Тунельний механізм переходу носіїв заряду. Розрахунок параметрів випрямного діода і біполярного транзистора, статичних характеристик польового транзистора з керуючим переходом. Визначення залежності генераційного струму p-n переходу від зворотної напруги.
Краткое сожержание материала:

53

Размещено на

Размещено на

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

ЗАПОРІЗЬКА ДЕРЖАВНА ІНЖЕНЕРНА АКАДЕМІЯ

кафедра Електронні системи

Розрахунково-пояснювальна записка

до курсового проекту

по дисципліні «Твердотіла електроніка»

«Розрахунок напівпровідникового діода та біполярного транзистора»

Виконав:студент групи ЕС-08-1з

Хижняк М.В.

ЗАПОРІЖЖЯ

2011

РЕФЕРАТ

19 рисунків, 5 таблиць, 6 посилань.

У курсовому проекті розглянуті параметри діода і їх фізичний сенс. В результаті розрахунків визначені параметри і характеристики діода, а також статичні характеристики польового транзистора з керуючим переходом. Побудовані необхідні залежності. Порівняння отриманих залежностей з теоретичними дозволяє говорити про їх схожість.

Відповідно до отриманих результатів розрахунків побудовані відповідні графіки.

ОПІР ДІОДА, ДИФУЗІЙНА МІСТКІСТЬ ДІОДА, ДІОД З ТОВСТОЮ БАЗОЮ, ДІОД З ТОНКОЮ БАЗОЮ, ПОСТІЙНА ЧАСУ, СУБЛІНІЙНА ХАРАКТЕРИСТИКА ПОЛЬОВОГО ТРАНЗИСТОРА З КЕРУЮЧИМ ПЕРЕХОДОМ, КРУТИЗНА ХАРАКТЕРИСТИКИ ПОЛЬОВОГО ТРАНЗИСТОРА

ВСТУП

Для того, щоб конструювати електронні схеми і ефективно застосовувати напівпровідникові прилади, потрібно знати принципи їх дії ті основні параметри. Напівпровідниковим діодом називають напівпровідниковий прилад з одним електричним p-n переходом і двома виводами. Залежно від технології виготовлення розрізняють точкові діоди, сплавні і мікросплавні, з дифузною базою і ін. По функціональному призначенню діоди розподіляються на випрямні, універсальні, імпульсні, змішувальні, детекторні, модуляторні, перемикальні, множувальні, стабілітрони (опорні), тунельні, параметричні, фотодіоди, світлодіоди, магнітодіоди, діоди Ганна, діоди Шоткі і т.д. Більшість напівпровідникових діодів на основі несиметричних p-n переходів. Низькоомну область діодів називають емітером, а високоомну -- базою. Для створення переходів з вентильними властивостями використовують p-n-, p-i-, n-i-переході, а також переходи метал-напівпровідник.

Біполярний транзистор -- це напівпровідниковий прилад, що складається з трьох областей з типами електропровідності, що чергуються, і придатний для посилення потужності. Біполярні транзистори, що випускаються в даний час, можна класифікувати по наступних ознаках: за матеріалом: германієві і кремнієві; за типом провідності областей: типу р-n-р і n-p-n; за потужністю: малою (), середньою () и великою потужністю (); за частотою: низькочастотною, середньочастотною, високочастотною та СВЧ. В біполярних транзисторах струм визначається рухом носіїв заряду двох типів: електронів и дірок (або основними и неосновними). Звідси їх назва -- біполярні. В даний час виготовляються і застосовуються виключно транзистори з площинними р-n переходами.

ТЕОРЕТИЧНЕ ЗАВДАННЯ №1

18. Тунельний пробій

При збільшенні напруги на p-n переході, досягши деякої напруги , починається різке зростання струму, що приводить до пробою p-n переходу. Існує декілька фізичних механізмів пробою p-n переходу.

В сильному електричному полі неосновний носій заряду на довжині вільного пробігу може набрати енергію, достатню для того, щоб при зіткненні з граткою створювати електронно-діркову пару. Знов утворенні носії, розганяючись в електричному полі, самі беруть участь в подальшому утворенні електронно-діркових пар. Процес наростання числа носіїв з часом носить лавинний характер, тому цей тип пробою і називають лавинним.

Лавинний пробій характеризують коефіцієнтом лавинного множення, для якого справедливе наступне співвідношення:

, (1.1)

де J -- зворотній струм до множення (рівний сумі струму насичення и генераційного), n -- коефіцієнт, який залежить від матеріалу і профілю легування p-n переходу, цей коефіцієнт може мати значення від 2 до 6.

Напруга лавинного пробою залежить від ступеня легування p і n областей. Так, для різкого p⁺n переходу (p⁺ -- означає сильне легування p області) залежність напруги пробою від ступеня легування n-області має вид:

, (1.2)

де -- ширина забороненої зони в , N -- концентрація домішки в слабо легованій області в см-³.

Відповідна залежність напруги від міри легування для різкого несиметричного переходу для p-n переходів, виготовлених з різних матеріалів, показана на рис. 1.1.

Рис. 1.1 Залежність напруги лавинного пробою від концентрації домішки для несиметричного ступінчастого переходу

Розглянемо поведінку частки при проходженні через потенційний бар'єр. Хай частка, рухома зліва направо, зустрічає на своїй дорозі потенційний бар'єр з висотою і шириною l (рис. 1.2). По класичним представленням рух частки буде таким:

Рис. 1.2. Проходження частки через потенційний бар'єр

- якщо енергія частки буде більше висоти бар'єру , то частка безперешкодно проходить над бар'єром;

- якщо енергія частки буде менше висоти бар'єра , то частка відбивається і летить у зворотний бік; крізь бар'єр частка проникнути не може.

Абсолютно інакша поведінка частки за законами квантової механіки. По-перше, навіть при є відмінна від нуля вірогідність того, що частка відіб'ється від потенційного бар'єру і полетить назад. По-друге, при є вірогідність того, що частка проникне «крізь» бар'єр і виявиться в області III. Така поведінка частки описується рівнянням Шредінгера:

. (1.3)

Тут -- хвильова функція мікрочастки. Рівняння Шредінгера для області I і III буде однаковим. Тому обмежимося розгляданням областей I і II. Отже, рівняння Шредінгера для області I набере вигляду:

, (1.4)

ввівши позначення:

, (1.5)

остаточно отримаємо:

(1.6)

Аналогічно для області II:

, (1.7)

де . Таким чином, ми отримали характеристичні рівняння, загальні рішення яких мають вигляд:

при x<0, (1.8)

при x>0 (1.9)

Доданок відповідає хвилі, що поширюється в області I у напрямі осі х, А₁ -- амплітуда цієї хвилі. Доданок відповідає хвилі, що поширюється в області I в напрямі, протилежному х. Це хвиля, відбита від бар'єру, В₁ -- амплітуда цієї хвилі. Оскільки вірогідність знаходження мікрочастки в тому або іншому місці простору пропорційна квадрату амплітуди хвилі де Бройля, то відношення є коефіцієнтом віддзеркалення мікрочастки від бар'єру.

Доданок відповідає хвилі, що поширюється в області II у напрямі х. Квадрат амплітуди цієї хвилі відображає вірогідність проникнення мікрочастки в область II. Відношення є коефіцієнтом прозорості бар'єру.

Доданок повинно відповідати відбитій хвилі, що поширюється в області II. Оскільки такої хвилі немає, то В₂ слід покласти рівним нулю.

Для бар'єру, висота якого , хвильовий вектор є уявним. Покладемо його рівним , де є дійсним числом. Тоді хвильові функції і набудуть наступного вигляду:

(1.10)

(1.11)

Оскільки , то це означає, що є вірогідність проникнення мікрочастки на деяку глибину в другу область. Ця вірогідність пропорційна квадрату модуля хвильової функції :

(1.12)

Наявність цієї вірогідності робить можливим проходження мікрочасток крізь потенційний бар'єр кінцевої товщини (рис. 1.2). Таке просочування отримало назву тунельного ефекту. По формулі (1.12) коефіцієнт прозорості такого бар'єру буде:

, (1.13)

де D₀ -- коефіцієнт пропорційності, який залежить від форми бар'єра. Особливістю тунельного ефекту є те, що при тунельному просочуванні крізь потенційний бар'єр енергія мікрочасток не змінюється: вони залишають бар'єр із тією ж енергією, з якою в нього входять.

Тунельний ефект має велике значення в електронних приладах. Він зумовлює протікання таких явищ, як емісія електронів під дією сильного поля, проходження струму через діелектричні плівки, пробій p-n переходу; на його основі створені тунельні діоди, розробляються активні плівкові елементи.

Якщо p і n області сильно леговані, то ширина ОПЗ стає малою і за рахунок тунельного ефекту з'являється кінцева вірогідність для електронів з валентної зони проникнути в зону провідності, здолавши бар'єр, який виникає в сильному електричному полі. Для тунельного ефекту характерне те, що електрони після подолання енергії не змінюють своєї енергії, отже для того, щоб цей ефект мав місце, електричне поле має бути настільки сильним, щоб забезпечити такий нахил зон, при якому заповнені електронами рівні валентної зони виявилися напроти незаповнених енергетичних рівнів дозволеної зони (рис. 1.3). Пунктиром на рисунку показаний потенційний бар'єр, який повинен здолати один з електронів.

Рис. 1.3. Енергетична діаграма, що пояснює виникнення вільних носіїв заряду при тунельному переході

Оскільки тунельний механізм переходу носіїв має місце лише при малій ширині ОПЗ, то для цього типа пробою характерна невисока пробивна напруга....