Мкости диода

Дата добавления: 2015-07-23; просмотров: 1140; Нарушение авторских прав

Кирпичев В.Ф.   МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЕ Исследование барьерной мкости диода
		2006

Составитель - ст. преподаватель КИРПИЧЕВ В.Ф.

Данные методические указания являются вторым изданием аналогичных указаний к лабораторной работе «Исследование барьерной ёмкости диода», выпущенным в 1983 году.

Одобрено к переизданию на заседании кафедры Автоматизированных информационных

и вычислительных систем

11.11.2006 г., протокол №3.

1. КРАТКИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ

1.1. Емкость диода.

При изменении напряжения на диоде изменяется ширина перехо­да, а значит и величина объемных зарядов в переходе. Кроме того, при инжекции или экстракции меняются заряды в области базы (роль зарядов в эмиттере мало существенна). Следовательно, диод обла­дает емкостью, которую можно считать подключенной параллельно р-n-переходу. Эту емкость принято разделять на две составляю­щие: барьерную емкость, отражающую перераспределение зарядов в переходе и диффузионную емкость, отражающую перераспределение зарядов в базе. Такое разделение в общем условное, но оно удоб­но на практике, поскольку соотношение обеих емкостей различно при разных полярностях приложенного напряжения. При прямом нап­ряжении главную роль играют избыточные заряды в базе. И соответ­ственно - диффузионная емкость. При обратном напряжении избыточ­ные заряды в базе малы и главную роль играет барьерная емкость. Заметим заранее, что обе емкости нелинейны: диффузионная емкость зависит от прямого тока, а барьерная - от обратного напряжения.

1.2. Барьерная емкость.

Примем распределение зарядов в переходе таким, как показано на рис.1, т.е. ступенчатым. Модули зарядов слева и справа от гра­ницы перехода равны между собой (на рис. 1в равны площади фи­гур).

Рис. 1. Структура p-n перехода.

(1)

где , - концентрации примесей в р и n-слое соответственно; S - площадь перехода.

Барьерная емкость р-n перехода проявляется при при­ложения к нему изменяющегося во времени напряжения. Изменение ширины перехода, а, следовательно, и величины объемного заряда, при изменении напряжения на р-n - переходе, обусловлено пе­ремещением основных для каждого слоя носителей в областях р и n.

В качестве барьерной емкости берут величину

(2)

Абсолютное значение этого отношения взято потому, что объ­емный заряд в р - n - переходе может быть положительным и отрицательным, а правило знаков для напряжения выбрано произвольно. Взяв отношение дифференциалов, и проведя преобразования, получим

(3)

Таким образом, барьерная емкость плоского одномерного р-n - перехода может быть рассчитана по формуле плоского конденсатора. Такой результат не является очевидным, т.к. рас­пределение зарядов в плоском конденсаторе и электронно-дырочном переходе не одинаково.

Рис. 2. Изменение толщины p-n- перехода и объемного заряда при изменении напряжения на p-n-переходе.

Причина совпадений формул - в характере изменения заряда р-n- перехода: при изменении напряжений на р-n - пе­реходе заряд изменяется потому, что сдвигаются границы р-n- перехода. Заряды, обусловливающие барьерную емкость, сосредото­чены в двух тонких слоях, расположенных на расстоянии один от другого (рис. 2), что очень напоминает поверхностные заряды на металлических обкладках конденсатора.

1.2.1. Частные соотношения для барьерной емкости различных электронно-дырочных переходов.

С помощью выражения (3) можно определить барьерную емкость на основе результатов расчета толщины р-n- перехода (l).

Для резкого p-n- перехода

(4)

Подставляя выражение для l в формулу (4), получим

(5)

Для резкого несимметричного р - n - перехода с учетом, что

, (6)

где N - концентрация примесей в слаболегированной об­ласти, получим

(7)

Для плавного перехода с линейным распределением кон­центраций примесей получим

(8)

где а – градиент концентрации примесей.

Формулы (5), (7), (8) могут дать большую погрешность при прямых напряжениях более 0,1÷0,2 В, т.к. в идеализированной структуре р-n - перехода не учтен заряд подвижных носите­лей в переходе, существенный при прямом смещении. Как видно из данных результатов, при разных распределениях примесей полу­чается разные вольтфарадные характеристики электронно-дырочных переходов (рис. 3).

Рис.3. Зависимость барьерной емкости ступенчатого (а) и плавного (б) переходов от обратного напряже­ния.

Это дает возможность оценивать характер распределения примесей в различных р-n- переходах. Часто применяют так­же графический метод. Для резкого р-n- перехода вольтфарадная характеристика оказывается прямой в координатах от U, а для плавного с линейным распределением примесей - в координатах от U(рис. 4).

Рис. 4. Зависимость барьерной емкости резкого (а) и плав­ного (б) р -n - переходов от постоянного сме­щения на переходе.

Кроме того, вольтфарадные характеристики дают возможность определить величину контактной разности потенциалов на р-n-переходе (или высоту потенциального барьера). Если при построе­нии вольтфарадной характеристики получилась прямая линия, то отрезок, отсекаемый ею на горизонтальной оси, даёт значение кон­тактной разности потенциалов (см. рис. 4).

1. 2. 2. Варикапы.

Полупроводниковые приборы (диоды), специально изготовлен­ные для использования в качестве конденсатора с управляемой ем­костью, называют варикапами.

В них используется барьерная емкость р-n-перехода, т.к. она имеет относительно высокую добротность при обратном включении диода, малый температурный коэффициент, низкий уровень собствен­ных шумов, и не зависит от частоты вплоть до миллиметрового диа­пазона.

Диапазон напряжений варикапа ограничен с одной стороны не­большим обратным напряжением, при котором барьерная емкость зашунтирована малым активным дифференциальным сопротивлением дио­да и ее добротность соответственно мала, с другой стороны - максимально допустимым напряжением, которое должно быть несколь­ко меньше пробивного.

Изменение емкости варикапа в рабочем диапазоне напряжений характеризуется обычно коэффициентом перекрытия. Коэффициент пе­рекрытия вычисляется как отношение максимальной и минимальной емкости варикапа, соответствующих минимальному (обычно - 4 В) и максимальному приложенным напряжениям.

Изменение емкости в зависимости от температуры определяет­ся изменением контактной разности потенциалов

(9)

С ростом напряжения температурный коэффициент емкости уменьшается за счет уменьшения влияния на емкость (5), (7) и (8).

1.3. Диффузионная емкость.

Диффузионную емкость обычно связывают с изменением заряда инжектированных носителей при изменении напряжения на диоде.

Действительно, инжектированные носители в течение некоторо­го времени существуют в областях диода, примыкающих к р-n - пе­реходу. При изменении напряжения часть накопленных носителей мо­жет возвратиться в р-n- переход и пройти через него в соседнюю область. Образующийся при этом ток аналогичен емкостному току.

Однако к этому требуются некоторые пояснения и дополнения. Дело в том, что при инжекции области, примыкающие к р-n- пе­реходу, остаются нейтральными, т.е. никакой суммарный заряд в них не появляется. Нейтрализация заряда происходит из-за подхода ос­новных носителей в те области, куда произошла инжекция неосновных носителей. Нейтрализация устанавливается за очень малый промежу­ток времени - порядка времени максвелловской или диэлектрической релаксации (обычно 10^-11 – 10^-12с). Так как концентрация основ­ных носителей относительно велика и необходимое их количество по­полняется невыпрямляющими контактами, нейтрализация получается практически полной. Следует заметить, что нейтрализуется не толь­ко заряд в среднем по всей области, но и заряд в каждой точке, т.е. выполняется условие локальной электрической нейтральности.

Несмотря на то, что при инжекции примыкающие к р-n-пе­реходу области не заряжаются, диффузионную емкость можно связать с зарядом инжектированных носителей, так как и инжектированные неосновные носители, и нейтрализующие их основные носители не ис­чезают.

Следовательно, диффузионную емкость можно представить сле­дующим образом:

(10)

где - эффективное значение инжектированного заряда.

Здесь абсолютная величина отношения взята для того, чтобы не возникала путаница из-за правила знаков для напряжения, а также из-за того, что инжектированный заряд может быть как положительным, так и отрицательным. Эффективное значение инжек­тированного заряда следует брать потому, что из-за распределен­ного характера этого заряда он не весь одинаково участвует в образовании емкости. Поэтому приходится проводить какое-то ус­реднение.

Оценивая влияние тока через переход на величину диффузионной емкости, можно показать, что диффузионная емкость будет тем больше, чем больше ток через переход и чем больше время жизни неосновных носителей.

2. ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Цель работы - исследовать зависимость барьерной емкости диода от обратного напряжения.

В процессе выполнения работы снимается вольтфарадная ха­рактеристика диода, рассчитывается ширина области объемного заряда. Определяется температурный коэффициент емкости диода.

3. ПРИНЦИПИАЛЬНАЯ СХЕМА ЭКСПЕРИМЕНТА

Рис. 5. Схема для исследования барьерной емкости диода.

ИН1 - измеритель постоянного напряжения,

ИН2 - измеритель переменного напряжения,

ИQ - измеритель добротности (для измерения емкости диода),

L и С - разделительные элементы схемы,

Д2 - исследуемый диод.

В данной схеме на диод Д подается постоянное обратное напряжение от источника - Е2 .

Величина напряжения может изменяться потенциометром R2, напряжение на диоде измеряют вольтметром ИН1.

Переменное напряжение на диод подается от измерителя доб­ротности ИQ. Величина переменного напряжения на диоде в момент резонанса измерительного контура контролируется вольт­метром ИН2.

Барьерная емкость определяется как разность емкостей из­мерителя добротности при резонансе без диода и с диодом

4. ЗАДАНИЕ И МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ВЫПОЛНЕНИЮ РАБОТЫ

Записать паспортные данные исследуемого диода (табл. 1).

Зарисовать схему для исследования барьерной емкости диода (рис. 5).

Установить ручки управления и тумблеры на стенде в исход­ное состояние:

R1, R2, R5 -в крайнее левое положение;

Тумблер Т1 - в положение "-", при этом на диод подается обратное смещение;

Тумблер Т2 - в положение 1;

Тумблер ТЗ - в положение Д2;

Тумблер Т4 - в положение "Выключено" (питание термостата).

Включить питание измерительных приборов.

Включить тумблер "Сеть" на стенде.

4.1. Установить заданный преподавателем диапазон частот и соот­ветствующую измерительную катушку в клеммы "L" изме­рителя добротности.

К клеммам "С" подключить переходную панель (без термо­стата с исследуемым диодом) и измеритель переменного напряжения МН2 (вольтметр).

Установить исходное значение емкости конденсатора из­мерителя добротности 65-100пФ.

Изменяя частоту измерителя добротности ручкой "часто­та", настроить измерительный контур в резонанс. Записать значение частоты f и значение емкости измерительного конденсатора С1.

4.2. Установить напряжение на измерительном контуре по вольтметру ИН2 равным 300 мВ.

Установить термостат с исследуемым диодом в переходную панель.

Ручкой R2 на стенде установить постоянное обратное смещение на диоде - 4В (по вольтметру ИН1). Не из­меняя положение ручки "частота" измерителя добротности, настроить контур в резонанс ручкой "емкость". Записать значение емкости измерительного конденсатора С2.

Определить барьерную емкость диода при обратном напря­жении - 4В по разности емкостей измерителя добротности без диода и с диодом

(11)

Сравнить полученное значение с паспортным (табл. 1).

4.3.Изменяя обратное смещение на диоде ручкой R2 пример­но через 2В до - 10 В и, далее, через 5В до максималь­ного значения напряжения, настраивать в каждой точке измерительный контур в резонанс.

Записать значение емкости C2 в каждой точке. Вычислить в каждой точке значение барьерной емкости по формуле (11).

4.4. Вычислить толщину р-n-перехода (l) по формуле (3), принимая:

=11.7 - относительная диэлектрическая проницаемость кремния;

=8.85*10^-12 Ф/м - электрическая постоянная;

S = 5*10^{-7 м2} - площадь р-n - перехода. Расчет произвести в каждой точке п. 4.3.

4.5. На основании экспериментальных и расчетных данных пост­роить зависимости барьерной емкости от постоянного смещения на диоде C_бар = (U_о6p) и толщины p-n- перехода ( ) от постоянного смещения на диоде =f(U_обр).

4.6. Установить постоянное напряжение на диоде U_обр = -4В. "Подстроечный конденсатор" измерителя добротности установить на отметку “0”. Настроить контур в резонанс ручкой "емкость". Включить тумблер Т4 (питание термостата). Через 15 минут в термостате установится температура, значение которой указано на крышке термостата.

4.7. Ручкой “подстроечный конденсатор” подстроить контур в ре­зонанс. Записать знак и величину изменения емкости (по шкале подстроечного конденсатора). Изменение барьер­ной емкости диода будет иметь знак, противоположный зна­ку изменения емкости подстроечного конденсатора!

4.8. Рассчитать температурный коэффициент емкости (ТКЕ) диода по формуле:

где - изменение барьерной емкости диода (с соответствующим знаком);

- барьерная емкость диода при U_обр = -4В;

Сравнить полученный ТКЕ с паспортным (табл. 1).

5. ТРЕБОВАНИЯ К ОФОРМЛЕНИЮ ОТЧЕТА

5.1. Отчет должен содержать:

5.1.1. Паспортные данные исследуемого диода.

5.1.2. Схему для исследования барьерной емкости.

5.1.3. График зависимости барьерной емкости oт постоянного обратного напряжения на диоде С = f (U_обр).

5.1.4. График зависимости толщины p-n- перехода от постоянного обратного напряжения на диоде.

5.1.5. Величину температурного коэффициента емкости диода при постоянном обратном напряжении - 4 В.

5.2. Весь отчет должен быть аккуратно выполнен на листах од­ного формата (210x297). Все графики должны быть начер­чены на миллиметровой бумаге того же размера. На каждом графике необходимо указать тип исследуемого прибора и режим испытания. Отчёт должен быть сшит.

6. ВОПРОСЫ ДЛЯ ПОДГОТОВКИ

6.1. Какова физическая причина возникновения объемных зарядов в области р-n - перехода?

6.2. Как влияет концентрация примесей на толщину р-n-перехода?

6.3. Поясните, каков механизм изменения толщины р-n-пе­рехода при изменении смещения ни диоде?

6.4. Объясните, как будет происходить расширение области объем­ного заряда при значительной разнице в концентрациях примесей р- и n-слоев?

6.5. Какова зависимость толщины рваного и плавного переходов от напряжения?

6.6. Что такое барьерная емкость р-n- перехода?

6.7. Как влияет концентрация примесей на барьерную емкость р - n - перехода?

6.8. Как с помощью экспериментальных вольтфарадных характе­ристик определить величину контактной разности потенциа­лов?

6.9. Почему варикапы должны работать при обратном смешении?

6.10. Как изменяется барьерная емкость при повышении температуры?

6.11. Почему температурный коэффициент барьерной емкости зави­сит от напряжения?

6.12. Объясните, почему с ростом температуры контактная раз­ность потенциалов уменьшается (см. формулу 9)?

6.13. Что такое диффузионная емкость диода?

6.14. Вычислите для комнатной температуры величину контакт­ной разности потенциалов для кремниевого диода, если

N_a = N_d = 2*10²¹ м^-3 - концентрация примесей,

n_i = 2*10¹⁶ м^-3 (см. формулу 9}.

6.15. Вычислите емкость и толщину обедненного слоя диода при обратном напряжении -20В, Т=300 К, если:

ε = 16 - относительная диэлектри­ческая проницаемость германия;

N_a = 4*10²¹ м^-3 - концентрация акцепторной примеси;

N_d = 2*10²¹ м^-3 - концентрация донорной при­меси;

n_i = 2.5*10¹⁹ м^-3 - собственная концентрация;

S = 1*10^{-6 м2} - площадь р - n- перехода.

Таблица 1.

Основные параметры варикапов

7. ЛИТЕРАТУРА

1. Пасынков В.В., Чиркин Л.К., Шинков А.Д. Полупроводниковые приборы. Москва: "Высшая школа", 1981.

2. Степаненко И.П. Основы микроэлектроники (монография). Москва: "Советское радио", 1980.

Методические указания

Кирпичев Валерий Федорович