Зібрати схеми зображені на рис. 6.1 а, б і дослідити прямі та зворотні ділянки ВАХ кремнієвого діода. При 295, 305, 315, 325, 335, 350 та 370 К

1. Зібрати схеми зображені на рис. 6.1 а, б і дослідити прямі та зворотні ділянки ВАХ кремнієвого діода. При 295, 305, 315, 325, 335, 350 та 370 К.

2. Побудувати ВАХ на одному графіку та визначити при однакових температурах такі величини:

а) статичний опір для прямого та зворотного зміщень R_CT=U/I та диференціальний опір r_диф=ΔU/ΔI;

б) коефіцієнт випрямлення k=I_пр/I_зв при U_пр=U_зв.

3. Для U_пр>0,7 В визначити опір бази діода R_Б=ΔU/ΔI. Шляхом екстраполяції цієї ділянки до I_пр=0 визначити контактну різницю потенціалів U_J.

4. Використовуючи результати температурних досліджень визначте температурний коефіцієнт прямого спаду напруги ТКU_F та температуру подвоєння зворотного струму.

5. Побудуйте залежність lnI_зв=f(10³/T) та за її кутовим коефіцієнтом визначте ширину забороненої зони матеріалу діода.

6. Побудуйте енергетичну діаграму p-n переходу у рівноважному стані.

7. Проведіть обчислення похибок, зробіть найбільш важливі висновки.

Література

[1]. c. 320-331. [2]. c. 348-363. [4]. с. 288-301. [5]. с. 191-210.

ЛАБОРАТОРНА РОБОТА №7 Дослідження механізмів пробою p-n переходу

 Мета роботи: експериментальне вивчення пробою p-n переходу та встановлення його механізму від температури та визначення параметрів напівпровідникового матеріалу.

Необхідні прилади і матеріали: регульоване джерело постійної напруги; вольтметр (0-300 В); мілі- та мікроамперметр; термостат з системою стабілізації та контролю температури; набір напівпровідникових стабілітронів.

Теоретичні питання знання, яких необхідне для виконання лабораторної роботи:

1. Механізми пробою p-n переходів.

2. Вплив температури на напругу пробою.

3. Використання явищ пробою p-n переходів.

Основні теоретичні відомості та методика експерименту

Пробій p-n переходу – це явище різкого збільшення диференціальної провідності p-n переходу у разі досягнення зворотною напругою (струмом) критичного для даного приладу значення. Існують три основні види (механізми) пробою: тунельний, лавинний і тепловий. Тунельний та лавинний відносять до електричних пробоїв і вони є зворотними. Ці два типи пробою використовуються при виготовлені напівпровідникових стабілітронів, тунельних діодів і т.д. Напругу, при якій наступає пробій, називають напругою пробою U_b.

Тунельний пробій обумовлюється тунельним ефектом – переходом електронів крізь потенціальний (енергетичний) бар’єр без зміни енергії. Тунельний ефект виявляється тільки за дуже малої товщини переходу – порядку 10 нм, тобто в переходах між сильнолегованими p⁺ і n⁺–областями (якщо N_a, N_d>10¹⁸ см^-3). На рис. 7.1 показана енергетична діаграма p⁺-n⁺- переходу при зворотній напрузі, стрілками позначено напрямок тунельного переходу електрона з валентної зони р⁺-області в зону провідності n⁺- області. Електрон тунелюючи з точки 1 в точку 2, проходить під енергетичним бар’єром трикутної форми (заштрихований трикутник з вершинами в точках 1–3), енергія електрона при цьому не змінюється.

Тунельні переходи можливі для електронів, енергія яких відповідає інтервалу тунелювання ΔЕ_Т, в якому по обидві сторони знаходяться дозволені рівні енергії. Висота бар’єру рівна ширині забороненої зони E_g, вона, як правило, менша висоти бар’єру p⁺-n⁺ -переходу, яка рівна q(U_J+|U|). Ширина бар’єра L_T менша за товщину збідненого шару, причому з ростом зворотної напруги ширина бар’єру зменшується, що збільшує ймовірність тунелювання. Тунельний струм різко зростає, так як зростає інтервал тунелювання і число електронів в ньому. Тунельний пробій в чистому вигляді проявляється тільки при високих концентраціях домішки (більше 5·10 см^-3), а напруга пробою складає 0–5 В. при збільшенні температури ширина забороненої зони дещо зменшується і напруга пробою знижується. Таким чином, температурний коефіцієнт напруги тунельного пробою є від’ємним.

Тунельний пробій спостерігається при досягненні напруженістю електрич-

ного поля в ОПЗ певного критичного значення Е_К (для Ge E_K=3·10⁵ В/см, для Si E_K=1,4·10⁶ В/см). Зв’язок цієї величини з напругою пробою U_b можна знайти прийнявши, що, де для тонкого несиметричного переходу . Звідси одержуємо

, (7.1)

де  – питомий опір слаболегованої області напівпровідника.

Рис. 7.1 Енергетична діаграма p-n переходу при тунельному пробої

Лавинний пробій пов’язаний з утворенням лавини носіїв заряду при дії сильного електричного поля, в якій носії заряду на довжині вільного пробігу набувають енергію достатню для утворення нових електронно-діркових пар шляхом іонізації атомів напівпровідника. Для характеристики цього процесу використовують коефіцієнт лавинного помноження М – рівний відношенню струму носіїв заряду, що входять з однієї сторони збідненого шару до струму носіїв того ж знаку які виходять з іншої сторони збідненого шару (). При збільшенні зворотної напруги значення М зростає. Для оцінки використовують апроксимацію , де m – параметр, який і типу провідності залежить від матеріалу напівпровідника p-n переходу. Для кремнію n-типу і германію р-типу m=5, для кремнію р-типу і германію n-типу m=3. Пробій зростає при , що відповідає  і необмеженому зростанню струму. З врахуванням лавинного помноження ВАХ поблизу напруги пробою може бути записаний у вигляді .

Чим більша ширина забороненої зони, тим більшу енергію має набрати носій в електричному полі p-n переходу, щоб могла відбутись ударна іонізація. При збільшенні температури напруга лавинного пробою зростає, що пов’язано з зменшенням довжини вільного пробігу носіїв. При меншій довжині вільного пробігу потрібна більша напруженість електричного поля для того, щоб носії набули енергію, достатню для ударної іонізації.

Таким чином, температурний коефіцієнт напруги лавинного пробою додатній.

Для практичних розрахунків використовується наступна емпірична залежність напруги пробою від концентрації легуючої домішки та ширини забороненої зони:

, (7.2)

[E_g]=еВ, [N]=см^–3.

При невеликих концентраціях домішок (менше 10¹⁸ см^–3) напруга лавинного пробою нижча, чим тунельного, тобто спостерігається лавинний пробій. У цьому випадку  (6,6 В для Si). При високих концентраціях домішок (більше 10¹⁹ см^–3) напруга лавинного пробою вища, чим тунельного, і відбувається тунельний пробій, причому . Для проміжкових концентрацій домішок (10¹⁸ см^–3<N_дом<10¹⁹ см^–3) пробій зумовлений обома механізмами. На практиці механізм пробою визначають по знаку температурного коефіцієнта напруги пробою. Експериментально встановлено також, що крутість ВАХ () для лавинного пробою вища чим для тунельного.

Принципова електрична схема, яка використовується для досліджень, представлена на рис. 7.2.

Завдання до лабораторної роботи