Главная стр 1
скачать
Практическое занятие 9
"Расчет основных параметров полупроводниковых приборов"
Цель работы:

Изучение основных параметров и характеристик полупроводниковых приборов, знание их условных обозначений и назначение.



Знать: виды, назначение, устройство полупроводниковых приборов

Уметь: рассчитывать основные параметры и характеристики полупроводниковых приборов

Формирование: ПК 1.1, 1.2, 1.3, 1.4, 2.1, 2.3, 2.4, 3.1, 3.2, ОК 1,2,3,4,5
1. Теоретическое введение

Сопротивление диода постоянному току:

R0 = Uа / Iа ,

где Uа – напряжение на диоде в прямом направлении, В; Iа – ток через диод в прямом направления, А.

Сопротивление диода переменному току (дифференциальное сопротивление):

Ri = ∆Uа / ∆Iа,

где ∆Uа – изменение прямого напряжения, В; ∆Iа – изменение прямого тока под действием изменения прямого напряжения, А.

Крутизна вольт-амперной характеристики диода:

S = ∆Iа / ∆Uа.

Мощность потерь на аноде диода:

Pк = I к Uк.

Входное сопротивление транзистора переменному току:

Rвх = ∆Uвх / ∆Iвх,

где ∆Uвх – изменение входного напряжения, В; ∆Iвх – изменение входного тока под действием изменения входного напряжения, А.

Коэффициенты:


  • усиления тока базы в схеме с общим эмиттером:

h21э = ∆Iк /∆I б;

  • передачи тока эмиттера в схеме с общей базой:

h21б = ∆Iк / ∆I б,

где ∆Iк, ∆Iб ,∆Iэ – изменения токов коллектора, базы и эмиттера.

Связь между коэффициентом усиления тока базы h 21э и коэффициентом передачи тока эмиттера h21б:

h21э= h21б / (1– h21б).

Мощность потерь на коллекторе:

Pк = I к Uк,

где I к – ток коллектора, А; Uк – напряжение на коллекторе, В.


  1. Пример решения.

Дано: площадь A = 65*65 мкм2, толщина области n-типа Wn = 45 мкм, р-типа – Wр = 325 мкм. При температуре Т = 300 К удельное сопротивление р-области ρр = 3,25 Ом·см, удельное сопротивление n-области ρn = 0,06 Ом·см, время жизни неосновных носителей τn=τр=0,02 мкс.

Величина контактной разности потенциалов определяется формулой:



(1.1)

Собственная концентрация свободных носителей для Т = 300 К . Проводимость полупроводника обратно пропорционально его удельному сопротивлению (которое нам дано):



(1.2)

В области примесной проводимости, где концентрация основных носителей на много выше концентрации неосновных, именно концентрация и подвижность основных носителей заряда и определяет электрическую проводимость полупроводника.

С учетом этого можно записать следующую формулу:
σ ≈, (1.3)

где q = 1,6 · 10-19 Дж – элементарный заряд, nn0 – равновесная концентрация электронов в n-области, а μn – дрейфовая подвижность электронов.

В рабочем диапазоне температур практически все атомы примеси ионизированы, и пренебрегая собственной концентрацией ni электронов (поскольку в рабочем диапазоне она существенно меньше концентрации примеси) можно считать, что концентрация электронов n-области равна концентрации доноров в этой области:

(1.4)

Приравниваем правые части формул (1.2) и (1.3) и подставляем в них (1.4). Выражаем формулу для Nap



(1.5а)

Аналогичное выражение получается для :



, (1.5б)

В качестве нулевого приближения для концентрации доноров в n – области и концентрации акцепторов в p – области воспользуемся графиком.

При ρn = 0,06 = 6*10-2 (Ом*см), = 1,5*1017 (см-3).

При ρp = 3,25 (Ом*см), = 4*1015 (см-3).

Посчитаем µn и µp по формулам



где Т абсолютная температура, а Тn = Т/300.

Так как Т = 300, то Тn = 1.



Подставим эти значения в формулы (1.5а) и (1.5б) и вычислим Nар и Ndn:





Полученный для Nар результат не совпадает со значением, полученным из. Причина этому может заключаться в ошибке формулы (1,6б). Для проверки воспользуемся эмпирической формулой для μn и μp в кремнии с примесями:



Значения для расчета по этой формуле возьмем из таблицы 1.1:

Таблица 1.1. Значение параметров µmax, µmin, N, Nref.




Легированная примесь Р

Легированная примесь В

µmin,

68,5

44.9

µmax

1414

470.5

Nref

9.20*1016

2.23*1017

α

0.711

0.719




Подставим эти значения в формулы (1.5а) и (1.5б) и вычислим Ndn и Nap:

Ndn = 1,7*1017 , Nap = 4,3*1015 .

Полученные значения подвижностей хорошо согласуются с оценками, полученными по графику и принимаются в качестве нулевого приближения.

Сравнивая значения Ndn и Nap, приходим к выводу, что Ndn > Nap, то есть p-область легирована слабее, чем n-область и поэтому является базой диода, а n-область – эмиттером.

Теперь можно найти контактную разность потенциалов по формуле (1.1):



Равновесную ширину ОПЗ плоского p-n перехода в отсутствии внешнего поля в приближении полного обеднения можно рассчитать по формуле:



(1.7)

Для удобства значение можно рассчитать сразу:



(1.8)

Составляющие равновесной ширины p-n перехода в n-области и p-области определяются соответственно формулами:



(1.9)

(1.10)

Проведём вычисления:







Результаты показывают, что большая часть ОПЗ находится в базовой области диода, что подтверждает уравнение электронейтральности:



(1.11)

При Uобр = 5В: , (1.12)







При Uобр = 10В:



Вычисления показывают, что ширина ОПЗ p-n перехода увеличивается с ростом обратного напряжения в соответствии с соотношением

Максимальная величина напряжённости электрического поля в ОПЗ p-n перехода в приближении полного обеднения определяется выражением:

(1.13)

Можно воспользоваться любой из этих формул, так как они, вследствие уравнения электронейтральности (1.11) дают одинаковые результаты. Возьмём первую формулу и рассчитаем значение Еmax при U=0:



Ток насыщения диода выражается через плотность тока насыщения следующим образом: (1.14)

Выражение для плотности тока насыщения диода с идеальным p-n переходом в общем случае имеет вид:

(1.15)

Рассчитаем значения Lp и Ln: (1.16)







(см)

(см)

Отметим, что Wn» Lp и Wp» Ln, следовательно у нас диод с широкой базой и поэтому ≈1. Видим, что мы имеем резкий n+-p (Ndn>Nap) переход, поэтому равновесная концентрация неосновных носителей в базе np0 много больше концентрации неосновных носителей в эмиттере pn0 (так как с основными носителями всё обстоит наоборот), и поэтому первым слагаемым в фомуле (15) можно пренебречь, вследствие его малости по сравнению со вторым. Учтем, что Dn ≈ Dp и Ln ≈ Lp, преобразуем формулу (1.15) к виду:



(1.17)

Для нахождения коэффициента диффузии электронов Dn воспользуемся соотношением Эйнштейна: , (1.18)

где μnp – дрейфовая подвижность электронов в p-области. Она определяется по формуле (1.6а) с той лишь разницей, что вместо концентрации Ndn там используется Nap.

Равновесную концентрацию неосновных носителей найдём из соотношения: , (1.19)

а диффузионная длина электронов определяется как

(1.20)

Подставив формулы (17) – (20) в (14), получим окончательное выражение для тока насыщения диода:



(1.21)

При этом заметим, что контактная разность потенциалов φk также зависит от температуры: (1.22)

Зависимость собственной концентрации носителей в Si от температуры определяется выражением: (1.23)

Подставим (1.23) в (1.22)



(1.24)

Рассчитаем значения φk при температурах T = 250К и T = 400К. Эти значения будем использовать при расчёте токов насыщения:

При T = 250К

При T = 400К



Проведём расчёты для величины тока насыщения диода:

При T = 250К

При T = 300К



При T = 400К



Как видно из вычислений, ток диода очень резко зависит от температуры, значительно увеличиваясь при относительно небольшом изменении температуры. Это можно объяснить увеличением тепловой генерации неосновных носителей вблизи p-n перехода с повышением температуры, концентрация которых возрастает по закону Аррениуса.

В диоде есть ток через p – n переход и есть генерация неосновных носителей из эмиттера в базу и из базы в эмиттер. Коэффициент инжекции диода определяется как отношение полезной, в данном случае электронной, составляющей тока (плотности тока) к общему току (плотности тока) через p-n переход: (1.25)

Где (1,26а)

и аналогично

(1.26б)

Для нахождения коэффициента диффузии электронов Dn воспользуемся соотношением Эйнштейна (17). Выражение для коэффициента диффузии дырок Dp имеет аналогичный вид:



(1.27)



Диффузионная длина электронов определяется выражением (19). А диффузионная длина дырок будет определяться выражением (16):



(см)

(см)

Тогда, произведя нужные вычисления, получим:







Барьерная ёмкость p-n перехода определяется с учётом формулы (12) выражением:



(1.28)

Проведём вычисления:

При U = 0В

При U = -5В



При U = -10В



Из расчётов видно, что с увеличением обратного напряжения барьерная ёмкость p-n перехода уменьшается.

Напряжение лавинного пробоя определяют по полуэмпирической формуле: (1.29),

где коэффициенты B и a зависят от типа p-n перехода и материала полупроводника. В частности для нашего n+-p кремниевого диода формула (1.29) имеет вид: (1.30)

Проведём вычисления:

Результаты всех вычислений представим в виде таблиц 1.2 – 1.4:

Таблицы 1.2. Результаты вычислений φк, Еmax, γ, Uлп.

φк, В

Еmax, В/см

γ

Uлп, В

0,8

22684,16

0,979

113,5

Таблица 1.3. Значения СБ, δ, δp, δn при значениях 0В, 5В и 10В



, В

0

5

10

СБ, пФ

0,89

0,33

0,24

δ, см

3,5*

13,3*

18,2*

δp, см

3,414*

12,97*

17,75*

δn, см

8,635*

32,81*

44,89*

Таблица 1.4. Значения тока насыщения Is при температурах, равных 250К, 300К и 400К



T, K

250

300

400

Is, A

2.125*

3.959*

4.969*




  1. Контрольные вопросы и задачи

1

По вольт-амперной характеристике кремниевого выпрямительного диода КД103А при t = 20 °С (рис. 1.1) определить сопротивление постоянному току при прямом включении для напряжений Uпр = 0,4; 0,6; 0,8 В. Построить график зависимости R0 = f (Uпр) .

2

Используя вольт-амперную характеристику диода КД103А при t = 20 °С (рис. 1.1), определить сопротивление постоянному току при обратном включении для напряжений Uобр = – 50; –100; – 200 В . Построить график зависимости R0 = f (Uобр).





Рис. 1.1. Вольт-амперная характеристика диода



3

Построить зависимость сопротивления постоянному току диода КД103А при прямом включении от температуры окружающей среды, используя характеристики, представленные на рис. 1.1, для прямого напряжения Uпр = 0,4; 0,6; 0,8 В.

4

Построить график зависимости сопротивления постоянному току диода КД103А при обратном включении от температуры окружающей среды, используя вольт-амперные характеристики рис. 1.1, для обратного напряжения Uобр= – 50; – 100 В.

5

По вольт-амперным характеристикам диода КД103А (рис. 1.1) определить изменения прямого тока при изменении температуры от – 60 до + 120 °С для значений прямого напряжения Uпр = 0,4; 0,6; 0,8; 1 В.

6

По вольт-амперным характеристикам диода КД103А (рис.1.1) определить изменения обратного тока при изменении температуры от – 60 до + 120 °С для значений Uпр= – 50; – 100; – 200 В.

7

Для транзистора КТ312А мощность, рассеиваемая на коллекторе, P к = 225 мВт. Используя семейство выходных характеристик транзистора КТ312А в схеме с общим эмиттером (рис. 1.2), определить рабочую область, учитывая, что наибольшее допустимое напряжение на коллекторе Uк = 20 В.





Рис 1.2. Выходные характеристики транзистора КТ312А в схеме с общим эмиттером
8

Для транзистора КТ312А статический коэффициент усиления тока базы h21э = 10 : 100. Определить, в каких пределах может изменяться коэффициент передачи тока эмиттера h21б .

9

По семейству выходных характеристик транзистора КТ312А в схеме с общим эмиттером (рис. 1.2) определить значения коэффициентов усиления тока базы h21э при напряжении на коллекторе Uк = 15 В для токов базы IБ = 0,2; 0,4; 0,6; 0,8 мА.

Построить график зависимости h21э = f(Uк).

10

Используя семейство выходных характеристик транзистора КТ312А в схеме с общим эмиттером (рис.1.2), определить выходное сопротивление транзистора при токе базы IБ = 0,6 мА и напряжениях на коллекторе Uк = 5; 10; 15 В.

Построить график зависимости Rвых = f(Uк).

11

Для транзистора КТ339А, включённого по схеме с общей базой, при изменении тока эмиттера на 10 мА ток коллектора изменяется на 9,7 мА. Определить коэффициент усиления по току для транзистора в схеме с общим эмиттером.


Дополнительные задания

1 уровень сложности

(оценивается на «удовлетворительно»)

1

Какой пробой опасен для p-n- перехода?

а) тепловой; в) тот и другой;

б) электрический; г) пробой любого вида неопасен.

2

По данному ниже описанию полупроводникового прибора назовите тип прибора, нарисуйте его условно-графическое обозначение на электрических схемах и изобразите вольт-амперную характеристику:

«Эти приборы составляют особую группу полупроводниковых кремниевых плоскостных диодов, предназначенных для поддержания на определённом уровне напряжения при изменении тока в цепи, работают при обратном включении в режиме электрического пробоя.

При прямом включении данный тип диода работает так же, как и обычный выпрямительный диод».

3

На чем основан принцип действия варикапа?

4

Дополните схему классификации полупроводниковых приборов, данную на рис. 1



Рис. 1 Классификация полупроводниковых приборов

5

Допишите классификацию транзисторов в схеме рис. 2



    1. кремниевые

    2. __________


Рис. 2 Классификация транзисторов

2 уровень сложности

(оценивается на «хорошо»)

6

По названию полупроводниковых диодов в схеме «Классификация полупроводниковых диодов» в отведённых квадратах нарисуйте условно-графическое обозначение соответствующих диодов (рис. 3).



Рис. 3 Классифицикация полупроводниковых приборов

7

В каком направлении включается коллекторный p-n–переход в транзисторе:

а) в обратном; б) в прямом;

в) это зависит от типа кристалла; г) это зависит от схемы включения транзистора.

8

По вольт-амперным характеристикам (рис. 4.) определите тип полупроводникового прибора.



Рис. 4 Вольт-амперная характеристика
9

По вольт-амперной характеристике выпрямительного диода, изображённой на рис. 5, определите сопротивление диода по постоянному току при включении тока в прямом и обратном направлении, если к диоду приложено напряжение Uпр = 0,5 В и Uобр = – 50 В.





Рис. 5 Вольт-амперная характеристика

10

Какие виды пробоя диода вы знаете?

3 уровень сложности

(оценивается на «отлично»)

11

Какие диоды используются для генерации электрических колебаний:

а) туннельные; б) импульсные; в) стабилитроны.

г) для генерации электрических колебаний диоды не используются.

12

У какого транзистора входное сопротивление максимальное:

а) у биполярного; б) у полевого с затвором в виде р-n–перехода;

в) у МДП–транзистора; г) у транзистора типа р-n-р.

13

Нарисуйте три схемы включения транзистора: с общей базой (ОБ), с общим эмиттером (ОЭ) и общим коллектором (ОК).

14

Допишите таблицу «Основные параметры транзисторов при трех схемах включения».


Параметр

Схема включения

ОБ

ОЭ

ОК

Rвх

20–120 Ом

150 Ом–1,5 кОм

10–500 кОм

Rвых

?

?

10–100Ом

Ku

30–300

?

?

Ki

?

10–250

?

Kp

?

?

?

Используя данные таблицы, сделайте вывод: какая схема включения транзистора имеет наибольшее усиление по мощности?

15



Какие приборы называют оптронами (оптопарами)?
скачать


Смотрите также:
Занятие 9 "Расчет основных параметров полупроводниковых приборов"
157.74kb.
Расчет параметров рабочего процесса и выбор элементов конструкции тепловозного дизеля
412.28kb.
Отчет: «исследование влияния конструкций теплоотводов на тепловой режим полупроводниковых приборов»
119.33kb.
Занятие № Расчёт показателей использования основных средств. Студент должен
44.65kb.
Занятие № Расчёт амортизационных отчислений. Студент должен: знать: амортизацию основных средств
45.8kb.
Занятие 16 Практическое занятие 16. Вычисления в таблицах на нескольких рабочих листах
57.71kb.
1 Расчет и выбор исходных параметров 2 Тепловой расчет проектируемого двигателя
101.93kb.
Отчет по лабораторной работе №1 по курсу "Метрология и электрические измерения"
90.05kb.
Расчёт основных параметров скрепера
56.92kb.
Исследование полупроводниковых диодов методические указания к лабораторным работам по курсу «Электроника»
369.96kb.
Курсовой проект на тему: " расчет параметров рабочего процесса и выбор элементов конструкции тепловозного дизеля"
820.12kb.
Методические рекомендации для выполнения домашнего задания №4 по теме: «Расчет выпрямительного агрегата на тиристорах дуговой печи постоянного тока»
75.55kb.