Лабораторная работа по расчету параметров диода с резким p-n-переходом

Введение Целью настоящей работы является изучение параметров полупроводникового диода с резким p-n-переходом. В ходе выполнения данной работы необходимо рассчитать концентрацию основных и неосновных носителей в базе и эмиттере диода, подвижность основных и неосновных носителей в базе и эмиттере диода, коэффициенты диффузии для основных и неосновных носителей в базе и эмиттере диода, удельное сопротивление базы и эмиттера и контактную разность потенциалов, а также построить вольт-амперную характеристику диода при заданной температуре. Для диода с резким p-n-переходом рассчитать: 1) концентрацию основных и неосновных носителей в базе диода; 2) подвижность основных и неосновных носителей в базе диода; 3) коэффициенты диффузии для основных и неосновных носителей в базе диода; 4) удельное сопротивление базы; 5) контактную разность потенциалов; 6) концентрацию основных и неосновных носителей в эмиттере диода; 7) подвижность основных и неосновных носителей в эмиттере диода; 8) коэффициенты диффузии для основных и неосновных носителей в эмиттере диода; 9) удельное сопротивление эмиттера. Построить вольт-амперную характеристику диода. Исходные данные: материал – кремний Si; тип – p⁺-n; Т=305 К, U_{ОБР.ДОП}=170 В, j_Н=0,12 А/см², S=1,5∙10^-3 см². Решение:

Определение параметров полупроводникового материала.

Одним из основных параметров материала является концентрация носителей (основных и неосновных). Напряжение пробоя связано с допустимым обратным напряжением эмпирическим соотношением: Из соотношения для напряжения лавинного пробоя найдем концентрацию легирующей примеси в базе диода: где    ΔЕ – ширина запрещенной зоны полупроводника, для Si ΔЕ = 1,12 эВ; N_Б – концентрация легирующей примеси в базе диода, так как база имеет n-тип проводимости, то N_Б = n_n0. По закону действующих масс найдем концентрацию неосновных носителей в базе диода. Запишем закон действующих масс для полупроводника n-типа: где ni – собственная концентрация, для Si ni = 10¹⁰ см^-3. Концентрация неосновных носителей в базе диода будет равна: Найдем подвижности и коэффициенты диффузии для основных и неосновных носителей в базе диода. Подвижность основных и неосновных носителей в базе диода найдем по полуэмпирической формуле: Для Si запишем: Получаем: Для Si запишем: Получаем: По соотношению Эйнштейна найдем коэффициенты диффузии для основных и неосновных носителей в базе диода: Найдем удельное сопротивление базы через значение удельной проводимости: Из графика зависимости контактной разности потенциалов от концентрации легирующей примеси в базе найдем контактную разность потенциалов: Найдем концентрацию легирующей примеси в эмиттере диода из соотношения: Выразим концентрацию: По закону действующих масс найдем концентрацию неосновных носителей заряда в эмиттере диода: Найдем подвижности и коэффициенты диффузии для основных и неосновных носителей в эмиттере диода. Подвижность основных и неосновных носителей в эмиттере диода найдем по формуле: По соотношению Эйнштейна найдем коэффициенты диффузии для основных и неосновных носителей в эмиттере диода: По соотношению удельного сопротивления с удельной электропроводностью, найдем удельное сопротивление эмиттера:

2. Расчет и построение вольт-амперной характеристики (ВАХ) диода.

Прямая ветвь ВАХ при низком уровне инжекции изменяется по следующему закону: Толщину базы рассчитаем через значение плотности тока, при которой начинается высокий уровень инжекции: Рассчитаем ток насыщения при низком уровне инжекции: На рисунке показана прямая ветвь ВАХ диода, которая изменяется в диапазоне U от 0 до 0,87 В. При обратном смещении в кремниевом диоде преобладающей является генерационная составляющая тока: где d (U) – толщина базы, равная: Тогда: Обратная ветвь ВАХ диода изменяется по следующему закону: На рисунке показана обратная ветвь ВАХ диода, которая изменяется в диапазоне U от –1 до 0 В. На рисунке показана полная ВАХ диода. Вывод: в ходе выполнения лабораторной работы произвели расчет параметров полупроводникового диода: концентрацию основных и неосновных носителей в базе и эмиттере диода, подвижность основных и неосновных носителей в базе и эмиттере диода, коэффициенты диффузии для основных и неосновных носителей в базе и эмиттере диода, удельное сопротивление базы и эмиттера и контактную разность потенциалов. Построили вольт-амперную характеристику диода при заданной температуре. Ответы на контрольные вопросы

1 Нарисуйте ВАХ идеализированного p-n-перехода.

ВАХ идеализированного p-n-перехода.

2 Что называется полупроводниковым диодом?

Полупроводниковым диодом называется электропреобразовательный полупроводниковый прибор с одним выпрямляющим электрическим переходом, имеющим два вывода.

3 Что такое стабилитрон?

Стабилитрон — полупроводниковый прибор, предназначенный для стабилизации напряжения в электрических. Представляет собой диод, работающий при обратном напряжении; вольт-амперная характеристика имеет участок с очень слабой зависимостью напряжения от тока.

4 Что такое туннельный диод?

Туннельный диод — полупроводниковый диод, действие которого основано на туннельном эффекте, который приводит к появлению на вольт амперной характеристике при прямом направлении участка отрицательной дифференциальной проводимости.

5 Что такое обращенный диод?

Обращенным называют диод на основе полупроводника с повышенной концентрацией примесей, в котором проводимость при обратном напряжении вследствие туннельного эффекта значительно больше, чем при прямом напряжении.

Список использованных источников

1. Саврук Е. В., Каранский В. В. Физические основы электроники. Расчет параметров диода с резким p—n-переходом : методические указания по выполнению лабораторной работы / Е. В. Саврук, В. В. Каранский. – Томск : ФДО, ТУСУР, 2017. – 40 с.