Электроника - лекции, лабораторные работы

Лабораторная работа по электронике
Исследование диодных схем
Трехфазные цепи синусоидального тока
Полупроводниковые приборы
Полупроводниковые выпрямители

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.

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 рр и nn. Типичными являются структуры с рр » nn. На примере германия принято следующее распределение концентраций: рр = 1018 см –3, nn = 1015 см –3. Концентрация собственных носителей заряда в германии при 20ºС ni = 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

 pp 1018

 ni nn 1015

 np 109  pn 1012

 x

 q +

 x

 _ 

 x

 φ x

  φo 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 φо создает тормозящее действие дальнейшего диффузионного процесса. При комнатной температуре для германия φо = 0,3 ÷ 0,5 В, а для кремния φо = 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

 - +

  j x

 φo-Ua

 φo

  φo+Ua a)

 Ia

 Рис. 2

 Io

 Ua б)

 ΔUa

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 Uа и становится равным φо+Uа. 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 tуст. (рис. 3).

 i

 tуст Iпрям.

 0,1 Iпр. t

  iобр. 

 tвост. 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 tвост . Это время в течение которого обратный ток уменьшается до 0,1 Iпр .

 Учитывая важность переходных процессов для оценки работы импульсных диодов, они (в дополнение к параметрам выпрямительных диодов) характеризуются временами tуст и tвост , а также емкостью p-n-перехода Сд и максимальным прямым импульсным напряжением Uпр.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

 Биполярным транзистором называют полупроводниковый прибор с тремя выводами, имеющий два взаимодействующих электронно-дырочных перехода, которые образованы между тремя областями с чередующимися типами проводимости. В зависимости от порядка чередования областей различают транзисторы p-n-p- и n-p-n- типов.

Транзистор как активный четырёхполюсник

Полевые транзисторы с изолированным затвором. В этой группе транзисторов затвор представляет собой тонкую пленку металла, изолированную от полупроводника, в котором формируется проводящий канал. В зависимости от вида изоляции различают МДП и МОП – транзисторы.

Снятие семейства проходных (передаточных) характеристик биполярного транзистора и определение крутизны и h – параметров.

На главную