Материал: Принципы работы диода

Принципы работы диода

Введение

В настоящее время выпускается широкий ассортимент полупроводниковых приборов, применение которых позволяет создать экономичную по питанию, малогабаритную и с высокой эксплуатационной надёжностью радиоаппаратуру.

Однако конструкторам и разработчикам аппаратуры надо внимательно учитывать следующие специфические свойства диодов и транзисторов: большой технологический разброс величин основных параметров, их сильную зависимость от температуры и режима работы, существенный дрейф параметров во время работы или хранения и, наконец, чувствительность к перегрузкам по напряжению, току или мощности, ведущую к пробою и порче диодов и транзисторов. Постоянные (случайные) изменения технологических факторов оказывают существенное влияние на значения параметров изготавливаемых приборов. Поэтому значения параметров даже одного типа приборов являются случайными величинами, т.е. имеется отклонение от среднего (типового, номинального) уровня. Нормы на разброс параметров устанавливаются на основе экспериментально-статистических данных при обеспечении надёжной и устойчивой работы приборов в различных условиях и режимах применения, а также исходя из экономических соображений.

Статические параметры математических моделей полупроводниковых приборов являются главными элементами систем моделирования и анализа радиоэлектронных цепей. Такое моделирование позволяет значительно сократить сроки создания новых изделий радиоэлектронной аппаратуры и резко снизить затраты на их макетирование. Математические модели полупроводниковых приборов содержат десятки параметров, далеко не все из которых приводятся в справочной литературе. Так как для реальных приборов характерен значительный разброс параметров, достигающий десятков процентов, то идентификация параметров позволяет классифицировать приборы по группам с более узкими разбросами.

Целью курсовой работы является овладение методами и приёмами измерения статических характеристик и идентификации по ним с помощью математических моделей статических параметров полупроводниковых диодов, биполярных и полевых транзисторов.

Задание заключается в измерении статических характеристик и идентификации параметров математических моделей четырёх полупроводниковых приборов - полупроводникового стабилитрона Д814А, биполярного транзистора малой мощности КТ342Б, биполярного транзистора средней мощности КТ639В, полевого транзистора КП103К.

Выполнение задания предусматривает:

. Составление ретроспективного обзора научно-технической литературы, в которой описываются математические модели полупроводниковых приборов и экспериментальные методы определения (экстракции) их параметров.

. Составление и обоснование электрической схемы измерения вольт-амперных характеристик полупроводниковых приборов, определение перечня необходимых измерительных приборов и оборудования, сборка экспериментальной установки.

. Построение графиков измеренных зависимостей в наиболее удобном масштабе, анализ их качественного согласия с фундаментальными физическими законами и используемыми математическими моделями, определение по графикам числовых значений параметров приборов.

. Оформление результатов исследования.

1. Принципы работы диода (стабилитрона), биполярного транзистора, полевого транзистора с управляющим p-n-переходом

электрический амперный полупроводниковый диод

Стабилитронами называются полупроводниковые диоды, используемые для поддержания на заданном уровне напряжения на нагрузке вне зависимости от колебаний напряжения источника питания. Стабилитрон включается параллельно нагрузке. Стабилитроны относятся к электропреобразовательным полупроводниковым приборам, рабочим элементом у которых служит полупроводниковый p-n переход, состоящий из двух областей: p-области полупроводника с дырочной проводимостью и n-области с электронной проводимостью. В электронике находят применение в основном несимметричные и односторонние переходы, в которых контактирующие слои имеют различную концентрацию примесей. Высоколегированная область, обладающая меньшим удельным сопротивлением, называется эмиттером, а менее легированный слой с большим удельным сопротивлением, в котором инжектируются неосновные для него носители, называется базой. В силу несимметричности структуры диода p-n-переход оказывается геометрически смещённым в сторону базы, а малая концентрация подвижных носителей в нём (большое сопротивление) приводит к тому, что внешнее напряжение целиком падает именно на области p-n-перехода. Подбором концентрации примеси можно добиться обратимости электрического пробоя (разумеется, при ограничении тока через переход). И тот факт, что в условиях электрического пробоя при изменении тока через переход напряжение на нём практически не меняется, и используется в стабилитронах.

Рассмотрим равновесное и неравновесное состояния p-n-перехода. Равновесным называется состояние p-n-перехода, устанавливающееся при отсутствии на нём смещения. Пусть p-n-переход создан из двух отдельных равновесных частей полупроводника, однородно легированных донорами до концентрации  и акцепторами до концентрации , путём приведения их в контакт и образования кристаллографически совершенной металлургической границы. Будем считать полупроводники невырожденными, причём . В момент образования контакта на металлургической границе существуют скачки уровня Ферми, концентраций электронов и дырок. Поэтому в системе немедленно начинаются процессы выравнивания уровней Ферми [1]. Под действием градиента концентрации электроны будут диффундировать из n-области в p-область, образуя диффузионный ток. Навстречу им будут диффундировать дырки, создавая диффузионный ток. Прошедшие в p-область электроны рекомбинируют с имеющимися там в изобилии дырками. Дырки, перешедшие в n-область, рекомбинируют с электронами. Каждый акт рекомбинации создаёт один нескомпенсированный акцептор в p-области и один нескомпенсированный донор в n-области. Таким образом, в n-области создаётся приграничный положительный пространственный заряд, а в p-области - приграничный отрицательный пространственный заряд. Вместе они образуют область пространственного заряда (ОПЗ), и создают встроенное электростатическое поле, направленное от n-области к p-области. Встроенное поле изменяет энергии электронов, находящихся в точке , на , где  - потенциал встроенного поля в глубине n-области, если положить потенциал встроенного поля равным нулю в глубине p-области. Концентрации носителей непрерывно изменяются от равновесного значения основных носителей до равновесного значения неосновных носителей. В промежуточном неравновесном состоянии в зоне проводимости образуется потенциальный барьер  для электронов и такой же барьер для дырок в валентной зоне. Поскольку потенциальный барьер образуется вследствие диффузии носителей при контакте n- и p-областей полупроводника, он называется диффузионным потенциалом или контактной разностью потенциалов. В равновесном состоянии преодолеть потенциальный барьер могут только самые энергичные основные носители - электроны и дырки. Они образуют равновесные диффузионные токи, а так как при этом суммарный ток равен нулю, то навстречу им текут дрейфовые токи, созданные неосновными электронами и дырками, которые, случайно блуждая, попадают в область сильного поля и перебрасываются им в противоположную область. Таким образом в равновесном p-n-переходе постоянно текут встречные диффузионные и дрейфовые токи, попарно скомпенсированные в зоне проводимости и валентной зоне.

Неравновесным состоянием p-n-перехода называется такое состояние, при котором p-n-переход смещён. Обратным называется смещение p-n-перехода, когда положительный вывод источника смещения подключается к n-области, а отрицательный вывод - к p-области. Сопротивление ОПЗ, где практически нет свободных носителей, намного больше сопротивлений нейтральных областей, поэтому можно считать, что всё обратное смещение приложено к ней [1]. Поле, созданное обратным смещением, совпадает по направлению с встроенным полем и суммируется с ним. Следовательно, в обратно смещённом p-n-переходе высота потенциального барьера увеличится на , где  - абсолютная величина смещения. Увеличение потенциального барьера нарушает равновесие в p-n-переходе. Диффузионные токи резко уменьшаются, так как уменьшается число носителей, способных преодолеть барьер. Дрейфовые же токи практически не изменяются. В результате через обратно смещённый p-n-переход течёт ток , называемый током насыщения, и направленный от n- к p-области. Вследствие захвата неосновных носителей полем ОПЗ их концентрация в приконтактных слоях уменьшается. Это явление называется экстракцией неосновных носителей. Для обратного смещения характерен пробой p-n-перехода. Это резкое увеличение дифференциальной проводимости p-n-перехода при достижении обратным напряжением некоторого критического напряжения. Стабилитрон работает в режиме электрического пробоя. Под действием сильного поля в области p-n-перехода обратный ток резко возрастает при малых изменениях приложенного напряжения.

Прямым называется такое смещение p-n-перехода, когда положительный вывод источника смещения подключается к p-области, а отрицательный вывод - к n-области. Оно также вызывает нарушение равновесия в p-n-переходе, но в противоположную сторону по сравнению с обратным смещением. Теперь поле, созданное смещением , противоположно встроенному полю, следовательно, суммарное поле в p-n-переходе уменьшается, высота потенциального барьера понижается. Понижение потенциального барьера на  приводит к резкому возрастанию диффузионных токов носителей обоих типов. При этом дрейфовые токи практически не меняются. Вследствие этого происходит столь же резкое возрастание концентрации неосновных носителей в приконтактных областях, называемое инжекцией. Суммарный ток при прямом смещении течёт от p- к n-области и сильно зависит от смещения .

Д814А - стабилитрон кремниевый сплавной. Предназначен для работы в схемах стабилизации напряжения. Выпускается в металлическом герметичном корпусе со стеклянным изолятором. Масса диода не более 1 г. Выбор кремния в качестве материала для полупроводникового стабилитрона обусловлен главным образом малым обратным током. При этом саморазогрев диода в предпробойной области отсутствует и переход в последнюю получается достаточно резким. Кроме того, в самой области пробоя, даже при большом токе, нагрев диода не носит лавинообразного характера. Рабочий участок характеристики идёт почти вертикально и не имеет отрицательного наклона, характерного для теплового пробоя. Поскольку пробойный режим не связан с инжекцией неосновных носителей, в полупроводниковом стабилитроне отсутствуют инерционные явления (накопление и рассасывание носителей) при переходе из области пробоя в область запирания и обратно.

Биполярный транзистор - это полупроводниковый прибор с двумя взаимодействующими p-n-переходами, обладающий усилительными свойствами. Два p-n-перехода образуются тремя чередующимися областями n-p-n или p-n-p. Соответственно различают транзисторы pnp- и npn-типа. Каждая из трёх областей имеет свой вывод. Средняя область транзисторной структуры называется базой. Одна из областей с противоположной проводимостью называется эмиттером, другая - коллектором. Токи в транзисторной структуре возникают под действием разности потенциалов между выводами. В электронных схемах один из выводов транзистора оказывается заземлённым. Его потенциал принимается за нуль, относительно которого отсчитываются потенциалы двух других выводов. Если заземлён эмиттерный вывод (и эмиттерная область), то говорят, что транзистор включён по схеме с общим эмиттером (ОЭ). Потенциал базы относительно эмиттера обозначается . Он смещает только эмиттерный переход. Потенциал коллектора относительно эмиттера  смещает одновременно и переход эмиттер-база, и переход коллектор-база. Схема с общим эмиттером обеспечивает усиление по току, напряжению и мощности. В зависимости от полярности смещений коллекторного и эмиттерного переходов различают следующие режимы работы транзистора.

. Активный режим - эмиттерный переход смещён в прямом направлении, коллекторный - в обратном.

. Режим насыщения - оба перехода смещены в прямом направлении. Такое состояние транзистора называется открытым.

. Режим отсечки - оба перехода смещены в обратном направлении. Транзистор находится в закрытом состоянии.

. Инверсный режим - эмиттерный переход смещён в обратном направлении, коллекторный переход - в прямом направлении.

При изготовлении транзистора необходимо выполнить два основных условия: концентрация основных носителей в эмиттере и коллекторе должна быть много выше (обычно примерно на два-три порядка), чем в базе; толщина базы должна быть много меньше диффузионной длины свободного пробега носителей, инжектированных в базу эмиттером, чтобы свести к минимуму рекомбинацию. Только при одновременном соблюдении этих условий можно наблюдать «транзисторный эффект», благодаря которому этот прибор способен усиливать электрический сигнал.

В состоянии равновесия потенциалы всех выводов транзистора одинаковы, уровень Ферми также одинаков в эмиттерной, базовой и коллекторной областях, а макроскопические токи отсутствуют.

Для объяснения принципа работы транзистора обычно анализируют схему с общей базой (ОБ) в активном режиме. Рассмотрим n-p-n транзистор. Для него в этом случае напряжение на эмиттере относительно базы должно быть отрицательным, а на коллекторе - положительным. Если нет эмиттерного тока (при ), то через закрытый коллекторный переход ток почти не течёт. Есть очень слабый ток неосновных носителей, так называемый обратный ток коллектора . При подаче на эмиттерный p-n-переход прямого смещения достаточной величины эмиттерный переход откроется, и через него потечёт ток. При этом инжектируются электроны из n-эмиттера в базовую область транзистора. Если концентрация легирующей примеси в эмиттере значительно больше, чем в базе, то ток электронов, инжектируемых в базу, будет практически равен полному току эмиттера. Эффективность эмиттера характеризуется коэффициентом инжекции, который должен быть близок к единице. Часть электронов, инжектированных эмиттером, будет рекомбинировать в базе с дырками. Если толщина базы много меньше диффузионной длины электронов в ней, то большинство электронов дойдёт до коллектора. Для базы поступившие из эмиттера электроны являются неосновными носителями, поэтому они диффундируют в область коллектора (здесь они уже являются основными носителями). Коллекторный p-n-переход смещён в обратном направлении, поэтому все электроны дошедшие до ОПЗ коллектора, будут захвачены электрическим полем перехода и переброшены в квазинейтральную область коллектора (произойдёт экстракция дырок коллектором). Эти электроны обеспечивают появление тока коллектора . Эффективность перемещения электронов через базу характеризуется коэффициентом переноса. Значение коэффициента переноса в транзисторе с малым отношением толщины базы к диффузионной длине электронов в ней близко к единице. Небольшое число прорекомбинировавших в базе электронов в совокупности с дырками, инжектированными из базы в эмиттер, определяет базовый ток , который меньше . Некоторый вклад в величину тока базы вносят ещё и неосновные носители, перемещающиеся через коллекторный переход из базы в коллектор и из коллектора в базу. Из выше сказанного следует, что, изменяя ток эмиттера (путём изменения напряжения ), можно управлять током коллектора, поддерживая на коллекторном переходе постоянное напряжение. С физической точки зрения это эквивалентно изменению сопротивления коллекторного перехода, причём в весьма широких пределах (на несколько порядков). Благодаря этому транзистор можно использовать в качестве ключа, замыкающего либо размыкающего цепь, так как в режиме насыщения коллекторный переход транзистора имеет весьма малое, а в режиме отсечки, наоборот, очень большое сопротивление. Биполярный транзистор является усилительным прибором с управлением по току. Действительно, при анализе работы транзистора удобнее оперировать с токами, а не с вызывающими их напряжениями. Диапазон изменения входных токов значительно больше диапазона изменения входных напряжений.

В транзисторе, включённом по схеме с ОЭ, имеет место усиление не только по напряжению, но и по току. В такой схеме входным током является ток базы, а выходным - ток коллектора. В биполярном транзисторе n-p-n типа p-n-переход коллектор-эмиттер, в активном режиме, смещён в обратном направлении. При подаче на переход база-эмиттер напряжения около 0,6 В (для кремния) носители заряда преодолевают потенциальный барьер перехода база-эмиттер. Это приводит к поступлению неосновных носителей заряда в область базы, где они дрейфуют под действием встроенного поля или диффундируют, если такого поля нет. При попадании этих носителей заряда в область электрического поля коллекторного перехода эти носители заряда испытывают притяжение со стороны коллектора. Большинство такого рода неосновных носителей (неосновных для области базы) захватывается коллектором и появляется коллекторный ток, управляемый (меньшим по величине) током базы. Ток коллектора пропорционален скорости инжекции неосновных носителей в базу, которая является экспоненциальной функцией разности потенциалов база-эмиттер. В этом случае биполярный транзистор можно рассматривать как усилитель тока (с практически постоянным коэффициентом усиления по току B_F, который также носит название статического коэффициента передачи тока в схеме с общим эмиттером).

КТ342Б - кремниевый биполярный транзистор n-p-n типа малой мощности высокочастотный. Выполнен по планарно-эпитаксиальной технологии.

КТ639В - кремниевый биполярный транзистор p-n-p типа средней мощности высокочастотный. Выполнен по планарно-эпитаксиальной технологии.

Полевой транзистор - полупроводниковый прибор, в котором управление выходным током осуществляется посредством модуляции проводимости канала электрическим полем. Прибор представляет собой полупроводниковый слой - канал - с проводимостью n- или p-типа. По краям канала созданы два омических контакта, между которыми приложено напряжение, создающее электрический ток. Контакт, из которого вытекают носители, называется истоком. Контакт в который втекают носители, называется стоком. Между истоком и стоком сформирован третий контакт - затвор. Приложенное между ним и истоком напряжение модулирует проводимость канала. На высокоомной (полуизолирующей) подложке выращивается слой полупроводника определённого типа проводимости. В нём создаются два высоколегированных кармана - исток и сток этого же типа проводимости. Между ними формируется несимметричный p-n-переход, практически вся ОПЗ которого располагается в выращенном слое полупроводника. Каналом является слой между высокоомной ОПЗ и подложкой. Модуляция проводимости осуществляется обратным смещением p-n-перехода, который поэтому называется управляющим. Увеличивая толщину ОПЗ, мы тем самым уменьшаем сечение канала, а, значит, увеличиваем его сопротивление. При некотором значении обратного смещения ОПЗ полностью перекроет канал, и его сопротивление станет очень большим, практически бесконечным. Но проводимость канала может модулироваться не только затворным, но и стоковым напряжением. При малых стоковых напряжениях профиль канала, а, значит, и его сопротивление, остаётся приблизительно постоянным, поэтому ток линейно зависит от напряжения. При более высоких напряжениях сопротивление канала начинает расти, вследствие чего рост тока замедляется. При некотором напряжении ток выходит на насыщение.