Лабораторная работа № 2. Исследование температурной зависимости статических вольт-амперных характеристик полупроводниковых диодов

Цель работы: приобретение навыков экспериментального исследования температурной зависимости ВАХ полупроводниковых диодов.

Повышение температуры приводит к росту собственной концентрации носителей:

, (2.1)

где E_g – ширина запрещенной зоны (E_g=E_с –E_v). Она зависит от температуры:

. (2.2)

Для Si E_g0 = 1,17 эВ, a = -3,9 ∙ 10^-4 эВ/К, для Ge E_g0 = 0,785 эВ, a = -3,7 ∙ 10^-4 эВ/К, для GaAs E_g0 = 1,52 эВ, a = -4,3 ∙ 10^-4 эВ/К.

Это приводит к росту тока насыщения (рисунок 2.1),

(2.3)

Таким образом, для расчета ВАХ при температуре Т необходимо рассчитать значение тока насыщения и сопротивления базы диода. Для этого необходимо рассчитать значения концентраций неосновных носителей заряда и подвижности носителей при заданной температуре. Температурная зависимость концентрации свободных носителей заряда n в полупроводнике легированном донорной примесью с концентрацией Nd показана на рисунке 2.2.

Рис. 2.1. Изменение ВАХ при повышении температуры

Рис. 2.2. Температурная зависимость концентрации свободных носителей заряда

При низкой температуре (область 1) концентрация носителей повышается с ростом температуры за счет ионизации атомов примеси.

Концентрацию свободных носителей заряда в области 1, называемой областью слабой ионизации примеси, можно оценить по формуле (2.4), если полупроводник легирован донорной примесью (n-тип проводимости), или по формуле (2.5), если полупроводник легирован акцепторной примесью (p-тип проводимости).

, (2.4)

, (2.5)

где N_d, N_a – концентрация легирующей примеси; N_c, N_v – эффективная плотность квантовых состояний (количество разрешенных уровней в единице объема материала) в зоне проводимости и в валентной зоне, соответственно.

Для Si N_c = 2,7 ∙ 10¹⁹ (T/300) ^3/2, N_v = 1,05 ∙ 10¹⁹ (T/300) ^3/2,

для Ge N_c = 1,04 ∙ 10¹⁹ (T/300) ^3/2, N_v = 6,1 ∙ 10¹⁹ (T/300) ^3/2.

Значение подвижности рассчитывается по формуле (1.2), а затем по формулам (1.8) и (1.9) рассчитать необходимые величины.

При домашней подготовке необходимо ознакомиться с температурными зависимостями в диодах.