ТВЕРДОТЕЛЬНАЯ ЭЛЕКТРОНИКА

Электроника
ТВЕРДОТЕЛЬНАЯ ЭЛЕКТРОНИКА
Генератор сигналов специальной формы
Изучение статических характеристик
полевых транзисторов
Основные параметры полевого транзистора
Изучение оптоэлектронных приборов
оптопара (оптрон)
Вольтамперная характеристика
Классификация изделий микроэлектроники.
Эпитаксия
Нанесение тонких пленок.
Полевой транзистор с изолированным затвором
ФОТОЭЛЕКТРОННЫЕ ПРИБОРЫ
Фоторезисторы

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОТЕХНИКИ

ИССЛЕДОВАНИЕ ТРЕХФАЗНЫХ ЦЕПЕЙ
Переходные процессы в линейных цепях первого порядка
Переходные процессы в RLC цепях.
Спектральное представление периодических процессов
Исследование характеристик линейных четырехполюсников
Аппаратно-программный комплекс PClab – 2000
Методика выполнения лабораторного практикума
в лаборатории электротехники
Исследование неразветвленной и разветвленной
электрических цепей постоянного тока
Исследование нелинейных цепей постоянного тока
Переходные процессы в электрических цепях

ДИФФУЗИОННАЯ ЕМКОСТЬ p–n - ПЕРЕХОДА

Диффузионная емкость проявляется при прямом включении p–n-перехода и большом уровне инжекции носителей заряда. Зонная диа

грамма прямосмещенного p–n-перехода приведена на рис.4. На рисунке изображен несимметричный p–n-переход с эмиттером электронов.

Напряжение U внешнего источника питания уменьшает величину электрического поля в p–n-переходе E=Eк-Eвн (Eк - контактное, Eвн − поле внешнего источника питания) и повышает энергию электронов в эмиттере n+-типа. При этом уровень Ферми WF (жирный пунктир на рис.4) поднимается, потенциальный барьер уменьшается до величины q(j0-U), толщина p–n-перехода уменьшается до величины , где e − относительная диэлектрическая проницаемость кристалла полупроводника, e0 = 8.86·10−12 Ф/м − диэлектрическая постоянная, Na и Nd – концентрации акцепторных и донорных примесей соответственно в эмиттере и базе. Из эмиттера в базу течет диффузионный ток электронов. Концентрация электронов в базе на границе p–n-перехода np(0) = npexpU/jт выше равновесной концентрации электронов в глубине базы np. За счет разности концентраций np(0)−np = np(expU/jт−1) начинается диффузия электронов в глубину базы. Происходит их частичная рекомбинация с основными носителями заряда в базе (дырками). По мере продвижения электронов в глубину базы их избыточная концентрация убывает с увеличением х по закону np(х)−np = [np(0)–np]exp(–x/Ln), здесь Ln – средняя длина диффузии электронов, на которой концентрация электронов уменьшается в е ≈2.7 раз.

Следует отметить, что в соответствии с принципом электрической нейтральности из глубины базы дрейфуют дырки и вблизи p–n-перехода возникает избыточный заряд дырок, уравновешивающий избыточный заряд электронов. Эти два заряда, возникшие в базе вблизи границы p–n-перехода, и образуют заряд диффузионной емкости прямосмещенного p–n-перехода. Заряд диффузионной емкости не может накопиться или рассосаться мгновенно. Поэтому при изменении напряжения источника питания U возникает переходный процесс, который длится конечное время. Время переходного процесса определяется многими факторами: концентрацией неосновных носителей, коэффициентом диффузии D [1/см2·c], временем жизни неосновных носителей в базе τn и наличием встроенного в базу дополнительного электрического поля.

Величину поверхностной плотности заряда диффузионной емкости можно оценить, если заменить экспоненциальное распределение концентрации электронов в базе линейным, спадающим с np(0) до np на средней длине диффузии Ln. Тогда поверхностная плотность заряда рассчитывается как площадь под треугольником Qдиф = qnp(expUпер/jт−1)·Ln/2. Если пренебречь падением напряжения на низкоомной области эмиттера, омических контактах и выводах диода, то напряжение на p–n-переходе Uпер = U−Uб, где Uб – падение напряжения на высокоомной области базы. Величина диффузионной емкости С = SQдиф/Uпер = Sqnp(expU/jт−1)Ln/(2Uпер) нелинейно зависит от напряжения питания U, здесь S – площадь p–n-перехода.

ПЕРЕХОДНЫЕ ПРОЦЕССЫ ПРИ БОЛЬШОМ ИМПУЛЬСЕ НАПРЯЖЕНИЯ

Рассмотрим переходные процессы, происходящие в полупроводниковом диоде при подаче большого импульса напряжения Uпр ≥ j0, │Uобр│ > j0 (рис.5,а). Полагаем, что внутреннее сопротивление генератора напряжения много меньше сопротивления базы диода.



         В интервале времени от t0 до t1 напряжение на диоде U = 0, ток I = 0, p–n-переход находится в состоянии термодинамического равновесия и концентрация электронов в базе составляет np0.

В момент времени t1 напряжение на диоде U скачком изменяется от нуля до Uпр. Если не учитывать падение напряжения на эмиттере, контактах и выводах диода, то оно распределится между базой Uб и p–n-переходом Uпер. Для того чтобы понять, как распределится напряжение, необходимо учесть наличие барьерной емкости p–n-перехода. Распределение концентрации носителей заряда в диоде мгновенно измениться не может, поэтому Uпер = 0.


В следующие моменты времени t2 и t3 происходит установление равновесия: напряжение Uпер возрастает, стремясь к φ0, напряжение Uб падает, стремясь к U−φ0, концентрация электронов в базе на границе p–n-перехода увеличивается и начинается диффузия электронов в глубину базы (рис.6,а, кривые 2 и 3). По мере накопления в базе инжектированных электронов и уравновешивающих их заряд дырок сопротивление базы уменьшается, а ток через диод I возрастает (рис.5,г).

При длительном прохождении прямого тока процесс инжекции электронов уравновешивается процессом их рекомбинации. Устанавливается состояние, при котором концентрация электронов и дырок превышает равновесную вблизи p–n-перехода и снижается, стремясь к равновесной np0 при удалении от него в глубь базы (кривая 4 на рис.6,а). Ток через диод достигнет своего стационарного значения Iпр.

При изменении полярности импульса напряжения с Uпр на Uобр (время t5) напряжение на базе изменяется скачком: Uб = Uобр−φ0. Начинается дрейф накопленных в базе неосновных носителей (электронов) обратно в эмиттер. Наблюдается большой обратный ток через диод, ограниченный в основном сопротивлением базы диода Iобр = Uб/rб (рис.5,г). Пока концентрация электронов в базе около p–n-перехода превышает равновесное значение, на p–n-переходе сохраняется прямое падение напряжения (рис.5,в).

С течением времени все накопленные в базе электроны уходят через p–n-переход или рекомбинируют в базе с дырками (кривые 6,7,8 на рис.6.б).

Затем начинается фаза восстановления высокого обратного сопротивления диода. В моменты времени t8, t9 и t10 распределение концентрации электронов в базе стремится к равновесному (кривая 10 на рис.6,б), а ток I экспонециально уменьшается, стремясь к величине тока обратносмещенного диода Iобр.

Процесс рассасывания накопленных неосновных носителей происходит значительно медленнее их накопления, поэтому именно его время и определяет частотные свойства большинства диодов.

Для ускорения процесса рассасывания электронов из базы можно уменьшить время жизни неосновных носителей, легировав базу атомами меди или золота, энергетические уровни которых располагаются в глубине запрещенной зоны полупроводника. При этом электроны захватываются на ловушках, а затем с уровня ловушек переходят на уровень верха валентной зоны и рекомбинируют с дырками. При таком двухступенчатом процессе время жизни электронов уменьшается.

Если неравномерно легировать базу и создать “встроенное” электрическое поле, то электроны за счет двух механизмов диффузии и электрического дрейфа быстрее достигнут границы p–n-перехода и уйдут в эмиттер. Подробно о создании “встроенного” в базу электрического поля см. в работе [9, параграф 3.4.].

Если использовать оба приема, то время рассасывания заряда диффузионной емкости может сократиться в четыре - пять раз.

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

Цель работы: Снятие осциллограмм и определение характерных времен переходных провесов.

Приборы и принадлежности: генератор импульсов SFG-2110, осциллограф GDS-2102 (или аналогичные), исследуемые полупроводниковые диоды (выпрямительные и импульсные).

Задание

1. Собрать схему установки для снятия осциллограмм переходных процессов диодов согласно рис.7.


2. Установить исследуемый диод в разъем макета лабораторной работы.

3. Установить режим работы генератора SFG-2110 согласно руководству по использованию (прилож.1).

4. Установить режим работы цифрового осциллографа GDS-2102 согласно руководству по использованию (прилож.2).

На экране осциллографа будет наблюдаться осциллограмма переходного процесса (рис.8).

Величины прямого Iпр и обратного Iоб токов определяют из осциллограммы по падению напряжения на сопротивлении R=50 Ом, включенном последовательно с диодом VD.

Времена высокой обратной проводимости t1 и время восстановления tвос определить, как показано на рис.8.

5. При постоянном Iпр = U+/R = 1.0 В/ 50 Ом = 20 мА изменить величину Iобр, изменяя напряжение U– = 8÷2 В с шагом ΔU– =1 В. При этом Iобр= (U–)/R. Измерить величины t1 и tвос при всех Iобр.

6. Поддерживая Iобр = 20 мА постоянным за счет постоянной разности U–−U+ =1.0 В, изменять величину Iпр, изменяя напряжение базового смещения U+=0.4÷2.0 В с шагом ΔU+=0.4 В. Измерить величины t1 и tвос при всех Iпр.

Обработка результатов измерений

1. Зарисовать осциллограммы переходных процессов диодов.

2. Построить графики зависимостей tвос = f(Iпр/Iобр) при Iпр = const.

3. Построить графики зависимостей tвос = f(Iпр/Iобр) при Iобр = const.


4. Рассчитать величину заряда, накопленного в базе диода , где τ= –(tвос–t1)/ln0.1 =

= (tвос–t1)/2.3.

5. Оценить величину диффузионной емкости Cдиф ≈ Q/φ0; для германия, кремния и арсенид галлия принять φ0 = 0.3; 0.6 и 1.0 В соответственно. Построить график Сдиф = f(Iпр).

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Как возникает барьерная емкость p–n-перехода?

2. Как возникает диффузионная емкость p–n-перехода?

3. Какие емкости диодов необходимо учитывать при переходном процессе?

4. В какой области диода в эмиттере или базе происходит накопление заряда и почему?

5. Как происходит накопление и рассасывание заряда при переходном процессе?

6. Каковы механизмы рассасывания заряда в базе при переключении диода с прямого включения на обратное?

7. Нарисовать осциллограмму переходного процесса и объяснить, как определяются времена высокой обратной проводимости и восстановления обратного сопротивления.

8. Каким образом можно уменьшить время переходного процесса?

9. Сравнить время переходного процесса в выпрямительных и импульсных диодах.

10. Объяснить полученные графики.