«Определение параметров идеального p-n перехода (диода) для конкретного полупроводника, например антимонида галлия (GaSb)» по дисциплине «Физические основы электроники»
Параметры для расчета
ü Контактная разность потенциалов (U0, В) и ее температурная зависимость (U0(T));
ü Ширина области пространственного заряда (W, мкм) и ее границы (|xp| и |xn|), W(T);
ü Интегральная барьерная емкость p-n перехода (Сб, Ф), ее температурная зависимость при U=const, зависимость от напряжения при Т=const;
ü Максимальная напряженность электрического поля (emax, В/см) в p-n переходе в состоянии термодинамического равновесия (Т=300 К, U=0 В).
ü Вольтамперная характеристика (ВАХ) идеального диода по теории Шокли (прямая и обратная ветви), ток насыщения I0 и их температурные зависимости.
Все параметры рассчитываются при нормальной температуре Т=300 К и/или в диапазоне температур 200-400 К.
Графики
U0(T);
emax (Т)
W(T,U=const), W(U, T =const);
I0(T);
Сб(Т,U=const), Сб(U, Т =const);
I(U, T) для двух температур
Основные формулы p-n перехода.
Контактная разность потенциалов, [B]
(1)
Потенциальный барьер, [эВ]
(2)
Тепловой потенциал, [B]
(3)
Ширина области пространственного заряда (ОПЗ), [м]
(4)
Максимальная напряженность встроенного электрического поля в (ОПЗ),[В/м]
(5)
Интегральная барьерная емкость, [Ф]
(6)
Приведенная концентрация, [м-3]
(7)
Основное уравнение Шокли (зависимость тока через p-n переход от напряжения), [A]
(8)
Ток насыщения для диода с толстой базой (Wбp>>Ln и Wбn>>Lp), [A]
(9)
По результатам расчета построить качественную энергетическую зонную диаграмму Е(х) p-n перехода в состоянии термодинамического равновесия и указать на ней все рассчитанные параметры. Учесть соотношение между концентрациями Na и Nd.
Контрольные вопросы
1. Р-n переход в состоянии термодинамического равновесия, зонная диаграмма Е(х).
2. Р-n переход при прямом смещении, зонная диаграмма Е(х).
3. Р-n переход при обратном смещении зонная диаграмма Е(х).
4. Интегральная барьерная емкость p-n перехода. Зависимость от параметров.
5. Напряженность электрического поля в p-n переходе. Максимальная напряженность внутреннего электрического поля.
6. Физический смысл тока насыщения, согласно теории Шокли.
7. Для несимметричного p+n перехода определить, какими носителями в основном определяется обратный ток насыщения? Показать их на зонной диаграмме (Е(х)).
8. Как изменится прямой ток через p-n переход при увеличении концентрации примеси?
9. В каком несимметричном переходе p+n или n+p ,будет больше ток насыщения при одинаковых концентрациях в базовых (n и p) и, соответственно, в эмиттерных (p+ и n+) областях?
10. Как изменится потенциальный барьер p-n перехода при увеличении концентрации примеси в смежных областях?
11. Как изменится потенциальный барьер p-n перехода при увеличении температуры?
12. P-n переход имеет концентрации примесей Na=1016, Nd=3*1016. Как соотносятся размеры |Xn| и |Xp|?
13. Какими зарядами образована ОПЗ в p-n переходе в состоянии термодинамического равновесия, если примеси полностью ионизированы?
14. Как изменится обратный ток идеального p-n перехода при уменьшении температуры?
15. P-n переход состоит из однородно легированных областей с равными геометрическими размерами и одинаковым удельным сопротивлением. Как соотносятся электронная (Jn) и дырочная (Jp) составляющие плотности электрического тока при прямом смещении?
16. Какие параметры полупроводникового p-n перехода увеличиваются с ростом температуры?
17. Как изменяется напряженность электрического поля в обратно смещенном p-n переходе в зависимости от приложенного напряжения?
18. .Как изменится емкость p-n перехода, если увеличить уровень легирования p- и n-областей?
19. Записать суммарный ток через p-n переход в состоянии термодинамического равновесия. Какие носители двигаются через металлургическую границу?
20. Какие носители заряда преобладают в токе обратно смещенного p-n перехода, если концентрация акцепторов в p-области много больше концентрации доноров в n-области?
21. Как связаны прямое напряжение на p-n переходе и ток насыщения?
22. Какие носители заряда преобладают в токе обратно смещенного p-n перехода, если концентрация акцепторов в p-области много меньше концентрации доноров в n-области?
23. Нарисовать качественно прямую ветвь ВАХ полупроводникового диода, изготовленного из Si (Eg=1,12 эВ), Ge (Eg=0,67 эВ), GaAs (Eg=1,42эВ), GaP (Eg=2,24 эВ) при прочих равных условиях.
24. Как и по каким причинам изменяется прямая ветвь вольтамперной характеристики диода с увеличением его температуры?
25. Как образуется область пространственного заряда?
26. Какие параметры полупроводникового диода могут измениться при изменении структуры с p+n на n+p при сохранении уровней легирования эмиттерной и базовой областей?
27. Сравнить коэффициенты инжекции в p+n и n+p переходах.
(1)
(2)
(3)
(4)
(5)
(6)
(7)
(8)
(9)