Исследование полупроводниковых приборов

Московский государственный технический университет 
имени Н. Э. Баумана 

Д.В. Бутенко, Б.Л. Созинов, Г.С. Черкасова  
 
 
 
Исследование  
полупроводниковых приборов 
 
 
 
 
Методические указания к выполнению  
лабораторных работ по дисциплинам  
«Электроника», «Электроника и микроэлектроника», 
«Электроника и микропроцессорная техника» 
  
 
 
 
 
 

 

УДК 621.382 
ББК 32.862 
         Б93 
 
Издание доступно в электронном виде на портале ebooks.bmstu.ru 
по адресу: http://ebooks.bmstu.ru/catalog/212/book1376.html 

Факультет «Радиоэлектронные системы и устройства» 
Кафедра «Радиоэлектроника и лазерная техника» 

Рекомендовано Редакционно-издательским советом 
МГТУ им. Н.Э. Баумана в качестве методических указаний 
 
Рецензент канд. техн. наук, доц. С.И. Масленникова 
  
Бутенко, Д. В. 
Исследование полупроводниковых приборов : методические 
указания к выполнению лабораторных работ по дисциплинам 
«Электроника», «Электроника и микроэлектроника», «Электроника и микропроцессорная техника» / Д. В. Бутенко, Б. Л. Созинов, 
Г. С. Черкасова. — Москва : Издательство МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2016. — 70, [4] с. : ил. 
 
       ISBN 978-5-7038-4333-8 
 
Представлены лабораторные работы по исследованию полупроводниковых приборов. Приведены краткие сведения об основных характеристиках и параметрах диодов, биполярных и полевых транзисторов. Дано 
описание лабораторной установки. Рассмотрена методика измерения 
вольт-амперных характеристик и определения параметров диодов и транзисторов, а также методика изучения работы биполярного транзистора в 
режиме переключения.  
Для студентов МГТУ им. Н.Э. Баумана, обучающихся по специальностям «Радиоэлектронные системы и комплексы», «Биотехнические 
системы и технологии», «Системы управления летательными аппаратами». 
 
 
УДК 621.382  
ББК 32.862 
 
 
 МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2016 
 Оформление. Издательство  
ISBN 978-5-7038-4333-8                              
 
      МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2016 

Б93 

 

Предисловие 

В настоящем издании представлены лабораторные работы, которые посвящены исследованию полупроводниковых приборов и 
выполняются студентами при изучении дисциплин «Электроника», «Электроника и микроэлектроника», «Электроника и микропроцессорная техника». Программа лабораторного практикума 
соответствует программам указанных дисциплин. 
В экспериментальную часть работ № 1–3 входит снятие вольтамперных характеристик (ВАХ) германиевого и кремниевого диодов и стабилитрона, биполярного и полевого транзисторов, далее 
по снятым ВАХ определяют основные параметры исследуемых 
приборов по постоянному и переменному току, а также параметры 
их математических моделей. В работе № 4 исследуют биполярный 
транзистор в ключевом режиме: изучают характер переходных 
процессов в схемах простейшего транзисторного ключа, а также 
их зависимость от режима работы транзистора и элементов схемы. 
Цель лабораторных работ — экспериментальное подтверждение 
теоретических сведений о принципе работы, характеристиках и параметрах полупроводниковых диодов и транзисторов; изучение методики обработки экспериментальных данных; приобретение навыков работы с радиоизмерительными приборами.  
В процессе освоения теоретического материала, приведенного 
в методических указаниях, и при выполнении лабораторных работ 
студенты приобретают следующие знания, умения и навыки: 
 знания принципов работы полупроводниковых приборов 
(диодов, биполярных и полевых транзисторов), их основных параметров и характеристик, основ применения, основных правил использования электро- и радиоизмерительных приборов (генераторов сигналов, электронного осциллографа, универсальных цифровых вольтметров, источников питания); 
 умения выполнять экспериментальное исследование полупроводниковых приборов, измерять их параметры и характеристики; определять параметры полупроводниковых приборов по вольтамперным характеристикам; 
 навыки составления и сборки схем измерения параметров и 
характеристик полупроводниковых приборов, использования генераторов сигналов, электронного осциллографа, универсальных 
цифровых вольтметров, источников питания для исследования полупроводниковых приборов. 

ОПИСАНИЕ ЛАБОРАТОРНОЙ УСТАНОВКИ 

Лабораторная установка выключает в себя испытательный универсальный стенд с комплектом измерительных приборов и источников питания. В зависимости от проводимой работы на стенд 
устанавливается нужный лабораторный макет. Кроме того, стенд 
снабжается необходимым набором соединительных кабелей и проводов. Вид измерительного стенда приведен на рис. 1.  

Рис. 1. Общий вид лабораторного измерительного стенда: 
1 — макет «Полупроводниковые приборы»; 2 — мультиметр М3900; 3 — 
генератор импульсов Г5-63; 4 — генератор сигналов низкочастотный  
Г3-112; 5 — двухканальный осциллограф АСК-1022;  6 — стабилизированный источник питания ИПС-1 («Марс»); 7 — вольтметр переменного 
напряжения В3-38А; 8 — цифровой вольтметр В7-58/2; 9 — высоко- 
                                       вольтный источник питания 
 
На переднем плане находится макет «Полупроводниковые приборы», на котором выполняются все рассмотренные в данном пособии лабораторные работы. Для измерения постоянного напряжения и 
тока при снятии ВАХ используются цифровые мультиметры М3900 и 

цифровой вольтметр В7-58/2. В качестве регулируемых источников 
постоянного напряжения служат стабилизированные источники питания ИПС-1 или «Марс». При исследовании работы транзистора в 
режиме переключения в качестве источника входного сигнала используется генератор импульсов Г5-63, а для визуального контроля 
входного и выходного сигналов и измерения параметров выходного 
сигнала — двухканальный осциллограф АСК-1022. Генератор сигналов низкочастотный Г3-112, вольтметр переменного напряжения В338А и высоковольтный источник питания при выполнении рассмотренных работ не используются.  
Вид передней панели макета «Полупроводниковые приборы» 
показан на рис. 2. В состав макета входят исследуемые полупроводниковые приборы: диоды VD1 и VD2 (один из диодов германиевый, другой кремниевый), стабилитрон VD3, биполярные транзисторы (германиевый VT1 и кремниевый VT2), полевой транзистор 
с управляющим переходом VT3, а также токоограничивающие резисторы разных номиналов. Необходимые схемы измерений собирают на макете с помощью перемычек, измерительные приборы и 
источники питания подключают к макету с помощью соединительных кабелей и проводов. Типы исследуемых полупроводниковых приборов указаны на макете, их основные справочные данные 
приведены в приложениях 1– 4. 

Рис. 2. Передняя панель макета «Полупроводниковые приборы» 

Работа № 1. ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК  
И ПАРАМЕТРОВ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ДИОДОВ 

Цель работы — исследование характеристик германиевого и 
кремниевого диодов, изучение методики измерения характеристик 
и определение по ним параметров математической модели диода. 

Краткие теоретические сведения  

Полупроводниковым диодом называют полупроводниковый 
прибор с одним выпрямляющим электрическим переходом и двумя внешними выводами. В качестве выпрямляющего перехода  
используется p–n-переход или переход Шоттки. Выпрямляющее 
действие проявляется как существенная (в несколько порядков) 
разность токов диода при изменении полярности напряжения на 
диоде. Большинство диодов выполняют на основе несимметричных p–n-переходов, когда в p- и n-областях создаются разные  
концентрации примеси (степени легирования). Область с более 
высокой степенью легирования называют эмиттером, область  
с меньшей степенью легирования — базой диода.  
При образовании p–n-перехода происходит диффузия основных носителей заряда через переход, в приграничных зонах p- и nобластей уменьшается концентрация основных носителей заряда и 
образуются нескомпенсированные заряды ионов примесей. В результате этого в переходе возникает электрическое поле, которое 
препятствует диффузии основных носителей заряда, т. е. создает 
для них потенциальный барьер. Это электрическое поле ускоряет 
дрейф неосновных носителей заряда через переход. Таким образом, при отсутствии внешнего напряжения дрейф неосновных носителей уравновешивается диффузией основных носителей заряда, 
дрейфовый ток равен диффузионному и общий ток через переход 
равен нулю. При этом внутреннее электрическое поле перехода 
характеризуется контактной разностью потенциалов  
к.
   

При прямом включении p–n-перехода внешнее напряжение 
прикладывается плюсом к p-области, а минусом к n-области, и 
напряженность электрического поля в переходе будет уменьшаться (уменьшается высота потенциального барьера перехода). Это 
приводит к увеличению диффузионного тока по сравнению с 
дрейфовым, т. е. 
дифф
др,
I
I

 и прямой ток будет в основном создаваться диффузией основных носителей заряда. Прямое включение 
сопровождается инжекцией — введением носителей заряда в область полупроводника, где они являются неосновными, из-за снижения потенциального барьера. Вследствие инжекции растет концентрация неосновных носителей заряда вне p–n-перехода, т. е.  
в p- и n-областях. В несимметричных p–n-переходах преобладает 
инжекция носителей заряда из эмиттера в базу. 
При обратном включении p–n-перехода внешнее напряжение 
прикладывается плюсом к n-области, а минусом к p-области, 
напряженность электрического поля в переходе будет возрастать и 
потенциальный барьер перехода будет повышаться. В этом случае 
диффузионный ток уменьшается по сравнению с дрейфовым и при 
обратном напряжении 
обр
0,1
U

 В становится практически равным 
нулю.  
Отметим, что дрейфовый ток не зависит от внешнего напряжения и определяется концентрацией неосновных носителей заряда на 
границах p–n-перехода. Поэтому обратный ток, обусловленный 
дрейфом неосновных носителей заряда через переход, оказывается 
на несколько порядков меньше прямого и при 
обр
0,1
U

 В практически не зависит от внешнего напряжения. При обратном включении происходит экстракция — выведение неосновных носителей 
заряда в область, где они являются основными. Таким образом, p–nпереход обладает свойством выпрямления тока. 
Ранее был описан принцип работы так называемого идеального 
p–n-перехода. При этом не был учтен ряд факторов, действующих 
в реальных p–n-переходах. Свойства идеального p–n-перехода 
подтверждаются его ВАХ — зависимостью тока через переход от 
напряжения на переходе, которая может быть представлена уравнением 

 
т
т
exp
–1 ,
U
I
I 













  

где 
тI  — тепловой ток (ток насыщения); 
т
/
kT e
 
 — тепловой 
потенциал. 
Вольт-амперная характеристика идеального p–n-перехода и реального диода показаны на рис. 3, а. При прямом включении ток 
через переход нелинейно возрастает и при 
пр
к
U
   ВАХ идеального p–n-перехода практически вертикальна. При обратном включении ВАХ идеального перехода горизонтальна:  
 
обр
др
т
const
I
I
I



  

(кроме начального участка протяженностью менее 0,1 В). 

Рис. 3. Вольт-амперная характеристика идеального p–n-перехода и реаль- 
              ного диода (а), германиевого и кремниевого диодов (б) 
 
Как видно на рис. 3, а, ВАХ реального диода отличается от 
ВАХ идеального p–n-перехода. При прямом включении эти отличия обусловлены рекомбинацией носителей заряда в p–n-переходе 
и падением напряжения на сопротивлении базы диода 
Б.
r
 При малых прямых токах рекомбинация носителей заряда в p–n-переходе 
оказывает более существенное влияние на ВАХ, так как падение 
напряжения на 
Бr  незначительно. Рекомбинация в переходе приводит к дополнительному возрастанию прямого тока, поэтому начальный участок прямой ветви ВАХ реального диода проходит 
несколько выше идеальной ВАХ. Для его описания в уравнении