Теория и расчет полупроводниковых приборов : твердотельная электроника

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ 

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ  
ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ  
«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ «МИСиС» 

 

 
 
 

 

 

 

 
 

 

№ 1897 

Кафедра полупроводниковой электроники и физики полупроводников 

Г.И. Кольцов 
С.И. Диденко 
М.Н. Орлова 

Теория и расчет 
полупроводниковых приборов 

Твердотельная электроника 

Лабораторный практикум 

Рекомендовано редакционно-издательским 
советом университета 

Москва  2010 

УДК 621.38 
 
К60 

Р е ц е н з е н т  
д-р техн. наук, проф. Г.Д. Кузнецов 

Кольцов, Г. И. 
К60  
Теория и расчет полупроводниковых приборов : Твердотельная электроника : лаб. практикум / Г. И. Кольцов, 
С. И. Диденко, М. Н. Орлова. – М. : Изд. Дом МИСиС, 2010. – 83 с. 
 

В лабораторном практикуме приводится описание лабораторных работ, 
предназначенных для детального и углубленного изучения физических процессов в приборах и структурах современной полупроводниковой электроники – диодах и биполярных транзисторах. 
Предназначен обучающихся по направлению 210100 «Электроника и наноэлектроника». 

 

 
© Г.И. Кольцов, 
С.И. Диденко, 
М.Н. Орлова, 2010 

СОДЕРЖАНИЕ 

Основные правила техники безопасности при выполнении 
лабораторных работ..................................................................................4 
Лабораторная работа 1. Изучение статических вольт-амперных 
характеристик p-n переходов и исследование зависимости 
обратного тока диода от температуры....................................................6 
Лабораторная работа 2. Зарядные емкости полупроводниковых 
приборов..................................................................................................24 
Лабораторная работа 3. Исследование вольт-амперных 
характеристик биполярных транзисторов............................................41 
Лабораторная работа 4. Работа биполярного транзистора 
на высокой частоте.................................................................................60 

Основные правила техники безопасности 
при выполнении лабораторных работ 

Выполнение лабораторных работ связано с использованием электрорадиоизмерительных приборов и стендов, являющихся источниками повышенной опасности, так как некоторые элементы их находятся под высоким напряжением. Поэтому к лабораторным работам 
студенты допускаются только после инструктажа по технике безопасности, о получении которого должны свидетельствовать их личные подписи в специальном журнале. 
Студент, работающий в лаборатории, обязан руководствоваться 
инструкциями и всеми дополнительными указаниями преподавателей о соблюдении мер безопасности при работе с установками. Выполнение работ в отсутствии преподавателя или лаборанта запрещается. 
Студенты, лично не выполняющие правила техники безопасности 
или допускающие их нарушения в отношении других лиц, отстраняются от выполнения работ и привлекаются к ответственности. 
Запрещается загромождать столы и рабочее место посторонними 
предметами (сумками, портфелями, чемоданами, одеждой) и приборами, не относящимися непосредственно к выполняемой работе. 
Перед выполнением практической части лабораторного задания 
необходимо внимательно ознакомиться с описанием работы, схемой 
включения приборов, обратив особое внимание на цепи, находящиеся под повышенным напряжением. 
Прежде чем включать в сеть электрорадиоизмерительные приборы и стенды, необходимо убедиться в наличии надежного зануления 
корпусов приборов. Работа с незануленными или неисправными 
приборами, установками и стендами, не имеющими защитных кожухов, запрещается. 
Первое включение собранной схемы, а также ее включение после 
внесения изменений производится только с разрешения преподавателя или лаборанта. 
Пользоваться кабелями питания с поврежденной изоляцией проводников, вилок, разъемов, а также поврежденными штепсельными 
розетками запрещается. 
Все производимые в схеме установки изменения, снятие испытуемых приборов и переключения должны осуществляться только в 
полностью обесточенных цепях. После подачи напряжения прикос

новение к открытым токоведущим частям схемы или исследуемых 
полупроводниковых приборов запрещается. 
При пользовании переносными электрорадиоизмерительными 
приборами (например, тестерами), последние должны располагаться 
на стеллажах или столах. Запрещается во время измерений держать 
эти приборы в руках или на коленях. 
Запрещается оставлять без надзора включенные установки и приборы. 
Запрещается бесцельное хождение no лаборатории, посторонние 
разговоры, отвлечение других от выполняемой работы. 
При обнаружении неисправности в оборудовании (погасание индикаторной лампы, искрение, дым и т.п.) или резком зашкаливании 
измерительных приборов необходимо принять меры к немедленному 
обесточиванию приборов и устранению неисправности вместе с преподавателем или лаборантом или по их указаниям. 
Если произошел несчастный случай, то необходимо немедленно 
отключить установку от сети, сообщить о случившемся преподавателю иди лаборанту и оказать первую помощь пострадавшему. 

Лабораторная работа 1 

ИЗУЧЕНИЕ СТАТИЧЕСКИХ 
ВОЛЬТ-АМПЕРНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК 
p-n ПЕРЕХОДОВ И ИССЛЕДОВАНИЕ 
ЗАВИСИМОСТИ ОБРАТНОГО ТОКА ДИОДА 
ОТ ТЕМПЕРАТУРЫ 

1.1. Цель работы 

Целью работы является изучение идеальной и реальной вольтамперной характеристики (ВАХ) плоскостных полупроводниковых 
диодов различного назначения; выяснение причин, влияющих на отклонение характеристики от идеальной; исследование температурной 
зависимости тока диода. 

1.2. Теоретическое введение 

Основным элементом многих полупроводниковых приборов является электронно-дырочной переход (p-n переход). 
В условиях термодинамического равновесия полупроводниковый 
кристалл с p-n переходом является в целом квазинейтральным, суммарный заряд в нем равен нулю. Диффузионный ток, возникающий 
вследствие градиента концентрации носителей заряда, уравновешивается дрейфовым током, обусловленным встречным движением носителей заряда в поле равновесных доноров и акцепторов в окрестности металлургической границы p-n перехода. Между p- и nобластями устанавливается контактная разность потенциалов: 

 
( )
,
к
W

E x dx
ϕ = ∫
 
(1.1) 

где W – ширина области пространственного заряда в области перехода. 
За счет контактного потенциала образуется потенциальный барьер 
для основных носителей заряда соответствующих областей. 
При приложении к переходу внешнего смещения состояние термодинамического равновесия нарушается и через переход протекает 
неравновесный ток. Величина протекающего тока определяется 
уменьшением или увеличением потенциального барьера, определяемого контактной разностью потенциалов (рис. 1.1). 

Рис. 1.1. Схема диффузионных и дрейфовых токов носителей заряда 
в p-n переходе (а); распределение акцепторов и доноров 
в p-n переходе (б); распределение электрического встроенного поля (в); 
распределение потенциала в p-n переходе в условиях 
термодинамического равновесия (г) 

При положительном внешнем смещении (рис. 1.2, а), поданном на 
переход (плюс – к p-области), потенциал p-области увеличивается, а 
величина потенциального барьера уменьшается. Уменьшение потенциального барьера приводит к увеличению потока электронов из pобласти, а дырок из n-области, в результате ток через переход возрастает. При обратной полярности внешнего смещения (рис. 1.2, б) 
потенциальный барьер увеличивается и при напряжениях, больше 
нескольких kT/q, переходы электронов и дырок оказываются невозможными. Ток через переходы в этом случае обусловлен только пе

ремещением неосновных носителей заряда, которые перебрасываются через переход электрическим полем, направление которого благоприятно для таких переходов. В область поля неосновные носители 
попадают из объема полупроводника с расстояний, сравнимых с 
диффузионной длиной. 

 

Рис. 1.2. Зонные диаграммы p-n перехода при прямом (а) 
и обратном (б) смещениях 

1.2.1. Идеальная вольт-амперная 
характеристика p-n перехода 

Аналитическая или графическая зависимость, связывающая между собой значение тока, протекающего через переход, и величину 
приложенного смещения, называется вольт-амперной характеристикой. Расчет идеальной ВАХ p-n перехода проводится на основе ре

шения уравнений непрерывности для дырок и электронов, которые 
имеют вид 

 
1 div
;
p
p
p
p
G
R
j
t
q
∂
=
−
−
∂
 
1 div
,
n
n
n
n
G
R
j
t
q
∂ =
−
+
∂
 
(1.2) 

где G 
– скорость генерации (индексы p и n – концентрация дырок 
 
 и электронов соответственно); 
R 
– скорость рекомбинации носителей заряда; 
jp и jn – плотность тока дырок и электронов соответственно. 

Для упрощения задачи принимается ряд допущений. 
1. Рассматривается тонкий плоский p-n переход. При этом не учитывается генерация и рекомбинация носителей заряда в области пространственного заряда (ОПЗ) p-n перехода (W << L, где L – диффузионная длина носителей заряда), и задача сводится к одномерному 
случаю 

 
div
; div

p
n
n
p

j
j
j
j
x
x

∂
⎛
⎞
∂
=
=
⎜
⎟
∂
∂
⎝
⎠
. 

Считается, что в полупроводниковой структуре существует только 
термогенерированные носители заряда, уравновешенные рекомбинацией (С = 0). 
2. Рассматривается стационарный случай протекания тока через 
p-n переход, т.е. 

 
0;
0
n
p
t
t
∂
∂
=
=
∂
∂
. 

3. Контакты полупроводника с металлом, к которым подается 
внешнее смещение, сделаны омическими и находятся далеко от p-n 
перехода; ловушки и поверхностная рекомбинация отсутствуют, так 
что неравновесные носители заряда, прошедшие p-n переход, рекомбинируют в объеме полупроводника. 
4. Концентрация подвижных носителей заряда в ОПЗ мала, и объемный заряд в ней определяется только ионами примеси. Токи малы 
и не вызывают существенного падения напряжения на сопротивлении квазинейтральных областей кристалла полупроводника и контактах. Таким образом, все внешнее напряжение приложено непосредственно к p-n переходу.