Температурная зависимость удельной проводимости примесного полупроводника

Стр 1 из 2Следующая ⇒

Министерство образования Республики Беларусь

Учреждение образования

«БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИНФОРМАТИКИ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ»

Специальность: ИПОИТ

КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА

По курсу: Электронные приборы

Вариант №6

Студент-заочник 3 курса

Группы № 380971

Красновский Вадим Анатольевич

Проверил

Минск, 2016

СОДЕРЖАНИЕ

Ведение......................................................................................................... 3

Задача №2.................................................................................................... 4

Задача №4.................................................................................................... 5

Теоретические вопросы............................................................................. 10

Список литературы.................................................................................... 19

ВВЕДЕНИЕ

Курс «Электронные приборы» изучает: классификацию электронных приборов по характеру рабочей среды, принципу действия и диапазону рабочих частот, основные свойства и особенности электронных приборов, роль электронных приборов в радиоэлектронике, телекоммуникационных системах, вычислительных комплексах и других областях науки и техники, значение курса как одной из базовых дисциплин радиотехнических специальностей. Главной целью является, самостоятельное изучение материала входящего в курс программы обучения.

Контрольная работа разделяется на теоретическую и практическую части, для самостоятельного выполнения. В практическую часть входит решение задач по поставленным заданиям. В теоретическую часть входит изучение примесных полупроводников и диодных тиристоров, их структурные схемы и характеристики.

ЗАДАЧИ

Задача №2

Стабилитрон подключен для стабилизации напряжения параллельно резистору нагрузки R_H. Параметры стабилитрона U_cт=8 В; I_{cт min}=5 мА; I_{cт max}=30 мА и сопротивление нагрузки R_H=1кОМ. Определите величину сопротивления ограничительного резистора R_огр, если напряжение источника Е₀ изменяется от E_min=20 В до E_max=30 B. Будет ли обеспечена стабилизация во всем диапазоне изменений напряжения источника Е?

Решение:

R_огр

R_Н

I₀

I_ст

I_н

U_ст=U_вых

Средний ток стабилизации:

При этом необходимая величина питания будет равна:

Отсюда можно найти необходимую величину ограничительного резистора:

Средняя величина питающего напряжения:

Ток нагрузки:

Из этого следует что:

Диапазон изменения напряжения будет равным:

Отсюда видно, что стабилизация получается во всем диапазоне изменения напряжения питания.

Задача№4

Фотодиод включен последовательно с источником питания и нагрузочным резистором R_Н=80 кОм. Обратный ток насыщения затемненного фотодиода равен I₀=7 мкА.

Фототок диода в фотогальваническом режиме при коротком замыкании перехода составляет I_ф1=30 мкА при потоке световой энергии Ф₁; I_ф2=60 мкА при потоке световой энергии Ф₂; I_ф3=0 при потоке световой энергии Ф₃=0.

Вычислить и построить семейство ВАХ идеализированного фотодиода для световых потоков Ф₁, Ф₂ и Ф₃ в области напряжений U от 0 до – 10 В ( при расчетах принять, что фототок не зависит от напряжения на запертом переходе; Т = 300 К).

Определить напряжение холостого хода U_xx перехода диода для Ф₁, Ф₂ и Ф₃ и значения Ф_1,2(лм), считая токовую чувствительность при монохроматическом световом потоке равной Si=1,5*10-2 мкА/лм.

Описать принцип работы, характеристики и параметры фотодиода.

Решение:

Ток, протекающий через фотодиод:

где − фототок, − тепловой ток перехода, U − напряжение на диоде.

При разомкнутой внешней цепи R_н=∞, I_общ=0 − и напряжение при холостом ходе равно фото ЭДС:

Для фотодиода, работающего в фотодиодном режиме:

мкА

U, В

-0,01

-0,05

-0,1

-0,2

-1

-10

I1, мкА

-30

-32,24

-35,98

-36,85

-36,99

-37

I2, мкА

-60

-62,24

-65,98

-66,85

-66,99

-67

I2, мкА

-2,24

-5,98

-6,85

-6,99

-7

Таблица значений для построения вольт-амперной характеристики.

Принцип работы фотодиода основан на внутреннем фотоэффекте, то есть способностью полупроводника генерировать электронно-дырочные пары внешнем облучении p-n-перехода оптическим излучением.

Фотодиоды могут работать в одном из двух режимов:

1)без внешнего источника электрической энергии (вентильный режим);

2)с внешним источником электрической энергии (фотопреобразовательный режим).

Особенности:

1. простота технологии изготовления и структур;

2. сочетание высокой фоточувствительности и быстродействия;

3. малое сопротивление базы;

4. малая инерционность.

Характеристики фотодиода:

1)Вольт-амперная характеристика (ВАХ) – зависимость выходного напряжения от входного тока. U_Φ = f(I_Φ).

2)Спектральные характеристики – зависимость фототока от длины волны падающего света на фотодиод. Она определяется со стороны больших длин волн шириной запрещённой зоны, при малых длинах волн большим показателем поглощения и увеличения влияния поверхностной рекомбинации носителей заряда с уменьшением длины волны квантов света. То есть коротковолновая граница чувствительности зависит от толщины базы и от скорости поверхностной рекомбинации. Положение максимума в спектральной характеристике фотодиода сильно зависит от степени роста коэффициента поглощения.

3)Световые характеристики – зависимость фототока от освещённости, соответствует прямой пропорциональности фототока от освещённости. Это обусловлено тем, что толщина базы фотодиода значительно меньше диффузионной длины неосновных носителей заряда. То есть практически все неосновные носители заряда, возникшие в базе, принимают участие в образовании фототока.

4)Постоянная времени – это время, в течение которого фототок фотодиода изменяется после освещения или после затемнения фотодиода в е раз (63 %) по отношению к установившемуся значению.

5)Темновое сопротивление – сопротивление фотодиода в отсутствие освещения.

6)Инерционность.

Параметры фотодиода:

1.Величина фототока I_ф при номинальном световом потоке, определяемым заводом-изготовителем.

2.Рабочее напряжение − обратное напряжение, которое прикладывается к фотодиоду.

3.Интегральная чувствительность .

4.Граничная частота фотодиода (до 10¹² Гц).

Теоретические вопросы

Температурная зависимость удельной проводимости примесного полупроводника.

Если в кристалл германия или кремния добавить примесь элементов третьей или пятой групп таблицы Менделеева, то такой полупроводник называется примесным. Примеси могут быть донорного и акцепторного типа. Примесный атом, создающий в запрещенной зоне энергетический уровень, занятый в невозбужденном состоянии электронами и отдающий в возбужденном состоянии электрон в зону проводимости, называют донором.

Примесный атом, создающий в запрещенной зоне энергетический уровень свободный от электронов в невозбужденном состоянии и способный захватить электрон из валентной зоны при возбуждении, создавая дырки в валентной зоне, называют акцептором.

Температурная зависимость удельной проводимости примесных полупроводников. При изучении электропроводности полупроводников следует подчеркнуть, что удельная проводимость, как практически измеряемая величина, содержит информацию об основных количественных параметрах исследуемого материала. Это связано с тем, что удельная проводимость зависит от концентрации носителей заряда, их подвижности и ширины запрещённой зоны (для собственного полупроводника), либо энергии активации примеси (для примесного полупроводника).

Если учесть, что температурная зависимость подвижности является степенной функцией медленно меняющейся с температурой, то можно сказать, что температурная зависимость удельной проводимости определяется, в основном, температурной зависимостью концентрации носителей заряда, изменяющейся по экспоненциальному закону.

Для примесного полупроводника ход температурной зависимости удельной проводимости аналогичен температурной зависимости концентрации, хотя имеет некоторые особенности.

Рис 1.Температурная зависимость удельной проводимости

примесного полупроводника.

При низких температурах в полупроводнике отсутствуют собственные носители заряда, и проводимость определяется только примесными носителями, концентрация которых с ростом температуры экспоненциально растёт. Поэтому в полулогарифмическом масштабе удельная проводимость линейно зависит от обратной температуры. Наклон прямой до точки «а» определяется энергией активации примесных носителей заряда, т.е. DЕ_D, либо DЕ_А, причем tgβ ~ DЕ_D, DЕ_А.

Следовательно, чем глубже находятся энергетические уровни примесных носителей заряда, тем круче участок примесной проводимости, что на рисунке показано штрих пунктирной линией, для которой (DЕ_D*, DЕ_А*) >DЕ_D, DЕ₃, что следует из соотношения:

tgβ*>tgβ.

В точке «а» все примесные атомы оказываются ионизированными. Концентрация свободных носителей с дальнейшим ростом температуры остаётся постоянной и равной концентрации примесных атомов N_D или N_A, а, следовательно, и удельная проводимость практически не изменяется с изменением температуры. На графике такому положению соответствует участок а-б. Однако, если в диапазоне температур 1/Т_S-1/Т_i подвижность с ростом температуры изменяется, то удельная проводимость будет либо уменьшаться - участок а-в, либо увеличиваться - участок а-г, в зависимости от того какой механизм рассеяния носителей преобладает или доминирует.

Поскольку температуры истощения примеси Т_S достаточно низкие (100...150)К, а температуры Т_i перехода к собственной проводимости очень высокие (400...500)К, то в этом интервале температур, обычно, удельная проводимость слегка увеличивается за счёт роста подвижности, а затем уменьшается из-за рассеяния носителей на тепловых колебаниях решётки, приводящих к уменьшению подвижности. Фактически, участок а-б не является линейным как показано на рисунке 1. Однако, изменение удельной проводимости на этом участке за счет температурной зависимости подвижности в области рабочих температур незначительна. Поэтому, в первом приближении, этими изменениями можно пренебречь, или для получения нужного значения σ, учесть на этапе изготовления полупроводникового материала.

При достижении температуры Т_i начинается генерация собственных носителей заряда, поэтому концентрация свободных носителей увешается и, следовательно, растет уделывая проводимость. Поскольку рост концентрации по экспоненциальному закону, наклон прямой собственной проводимости (участок б-г-б*) пропорционален DЕ₃, причём

tgα ~ DЕ₃.

Изменение концентрации примесных атомов приводит к параллельному смещению графика, что показано пунктирной линией на рисунке 1, для которой N₂>N₁.

Следует подчеркнуть, что диапазон рабочих температур приборов находится в области (240.. .300) К, поэтому концентрации свободных носителей, а значит и удельная проводимость, будут определяться только концентрацией примeсных атомов N_D, N_A, введённых в полупроводник в процессе легирования.

Таким образом, задавая концентрацию примеси N_D, N_A, можно получить требуемое значение удельной проводимости о в пределах трех порядков ее величины.

По температурной зависимости удельной проводимости оказывается возможным экспериментальное определение энергии активации примеси DЕ_D, DЕ_А и ширины запрещенной зоны DЕ₃, поскольку

DЕ_D, DЕ_А ~ tgβ, а DЕ₃~ tgα.

Дата добавления: 2018-04-05; просмотров: 405; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

12 Следующая ⇒

Мы поможем в написании ваших работ!