Исследование характеристик полупроводниковых приборов

Московский государственный технический университет 

имени Н.Э. Баумана 

А.В. Галев, С.С. Юдачев 

Исследование характеристик  
полупроводниковых приборов 

Методические указания к выполнению лабораторных работ  

по дисциплинам «Электроника»  

и «Электроника и микроэлектроника» 

 

 

 
 
 
 
 
 

 
 
 
 

УДК 621.314 
ББК 32.85я723 
 
Г15 

Издание доступно в электронном виде на портале ebooks.bmstu.ru 
по адресу: http://ebooks.bmstu.ru/catalog/212/book1276.html 
Факультет «Радиоэлектроника и лазерная техника» 
Кафедра «Радиоэлектронные системы и устройства» 

Рекомендовано Редакционно-издательским советом  
МГТУ им. Н.Э. Баумана в качестве методических указаний 
 
Рецензент 
канд. техн. наук, доцент С.И. Масленникова 
 
Галев, А. В. 
Г15  
Исследование характеристик полупроводниковых приборов : методические указания к выполнению лабораторных 
работ по дисциплинам «Электроника» и «Электроника и 
микроэлектроника» / А. В. Галев, С. С. Юдачев. — Москва : 
Издательство МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2015. — 37, [3] с. : ил.  
ISBN 978-5-7038-4231-7 
Изложены сведения, необходимые для исследования характеристик и параметров выпрямительных полупроводниковых диодов, стабилитронов, туннельных диодов, биполярных транзисторов 
и полевых транзисторов с управляющим p–n-переходом. Рассмотрены принципы работы этих приборов, даны их основные статические характеристики и параметры.  
Для студентов МГТУ им. Н.Э. Баумана, обучающихся по специальностям «Радиоэлектронные системы и комплексы» и «Конструирование и технология радиоэлектронных средств». 

 
  УДК 621.314 
 
  ББК 32.85я723 

 

 
© МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2015 
 
© Оформление. Издательство  
ISBN 978-5-7038-4231-7 
 
МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2015 

Предисловие 

Комплекс лабораторных работ по дисциплине «Электроника» 
включает в себя работы по исследованию характеристик и параметров выпрямительных полупроводниковых диодов, стабилитронов, туннельных диодов, биполярных транзисторов и полевых 
транзисторов с управляющим p–n-переходом. Рассматриваются 
принципы работы этих приборов, их основные статические характеристики и параметры.  
Студенты в процессе выполнения лабораторных работ проводят самостоятельные исследования этих характеристик и получают навыки экспериментальной работы с измерительными приборами. 
В конце каждой лабораторной работы приведены вопросы для 
контроля знаний студентов. 
Отчет о лабораторной работе должен содержать: 
1) название и цель работы; 
2) схемы проведения измерений с указанием типов измерительных приборов; 
3) графики полученных статических характеристик; 
4) данные расчетов параметров приборов;  
5) анализ полученных результатов и выводы о проделанной  
работе. 
 

Лабораторная работа № 1 
Исследование характеристик и параметров  
полупроводниковых диодов 

Краткие сведения о полупроводниковых диодах 

Общие сведения 

Полупроводниковые диоды относятся к приборам, свойства 
которых определяются поведением электронов в кристаллической 
решетке твердого тела (полупроводника) [1–3]. 
Согласно квантовой теории, электрон может находиться только 
в строго определенных состояниях на разрешенных энергетических уровнях. В твердом теле взаимодействие большого числа 
близко расположенных атомов вызывает расщепление энергетических уровней, которые образуют разрешенные и запрещенные 
энергетические зоны (рис. 1.1). 
Электроны могут совершать перемещения на свободные энергетические уровни. Процесс перехода электронов является случайным. Вероятность P нахождения 
электрона на данном энергетическом уровне Е при данной температуре T определяется функцией распределения Ферми — Дирака  

 

1
( , )
exp
1
,
F
E
E
P E T
kT

















  

где k — постоянная Больцмана. 
Эта функция обладает центральной симметрией относительно так 
называемого уровня Ферми 
F
E  — 
условного уровня, вероятность на
 

Рис. 1.1. Зона проводимости (1), запрещенная (2) и валентная (3) зоны в твердом 
теле 

хождения электрона на котором равна 0,5, если данный уровень 
является разрешенным. При абсолютном нуле (T = 0 К) нахождение электрона выше уровня Ферми невозможно, ниже все разрешенные уровни заполнены электронами. 
В проводнике валентная зона перекрывается с зоной проводимости. Валентная зона полупроводника, как и диэлектрика, полностью заполнена при T = 0 К. От диэлектрика полупроводник отличается меньшей шириной запрещенной зоны (0,5…3 эВ). 
Подвижными носителями заряда в твердом теле являются 
электроны, перешедшие из валентной зоны с верхним уровнем Ев в 
зону проводимости с нижним уровнем Еп. В проводнике этот переход совершается легко, в полупроводнике для такого перехода 
электрону требуется сообщить гораздо большую энергию. Электроны проводимости обеспечивают электронную электрическую 
проводимость твердого тела. В полупроводнике кроме электронов 
проводимости подвижными носителями заряда являются дырки — 
свободные энергетические уровни в валентной зоне (или незаполненная валентная зона), имеющие положительный заряд. Переход 
электрона в валентной зоне с заполненного уровня на свободный 
означает как бы перемещение дырки в обратном направлении. 
Проводимость полупроводника, созданная движением дырок, 
называется дырочной. 
При данной температуре в результате динамического равновесия между случайными процессами генерации (при переходе электрона из валентной зоны в зону проводимости) и рекомбинации 
(при возвращении электрона в валентную зону) подвижных носителей заряда устанавливается некоторая средняя их концентрация — 
равновесная. 
В собственном, т. е. беспримесном, полупроводнике количество электронов проводимости равно количеству дырок, и уровень 
Ферми лежит посередине запрещенной зоны (см. рис. 1.1). Электрическая проводимость такого полупроводника называется собственной. 
Введение примесей в полупроводник увеличивает его электропроводность. Это объясняется появлением дополнительных энергетических уровней внутри запрещенной зоны основного полупроводника. Валентный электрон донорной примеси обладает более высокой энергией и занимает локальный донорный уровень 

(примесный уровень) в запрещенной зоне вблизи зоны проводимости (рис. 1.2, а), а недостаток валентного электрона в акцепторной 
примеси создает свободный локальный акцепторный уровень в запрещенной зоне вблизи валентной зоны (рис. 1.2, б). При повышении температуры атомы примеси легко ионизируются: электроны 
с донорного уровня переходят в зону проводимости (дырки при 
этом не образуются), а из валентной зоны — на акцепторный уровень, не становясь при этом электронами проводимости. В результате образуются неподвижные заряды (ионы примеси) и подвижные носители заряда (электроны и дырки). В полупроводнике с 
донорной примесью (типа n) электроны являются основными 
(преобладающими) носителями, а дырки — неосновными, в полупроводнике с акцепторной примесью (типа p) основные носители 
заряда — дырки, неосновные — электроны.  
Энергия ионизации электронов примеси мала (около 0,01 эВ), 
поэтому при комнатной температуре (300 K) практически все атомы примеси ионизированы и концентрация основных носителей 
заряда в примесном полупроводнике на несколько порядков выше 
концентрации неосновных носителей. Уровень Ферми 
F
E  не лежит посредине запрещенной зоны, а находится ближе к локальным 
примесным уровням (см. рис. 1.2). Положение уровня Ферми для 
примесного полупроводника не является постоянным и зависит от 
температуры. Например, в полупроводнике n-типа при 0 К уровень 
Ферми (
)
n
F
E
 лежит между локальным донорным уровнем и зоной 

 

Рис. 1.2. Положение примесных уровней в полупроводнике n-типа (а) и р-типа (б) 
 

проводимости, а в полупроводнике р-типа (
)
p
F
E
 — между акцепторным уровнем и валентной зоной. С повышением температуры 
он смещается к середине запрещенной зоны. При одной и той же 
температуре с увеличением концентрации примеси уровень Ферми 
располагается дальше от середины запрещенной зоны. 
При направленном движении носителей заряда в полупроводнике возникает электрический ток — дрейфовый под действием 
электрического поля и диффузионный, вызванный градиентом 
(различием) концентрации подвижных носителей заряда. 
Если в кристалле полупроводника существуют две области с 
разными типами проводимости, то между ними возникает особый 
слой — электронно-дырочный, или p–n-переход. Разница в концентрации носителей заряда на границе двух областей вызывает 
диффузионный ток. Дырки перемещаются из p-области в n-область, а электроны — в обратном направлении. В результате ухода 
основных носителей заряда вблизи границы остаются нескомпенсированные неподвижные заряды ионов примеси: «отрицательные» в p-области и «положительные» в n-области (рис. 1.3, а). 
Возникший объемный заряд p–n-перехода создает контактную 
разность потенциалов 
конт,

 которая препятствует диффузионному току основных носителей и вызывает дрейфовый ток неосновных носителей.  
При отсутствии внешнего электрического поля уровень Ферми 
системы, состоящей из р- и n-областей, должен быть единым.  
В пределах p–n-перехода вследствие образовавшейся разности потенциалов происходит относительное смещение границ энергетических зон на высоту потенциального барьера 
конт,
e
 который 

 

Рис. 1.3. Схема запирающего слоя (а) и энергетическая диаграмма p–n-перехода (б) 

должны преодолеть носители заряда при их диффузионном движении (рис. 1.3, б). Высота 
конт
e
 зависит от положения уровня 
Ферми в р- и n-областях. Между диффузионным и дрейфовым током устанавливается равновесие, суммарный ток через переход 
равен нулю. 
При включении внешнего напряжения динамическое равновесие 
между токами нарушается. Поскольку сопротивление перехода, 
обедненного подвижными носителями заряда, много больше 
сопротивления остальных областей кристалла полупроводника, 
можно 
считать, 
что 
внешнее напряжение приложено к переходу. 
При подключении прямого 
напряжения 
пр
U
 («+» к р-области, «–» к n-области) уменьшается контактная разность 
потенциалов и высота потенциального барьера (рис. 1.4, а). 
Объемный заряд перехода снижается, соответственно уменьшается ширина p–n-перехода. 
В n-области повышается, а  
в р-области — понижается 
энергия электронов, и, соответственно, в пределах p–n-перехода 
искривляется 
уро- 
вень Ферми. Дрейфовый ток 
уменьшается, диффузионный 
резко возрастает. Увеличение 
диффузионного тока приводит 
к инжекции (введению) неосновных носителей из одной 
зоны в другую, т. е. в результате диффузии дырки из р-области проникают через переход в n-область, а электроны 

 

Рис. 1.4. Энергетические диаграммы при включении прямого и обратного напряжения 

из n-области — в р-область, создавая повышенную неравновесную 
концентрацию неосновных носителей. 
При подключении обратного напряжения 
обр
U
 увеличиваются 
контактная разность потенциалов и высота потенциального барьера (рис. 1.4, б), соответственно, возрастают объемный заряд и ширина p–n-перехода. Увеличение электрического поля в переходе 
препятствует диффузионному току и повышает дрейфовый. В результате дрейфа происходят экстракция (уход) неосновных носителей и снижение их концентрации в пограничных с p–n-переходом областях. 
Зависимость тока через p–n-переход от внешнего напряжения 
(вольт-амперная характеристика) несимметрична, так как обратный ток обеспечивают неосновные носители, а прямой — основные. При увеличении обратного напряжения концентрация неосновных носителей вблизи перехода быстро возрастает и дрейфовый ток достигает предельного значения (тока экстракции). При 
увеличении прямого напряжения концентрация основных носителей изменяется мало и диффузионный ток растет практически без 
ограничения. Теоретическая вольт-амперная характеристика имеет 
экспоненциальный вид (рис. 1.5): 

 
обр exp
1 , 
e
q U
I
I
kT















 

где 
e
q  — заряд электрона; U — 
приложенное напряжение. 
Вольт-амперная характеристика p–n-перехода зависит от 
температуры. При увеличении 
температуры сильно растет концентрация неосновных носителей, вызывая значительный рост 
обратного тока 
обр
I
 через переход (примерно в геометрической 
прогрессии). При уменьшении 
температуры обратный ток снижается, концентрация основных 
носителей при комнатной тем
 

Рис. 1.5. Вольт-амперная характеристика p–n-перехода: 
1 — электрический пробой; 2 — тепловой пробой 

пературе незначительна и не влияет на значение прямого тока. Однако от концентрации неосновных носителей зависит положение 
уровня Ферми и, соответственно, контактная разность потенциалов. 
Поэтому, например, при повышении температуры требуется меньшее прямое напряжение для получения одного и того же тока. 
Вольт-амперная характеристика p–n-перехода зависит также от 
скорости (частоты) изменения внешнего напряжения. При большой скорости ток изменяется медленнее, чем напряжение, т. е. переход проявляет емкостные свойства. Объемный заряд p–n-перехода инициирует барьерную, а инжекция неосновных носителей  
в приграничных с p–n-переходом областях — диффузионную  
емкость. 
При некотором обратном напряжении резко увеличивается 
обратный ток и начинается пробой p–n-перехода. Различают 
электрический и тепловой пробои. Причин возникновения электрического пробоя две: лавинная ионизация атомов в переходе 
под действием высокой напряженности электрического поля и 
туннельный эффект. 
Лавинная ионизация наблюдается в достаточно широких переходах, возникающих в высокоомных полупроводниках с малой концентрацией примесей, и развивается следующим образом. При 
большой напряженности электрического поля в переходе электроны 
и дырки приобретают достаточно большую энергию, чтобы вызвать 
ионизацию атомов полупроводника. В результате рождается новая 
пара электрон—дырка. Время дрейфа носителей заряда в широких 
переходах относительно велико, а вновь созданные носители заряда 
успевают за время движения в переходе приобрести энергию, необходимую для дальнейшей ионизации атомов. При достаточно большой напряженности поля, когда одна исходящая пара носителей 
порождает в среднем более одной пары, ионизация приобретает лавинный характер. Обратный ток резко возрастает и ограничивается 
только сопротивлением внешней цепи. 
В узких (тонких) p–n-переходах, образующихся в полупроводниках с высокой концентрацией примесей, даже при значительной 
напряженности поля носители заряда не успевают за время нахождения в переходе приобрести энергию, достаточную для разрыва 
валентных связей. Возрастание обратного тока в тонких переходах 
происходит в результате туннельного эффекта — прохождения