывает в зону проводимости электроны с донорных атомов и из валентной зоны (для определённости имеется в виду проводимость n-типа). Однако если энергия ионизации донора Ed << Eg (что обычно и бывает), а температура не слишком высока, то первый из этих процессов оказывается доминирующим, несмотря на то, что число доноров во много раз меньше числа валентных электронов. У полупроводника появляется заметная примесная электронная проводимость, быстро растущая с ростом температуры.

 Концентрация электронов в зоне проводимости при этом во много раз больше концентрации дырок в валентной зоне. В таких условиях электроны называются основными носителями, а дырки - неосновными (в полупроводнике р-типа наоборот: основные носители - дырки, неосновные - электроны). Рост концентрации свободных носителей с температурой продолжается до тех пор, пока все доноры не окажутся ионизованными, после чего концентрация в широком температурном интервале остаётся почти постоянной. Число же электронов, забрасываемых тепловым движением в зону проводимости из валентной зоны, продолжает экспоненциально нарастать и при некоторой температуре становится сравнимым с концентрацией примесных электронов, а потом и во много раз большим, то есть снова начинается быстрое возрастание с температурой суммарной концентрации свободных носителей.

Это область собственной проводимости полупроводника, когда концентрации электронов n и дырок р практически равны: n = p = ni. Рост числа собственных носителей тока продолжается вплоть до самых высоких температур, и концентрация их может достигать при Т = 1000 К значений, лишь на 1-3 порядка меньших, чем концентрация электронов проводимости в хороших металлах. Температура, при которой происходит переход от примесной к собственной проводимости, зависит от соотношения между Ed и Eg, а также от концентраций Nd и Na.

В Ge с примесью элементов V группы полная ионизация доноров происходит уже при температурах Т ~ 10 К, если Nd ~1013 см-3 и при Т = 30 К, если Nd ~ 1016 см-3, а переход к собственной проводимости при Т = 300 К для Nd ~ 1013 см-3 и при Т = 450 К для Nd ~ 1016 см-3.

Определение равновесных концентраций носителей заряда в полупроводнике основывается на распределении Ферми электронов по энергетическим состояниям (в зонах и на примесных уровнях). Вероятность f того, что состояние с энергией E занято электроном, выражается следующей формулой:

Здесь F - уровень Ферми - энергия, отделяющая уровни преимущественно заполненные (f > 1/2) от преимущественно незаполненных (f <1/2).

Рис.3. Распределение электронов по энергетическим состояниям

Если уровень Ферми лежит в запрещенной зоне на расстоянии > kT от дна зоны проводимости и от потолка валентной зоны, то в зоне проводимости f << 1, т. е. мало электронов, а в валентной зоне 1 - f << 1, т. е. мало дырок. В этом случае принято говорить, что электроны и дырки невырождены, в отличие от случая вырождения, когда уровень Ферми лежит внутри одной из разрешенных зон, например в зоне проводимости на расстоянии >> kT от её дна.

Неравновесные носители тока

 Важной особенностью полупроводников, определяющей многие их применения, является возможность относительно легко изменять в них концентрации носителей по сравнению с их равновесными значениями, то есть вводить дополнительные, неравновесные (избыточные) электроны и дырки. Генерация избыточных носителей возникает под действием освещения, облучения потоком быстрых частиц, приложения сильного электрического поля и, наконец, инжекции через контакты с другим полупроводником или металлом.

Фотопроводимость полупроводников

Фотопроводимость полупроводников - увеличение электропроводности под действием света; как правило, обусловлена появлением дополнительных неравновесных носителей в результате поглощения электронами квантов света с энергией, превышающей энергию их связи. Различают собственную и примесную фотопроводимости. В первом случае фотон поглощается валентным электроном, что приводит к рождению пары электрон - дырка. Пары электрон - дырка могут создаваться и фотонами с энергией, несколько меньшей Eg, т.к. возможны процессы, в которых электрон, поглощая фотон, получает дополнительную энергию за счёт теплового движения (кристаллической решётки или от равновесного носителя тока). Под действием существенно более длинноволнового света фотопроводимость возникает только при наличии примесей, создающих локальные уровни в запрещенной зоне, и связана с переходом электрона либо с локального уровня в зону проводимости, либо из валентной зоны на локальный уровень примеси (рождение дырки).

Явление фотопроводимости позволяет за короткое время (порядка микро- и наносекунд) изменять электропроводность полупроводника в очень широких пределах, а также даёт возможность создавать высокие концентрации носителей тока, в которых из-за относительно большой Eg и отсутствия подходящих примесей не удаётся получить заметных равновесных концентраций носителей.

Использование фотопроводимости полупроводников с разными Eg и глубиной примесных уровней (Si, Te, InSb, PbS, CdS, РЬТе, Ge, легированный Zn или Au и т.д.) позволяет создавать высокочувствительные приёмники света для различных областей спектра от далёкой инфракрасной до видимой.

Лабораторное задание 

и методические указания


Получить экспериментально зависимость выпрямленного тока диода от частоты Iвып=y(f) в диапазоне частот от 100 Гц до 200 кГц. Для этого собрать схему согласно рис. 4.4, взяв R0=100 кОм, а С0 – согласно условию .

Снять зависимость Iвып=y(f), где Iвып – величина постоянного тока, протекающего через диод. Его значение можно определить если измерить величину постоянного напряжения на выходе схемы и разделить ее на минимальную величину резистора R0: Iвып=U_/R0. Повторить измерения, уменьшив R0, а затем увеличив его в несколько раз. Построить семейство характеристик Iвып=y(f) для трех различных значений R0.

Снять осциллограмму ВАХ стабилитрона. По полученной ВАХ определить: номинальное значение напряжения стабилизации Ucт ном, номинальный ток стабилизации Icт ном, дифференциальное сопротивление стабилитрона . Полученные значения параметров Ucт ном и Icт ном сравнить с паспортными значениями приведенными в табл. 4.2.

Контрольные вопросы

Перечислите основные параметры полупроводниковых выпрямительных диодов.

Как выбирается положение рабочей точки на ВАХ диодов?

Какой тип диода называется варикапом?

Лабораторная работа № 5

Параметры биполярных транзисторов

Цель работы: Изучение параметров биполярных транзисторов и их расчет графоаналитическим методом.

Биполярный транзистор представляет собой полупроводниковую структуру, разделенную на три области с поочередно меняющимися типами проводимости (рис. 5.1). Если область с электронной проводимостью находится между объемами с дырочной проводимостью, то такой транзистор является транзистором типа р-n-р (рис. 5.1 а). Если же область с дырочной проводимостью находится между объемами с электронной проводимостью, то такой транзистор представляет собой транзистор типа n-p-n (рис. 5.1 б).

Поскольку перенос заряда осуществляется двумя типами носителей, а именно, электронами и дырками, поэтому они называются биполярными. Общая область для правой и левой частей транзистора называется базой. Принцип работы p-n-р транзистора аналогичен принципу работы n-р-n транзистора, и при этом изменяется полярность питающих напряжений (рис. 5.1 в, г). По этой причине в дальнейшем будем рассматривать только транзисторы p-n-р-типа.


Возможны четыре режима работы транзистора:

активный режим, когда эмиттерный переход смещен в прямом направлении, а коллекторый – в обратном;

режим запирания (отсечки), когда оба перехода смещены в обратном направлении;

режим насыщения, когда оба перехода смещены в прямом направлении;

Инверсный, режим когда эмиттерный переход смещен в обратном направлении, а коллекторный – в прямом.

Выходными статическими характеристиками транзистора, включенного с общим эмиттером (рис. 2.13), является семейство характеристик IК = f (UКЭ) при IБ = const.

Вид  этих характеристик отражает особенности работы транзистора с ОЭ в различных режимах. Рассмотрим область, соответствующую границе режима отсечки. В этой области ход характеристик зависит от условий работы эмиттерного перехода, определяемых цепью базы.

Если в цепь базы включен источник напряжения UБЭ (рис. 2.10), смещающий эмиттерный переход в обратном направлении, то через эмиттерный переход проходит ток IЭБ0, обусловленный движением неосновных носителей. Следовательно,  происходит разделение потока неосновных носителей в коллекторный и эмиттерный переход. Поэтому через коллекторный переход проходит ток коллектора IКБ0.

В активном режиме и в режиме насыщения эмиттерный переход включается в прямом направлении путем подачи отрицательного напряжения на базу (рис. 2.11) относительно эмиттера. Под действием этого напряжения в цепи базы проходит ток IБ1. За счет напряжения UБЭ при нулевом напряжении коллектора оба p-n-перехода транзистора смещены в прямом направлении. Транзистор работает в режиме насыщения, и через коллектор проходит ток инжекции, направление которого противоположно направлению коллекторного тока в активном режиме. В базе происходит накопление неосновных носителей заряда – дырок.

С появлением небольшого отрицательного напряжения на коллекторе ток инжекции из коллектора уменьшается, а ток, обусловленный экстракцией дырок из базы в коллектор, увеличивается. Поэтому при увеличении отрицательного  напряжения коллектора до значения UКЭ = UБЭ наблюдается значительный рост коллекторного тока. При | UКЭ | > | UБЭ | транзистор из режима насыщения переходит в активный режим работы. Рост коллекторного тока при дальнейшем увеличении отрицательного напряжения UКЭ замедляется, однако наклон выходных характеристик к оси токов в схеме с ОЭ оказывается больше, чем в схеме с общей базой. Это объясняется следующими причинами.

Во-первых, увеличение отрицательного напряжения UКЭ приводит к уменьшению ширины и тока базы (вследствие уменьшения рекомбинационной составляющей). Для восстановления первоначального значения тока базы (выходные характеристики снимаются при постоянных токах базы) необходимо увеличить напряжение UБЭ, что сопровождается ростом токов эмиттера и коллектора.

Во-вторых, возрастающее отрицательное напряжение на коллекторе увеличивает ударную - ионизацию в коллекторном переходе, что сопровождается ростом тока коллектора и может закончиться электрическим пробоем коллекторного перехода.

В схеме с ОЭ увеличение тока базы вызывает увеличение коллекторного тока, т.е. смещение выходных характеристик вверх. Расстояние между выходными характеристиками при одинаковых приращениях тока базы различны. Эта неравномерность расположения выходных характеристик связана с изменением статического коэффициента передачи тока базы h21Э при изменении тока эмиттера.

Схемы исследования

 Схема исследования статических характеристик биполярного транзистора типа n-p-n, включенного по схеме «ОБ», представлена на рис. 2.14, а по схеме «ОЭ» - на рис. 2.15. Каждая из этих схем собирается поочередно в левом нижнем квадранте монтажного шасси с использованием комплекта соединительных проводов.

Напряжения питания подаются с гнезд источников стабилизированных напряжений: Е-1 и Е-2, имеющих собственную цифровую индикацию и плавные регулировки R9 и R10 выходных напряжений соответственно. Измерения постоянных напряжений и токов в схемах осуществляются с помощью цифровых тестеров серии MY6x. При этом тестер, используемый для измерения тока, всегда включается последовательно с исследуемым объектом; а тестер, используемый для измерения напряжения, всегда включается параллельно с исследуемым объектом.

Порядок выполнения работы

3.1. На тестере ММ-1 установить переключатель РРП в положение (0С). Включить тестер ММ-1 нажатием красной кнопки (on/off). Определить температуру окружающей среды Токр. ср., считав показания тестера, и полученный результат занести во все ниже следующие таблицы. Выключить тестер ММ-1 нажатием красной кнопки (on/off).

3.2. Собрать схему, представленную на рис. 2.14. Установить переключатель РРП каждого тестера в сектор «А» или «V» на соответствующий предел измерений, который указан на схеме (рис. 2.14). Убедиться, что регулировки R9 и R10 источников питания Е1 и Е2 находятся в крайнем левом положении, а переключатель П4, расположенный на монтажном шасси, - в положении «ОБ». Предъявить собранную схему преподавателю для проверки.

3.3. Исследовать семейство статических входных характеристик биполярного транзистора (БПТ), включенного по схеме с общей базой, т.е. семейство вида IЭ=f(UЭБ) при UКБ=const. Измерения проводить для трех фиксированных значений UКБ= 0; 4; 8 В.

Включить тестеры ММ-1 – ММ-4 нажатием кнопок “on/off” и источники питания Е1 и Е2 нажатием кнопки “POWER”. С помощью R10 и тестера ММ-4 установить UКБ=0 В. Далее, с помощью R9 и тестера ММ-2 устанавливать значения тока IЭ от 0 до 30 mA c шагом 5 mA. При каждом значение тока IЭ с помощью R10 и тестера ММ-4 корректировать значение напряжения UКБ=0 В. После этого с табло тестера ММ-1 снять значение напряжения UЭБ, а с табло тестера ММ-3 – значение тока коллектора IК. Отметить значения UЭБ и IК при токе эмиттера IЭ= 0,2 mA. Полученные результаты занести в таблицу 2.1.

Установить R9 в крайнее левое положение. Повторить измерения для UКБ=4 В и UКБ=8 В. Полученные результаты занести в таблицу 2.1.

Таблица 2.1.

Токр.ср.

(0С)

Тип

транзистора

UКБ

(В)

(mA)

0

0,2

5

10

15

30

КТ602А

0

UЭБ , B

IК , mA

4

UЭБ , B

IК , mA

8

UЭБ , B

IК , mA


Методические указания к выполнению лабораторных работ по электронике