Подякувати Студентському архіву довільною сумою
Admin
26.02.2023 12:38
Дякуємо, що користуєтесь нашим архівом!
Інформація про навчальний заклад
ВУЗ:
Інші
Інститут:
Не вказано
Факультет:
Не вказано
Кафедра:
Кафедра інформаційно - вимірювальної техніки
Інформація про роботу
Рік:
1997
Тип роботи:
Інші
Предмет:
Метрологія
Частина тексту файла (без зображень, графіків і формул):
МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ УКРАЇНИ
ДЕРЖАВНИЙ УНІВЕРСИТЕТ "ЛЬВІВСЬКА ПОЛІТЕХНІКА"
Кафедра інформаційно-вимірювальної техніки
ДОСЛІДЖЕННЯ ВЛАСТИВОСТЕЙ НАПІВПРОВІДНИКОВОГО
р-n ПЕРЕХОДУ
Інструкція до лабораторної роботи №4 з курсу "Електротехнічні і конструкційні матеріали "
для студентів спеціальності 570000
"Інформаційно-вимірювальні комплекси і метрологія"
Затверджено на засіданні кафедри інформаційно-вимірювальної техніки
Протокол №1-97/98 від 4 вересня 1997 р.
ЛЬВІВ 1997
Дослідження властивостей напівпровідникового p-n-переходу: Інструкція до лабораторної роботи № 1 з курсу “Електротехнічні і конструкційні матеріали” для студентів спеціальності “Інформаційно-вимірювальні комплекси і метрологія”.Упорядники: О.З.Базилевич, П.Р.Гамула, Є.В.Походило, - Львів, ДУ”ЛП”, 1997р.
Упорядники : О.З.Базилевич, к.т.н., доцент
П.Р.Гамула, к.т.н., с.н.с.
Є.В.Походило, к.т.н., доцент
Відповідальний за випуск : Б.І.Стадник, д.т.н., професор
Рецензент: А.В.Серкіз, к.т.н., доцент
МЕТА РОБОТИ: Ознайомитись із основними характеристиками напівпровідникового р-n переходу та методами вимірювання його параметрів.
1. ЗМІСТ РОБОТИ
Ознайомитись із властивостями p-n переходів у напівпровідниках та методами їх дослідження.
Провести дослідження вольт-амперної характеристики (ВАХ) та температурної залежності ВАХ різних напівпровідникових діодів і зробити висновки за результатами дослідження.
Оформити звіт про роботу.
2. КОРОТКІ ТЕОРЕТИЧНІ ВІДОМОСТІ
Електронно-дірковий перехід або, як його ще називають
р-n-перехід, утворюється на межі між напівпровідниками, що мають різні типи провідності: діркову (р-тип) і електронну (n-тип). Фізичні властивості такого переходу покладені в основу принципу дії багатьох напівпровідникових пристроїв.
В кристалі р-типу основними носіями заряду є дірки, що утворюються переважно внаслідок присутності у кристалі акцепторних домішок. Неосновними носіями заряду в такому кристалі є вільні електрони, які утворюються за рахунок теплових коливань власних атомів кристалу.У кристалі n-типу основними носіями заряду є електрони, які утворюються завдяки присутності донорних домішок. Неосновними носіями тут є дірки.
Якщо між кристалами р- та n-типу існує електричний контакт і вільні носії заряду мають можливість переходити з одного кристала в інший, то утворюється єдина система і енергетичні рівні Фермі в обох частинах вирівнюються, внаслідок чого, енергетичні зони обох кристалів зміщуються одна відносно одної, а в області контакту утворюється потенціальний бар'єр з висотою
( = qeUk ,
де Uk - контактна різниця потенціалів; qe - заряд електрона.
Виникнення контактного поля та утворення потенціаль-ного бар'єра відбувається внаслідок дифузійних потоків дірок у кристал n-типу та електронів у кристал р-типу. В області контакту утворюється подвійний електричний шар об'ємних зарядів, а отже виникає електричне поле, вектор напруженості якого має напрям від кристала n-типу до кристала р-типу. Ця приконтактна область характеризується великим електричним опором внаслідок малої концентрації вільних носіїв заряду і називається p-n-переходом.
Існує декілька способів створення p-n-переходів. Так, наприклад, його можна отримати шляхом зміни ступеня легування напівпровідника у процесі вирощування монокристалу з розплаву, що містить на початковій стадії процесу атоми донорної домішки з достатньою для отримання кристала n-типу концентрацією, а потім в розплав додається акцепторна домішка з концентрацією, достатньою для отримання кристала р-типу.
Інший метод полягає в тому, що у кристал n-типу вводиться крихітна таблеточка елемента-акцептора (звичайно, це - індій); після цього кристал нагрівають до температури розплаву акцептора та зчелення його з напівпровідником в тонкому поверхневому шарі. Повільне наступне охолодження такого кристалу спричиняє утворення на початковій частині кристала напівпровідника n-типу , а далі - високолегованого напівпровідника р-типу.
Третій метод одержання р-n-переходу аналогічний до другого, але замість розплавлення таблетки використовуються процеси дифузії. При цьому не виникає потреби створювати рідку фазу сплаву, а перехід утворюється під поверхнею на глибині, де концентрація дифундуючих атомів акцептора вирівнюється з початковою концентрацією донорних атомів.
Епітаксійний метод нарощування полягає у повільному випаровуванні напівпровідника та акцепторного елемента на гарячу поверхню кристала n-типу. Температура кристалу вибирається такою, щоби осаджені атоми могли мігрувати його поверхнею та займати правильне положення у ратці. У підсумку на кристалі наростає шар легованого р-домішкою напівпровідника з тією ж орієнтацією, що й початковий кристал.
Залежність струму через p-n-перехід від прикладеної до нього напруги називається його вольт-амперною характеристикою (ВАХ).
Рис.1. Енергетична діаграма p-n-переходу, що пере-
буває в рівновазі.
Енергії Фермі з обох сторін контакта вирівнюються, а діркові та електронні струми в обох напрямках стають однаковими.
Рівняння цієї характеристики має вигляд
I=IS,
де U - зовнішня напруга, прикладена до p-n-переходу з враху-ванням знака, IS- так званий зворотний струм насичення, тобто струм, до якого прямує зворотній струм при збільшенні (за абсолютною величиною) зворотної напруги.
Рис. 2.Типові вольт- амперні характеристики p-n-переходу:
1 - кремній, 2 - германій.
Величина IS залежить від площі p-n-переходу, коефіцієнта дифузії носіїв заряду, рівноважної густини та довжини вільного пробігу носіїв заряду. Вольт-амперна характеристика p-n-переходу є нелінійною (рис. 2), а отже, він має властивість односторонньої провідності: великий електричний опір в одному (зворотному) напрямку зовнішнього електричного поля та достатньо малий опір в іншому (прямому) напрямку зовнішнього електричного поля.
Вітка ВАХ, розміщена у першому квадранті, відповідає прямому напрямку струму, а розміщена в третьому квадранті - зворотньому. Чим крутіша та ближча до вертикальної осі пряма вітка і чим ближча до горизонтальної зворотна вітка, тим кращі випростувальні властивості діода. При достатньо великій зворотній напрузі (декілька десятків вольт) може відбутися пробій діода, тобто різко зростає зворотний струм. Нормальна робота діода, як елемента з односторонньою провідністю, можлива лише в режимах, коли зворотна напруга не перевищує пробивну.
При підвищенні температури прямий струм через p-n-пе-рехід зростає незначно, оскільки він в більшій мірі залежить від концентрації основних носіїв заряду, яка при кімнатній температурі наближається до домішкового насичення. Зворотний струм з підвищенням температури зростає швидко, оскільки він залежить від концентрації неосновних носіїв, а вона зростає з підвищенням температури експоненціально.
Зміна температури викликає зміну спадку напруги на прямому p-n-переході приблизно на 2 мВ/К. За підвищення температури зворотний струм збільшується в 2 рази для германієвих і в 2,5 рази для кремнієвих діодів на кожні 10 К. Пробивна напруга при підвищенні температури зменшується.
Діоди бувають таких типів: випростувальні, універ-сальні,мпульсні, НВЧ-діоди, варікапи, стабілітрони, фотодіоди, ту-нельні,світлодіоди.
До основних параметрів діодів відносяться:
Iпр.ср.- середнє значення випрямленого струму, який може на протязі довгого часу протікати через діод, не викликаючи його перегріву;
Uпр.ср.- середнє значення прямого спадку напруги при зада-ному значенні Iпр.ср.;
Uзв.мах- гранично допустиме значення амплітуди зворотної напруги, яку витримує діод без порушення нормальної роботи (Uзв.мах на 20% напруги пробивання Uзв.доп.);
(f - діапазон робочих частот, в межах якого струм діода не спадає нижче , ніж до заданої величини;
Сd- ємність діода при заданій напрузі зміщення;
R = dU/dI - диференціальний опір - відношення приросту напруги на діоді до приросту струму, що його викликає.
3.ПРАКТИЧНІ ВКАЗІВКИ
Основні вольт-амперні характеристики напівпровіднико-вих діодів можна зняти за допомогою міліамперметра (мікро-амперметра) та вольтметра. Можливі два варіанти схем - правильного вимірювання струму (рис.3а) і правильного вимірювання напруги (рис.3б).
Якщо знехтувати споживанням приладів і визначити ВАХ p-n-переходів за їх показами, то можливі значні методичні похибки. Так, за схемою рис.3а, міліамперметр показує струм досліджува-ного діода, а вольтметр показує суму двох спадів напруг: на діоді та на міліамперметрі. Вимірювання прямого опору за схемою на рис.3а може мати методичну похибку, що досяє десятків відсотків, оскільки напруги діода і міліамперметра є сумірними . У другій схемі (рис.3б) - навпаки: вольтметр вимірює суму струмів через діод і вольтметр.
а) б)
Рис. 3. Схеми для дослідження ВАХ діодів: правиль-
ного вимірювання струму (а) та напруги (б).
Тому для усунення методичної похибки вимірювання за схемою рис.3,б необхідно ввести поправку, врахувавши опір вольтметра, який майже не залежить від його показів.
У схемі рис.3а визначають спадок напруги на діоді Ud як:
Ud=U - IRa ,
де U - показ вольтметра; I, Rа- показ амперметра, його опір. Однак, розрахувати опір амперметра складніше, оскільки він залежить від значення вимірюваного струму.
У схемі рис.3б визначають струм через діод Id як:
Id=I - U/Rв ,
де I - показ амперметра; Uв- показ вольтметра та його опір.
Вибором відповідної схеми вимірювання забезпечують мен-шу методичну похибку.
Результати вимірювань заносяться в табл. 1 а графічні залежності I=f(U) для кожного зразка будуються при різних температурах.
Результати вимірювання ВАХ
Таблиця 1.
№ зразка
Т1=
20(С
Т2=
60(С
U,B
I,mA
U,B
I,mA
У процесі опрацювання результатів експерименту слід обчислити динамічний опір діода за різних значень напруги Ud1=0,5 В; Ud2=2 В ; Ud3= -1 B; Ud4= -15 B.
5. ЗМІСТ ЗВІТУ
План роботи.
Вимірювані об`єкти та схеми їх заміщення.
Експериментальні дані.
Формули для розрахунків (в загальному вигляді та із прикладом із числовими значенями).
Засоби вимірювання та їх технічні характеристики.
Висновки.
6. КОНТРОЛЬНІ ЗАПИТАННЯ
Чим зумовлена провідність напівпровідників?
Які способи створення p-n-переходів ви знаєте?
Від чого залежить пробивна зворотна напруга?
Як залежить провідність прямого та зворотного p-n-переходів від температури?
У чому відмінність характеристик германієвого та кремнієвого діодів?
ЛІТЕРАТУРА
Богородицкий М.П., Пасынков В.В., Тареев Б.М. Электротехни-ческие материалы.- Л.: Энергия, 1985.
Промышленная электроника/ В.С. Руденко, В.И. Сенько, В.В. Трифанюк, Е.Е. Юдин.- К. Техніка, 1979.
Ділись своїми роботами та отримуй миттєві бонуси!
0%
Оголошення від адміністратора