ИЗМЕРЕНИЕ БАРЬЕРНОЙ ЁМКОСТИ ЭЛЕКТРОННО-ДЫРОЧНОГО ПЕРЕХОДА

Цель работы: получение экспериментальной вольт-фарадной характеристики электронно-дырочного перехода при различных температурах.

2.1. Основные теоретические положения

Электронно-дырочный переход представляет собой систему двух объемных разноименных зарядов – неподвижных положительных ионов донорной и отрицательных ионов акцепторной примесей. Поскольку эти заряды не могут перемещаться, занятая ими область полупроводника обладает высоким электрическим сопротивлением и образует запирающий слой (рис. 2.1). При изменении напряжения, приложенного к электронно-дырочному переходу, изменяется ширина запирающего слоя d вследствие оттекания и подтекания к нему свободных электронов и дырок из прилегающих n-области и p-области. Изменение ширины запирающего слоя приводит к изменению величины объемных неподвижных разноименных зарядов в нем. Как известно, изменение величины электрического заряда при изменении приложенного напряжения характеризуется таким параметром как электрическая ёмкость. Поэтому электронно-дырочный переход при подключении к источнику переменного напряжения ведёт себя подобно электрическому конденсатору с барьерной ёмкостью СБ (рис. 2.1). Барьерная ёмкость может быть вычислена по формуле плоского конденсатора:

.

В этом выражении dQБ - изменение объемного заряда электронно-дырочного перехода при изменении приложенного к нему обратного напряжения duR, S – площадь электронно-дырочного перехода, ee0 - диэлектрическая проницаемость материала электронно-дырочного перехода.

 

Рис. 2.1. Ёмкость p-n перехода

 

При регулировании величины обратного напряжения UR, приложенного к электронно-дырочному переходу, объемный заряд dQБ изменяется не пропорционально UR, поэтому барьерная ёмкость является функцией этого напряжения, т. е. является нелинейной. Типичный вид вольт-фарадной характеристики (ВФХ) электронно-дырочного перехода показан на рис. 2.2.

 

 

Рис. 2.2. Вольт-фарадная характеристика

 

Барьерная ёмкость может достигать величины десятков пикофарад. Инерционность процесса заряда и разряда этой ёмкости при работе полупроводниковых устройств может заметно ухудшить их быстродействие, что является отрицательным фактором.

Возможность управлять барьерной ёмкостью, регулируя приложенное к ней постоянное напряжение, используется в специальных полупроводниковых диодах – варикапах. Они применяются для дистанционной перестройки резонансных частот колебательных контуров и в устройствах, где нужна нелинейная ёмкость.

Измерить СБможно резонансным методом. Для этого диод с ёмкостью СБ включают в колебательный контур и измеряют его резонансную частоту f0 (рис. 2.3). Контроль за наступлением резонанса можно вести по максимуму напряжения на сопротивлении R.

 

 

Рис. 2.3. Колебательный контур

 

Величина ёмкости определяется из условия резонанса для последовательного колебательного контура:

.

2.2 Порядок выполнения работы

1. Собрать схему экспериментальной установки по рис. 2.4.

Рис. 2.4 Схема измерения барьерной ёмкости

 

На этой схеме источник напряжения «RegU20B» позволяет регулировать обратное напряжение диода VD от 0 до 20 В с шагом 0,2 В нажатием на клавишу «U» (увеличение напряжения) или «Shift + U» (уменьшение напряжения). Вольтметр V измеряет постоянное обратное напряжение на диоде. После установки и измерения этого напряжения вольтметр необходимо отключить от диода переключателем S1 нажатием на клавишу «Пробел» (Space). При этом вольтметр не будет своим внутренним сопротивлением вносить погрешности в дальнейшие измерения. Численное значение индуктивности задаётся преподавателем.

2. Измерить резонансные частоты колебательного контура f0 при различных величинах обратного напряжения UR в диапазоне от 0 до 10 В с шагом 1-2 В при температуре диода t = 27оС. Для этого необходимо дважды щелкнуть левой кнопкой мыши на изображении диода и установить его температуру в соответствующем окне согласно рис. 2.5.

 

 

Рис. 2.5. Установка температуры диода

 

Включить режим моделирования, подключить вольтметр к диоду переключателем S1, установить одно из значений обратного напряжения, записать его в табл. 2.1 и отключить вольтметр. Для измерения резонансной частоты при этом значения обратного напряжения необходимо дважды щелкнуть левой кнопкой мыши на изображении характериографа (Bode Plotter), появится изображение его лицевой панели (рис. 2.6).

 

 

Рис. 2.6. Лицевая панель.

 

На экране с помощью указателя мыши переместить вертикальную визирную линию в точку максимума резонансной кривой. Точный поиск максимума лучше производить с помощью кнопок со стрелами «» «®» в нижней части лицевой панели характериографа. по максимальному показанию цифрового индикатора (0,156 на рис. 2.6). Резонансную частоту колебательного контура f0 , показанную так же на цифровом индикаторе в нижней части лицевой панели (122,8 кГц на рис. 2.6) записать в табл. 2.1.

Повторить эксперимент для остальных значений обратного напряжения, а так же для t = 70оС.

 

Таблица 2.1

Результаты измерений и вычислений

 

t = 27оС t = 70оС
UR,В ,кГц СБ,пФ UR,В ,кГц СБ,пФ
           

 

3. По результатам измерений определить барьерную ёмкость для каждого значения напряжения UR и построить ВФХ электронно-дырочного перехода для двух значений температуры на одном графике.

2.3. Контрольные вопросы

1. Почему образуется запирающий слой в электронно-дырочном переходе? Каковы его электрические свойства?

2. Что такое барьерная ёмкость электронно-дырочного перехода? От каких параметров электронно-дырочного перехода она зависит?

3.Как зависит барьерная ёмкость от напряжения электронно-дырочного перехода? Почему?

4. Как зависит барьерная ёмкость от температуры? Почему?

5. Как влияет барьерная ёмкость на быстродействие и частотные свойства полупроводниковых приборов?

6. Как используют барьерная ёмкость в электронной технике?