Вольт-амперные характеристики полупроводников с помощью средства представления разверток от Rohde & Schwarz
Средство представления разверток имеет некоторые функции источников-измерителей R&S®NGU для определения характеристик полупроводников.
R&S®NGU201 и R&S®NGU401
Полупроводниковые технологии, такие как диоды, светодиоды и фотоэлементы, непрерывно совершенствуются. Понимание характеристик полупроводников имеет важное значение. Представление значений тока (I) и напряжения (V) в виде вольт-амперной характеристики, т. е. кривой I(V), служит традиционным методом для определения основных характеристик компонентов или устройств в электронной схеме. Ввиду множества электронных устройств на графике I(V) можно представлять бесконечное количество параметров. Далее рассматриваются три примера.
Вольт-амперная характеристика диода Зенера
Вольт-амперная характеристика диода Зенера
Вольт-амперная характеристика диода
В диодах ток может протекать только в одном направлении. Протекание тока представлено как нелинейная вольт-амперная характеристика, которая отражает p-n переходы полупроводника.
Вольт-амперная характеристика фотоэлемента
Вольт-амперная характеристика фотоэлемента
Вольт-амперная характеристика фотоэлемента
Фотоэлементы преобразуют солнечную энергию в электричество. В темноте фотоэлемент является простым диодом. Вольт-амперная характеристика фотоэлемента в солнечную погоду отражает важные характеристики, такие как точка оптимальной мощности, напряжение разомкнутой цепи и ток короткого замыкания.
Вольт-амперные характеристики светодиодов
Вольт-амперные характеристики светодиодов
Вольт-амперные характеристики светодиодов
Светодиоды — это диоды с p-n переходами. Вольт-амперная характеристика светодиода аналогична вольт-амперной характеристике диода, однако она содержит дополнительную ценную информацию о влиянии запрещенных зон прямого напряжения и полупроводников на цвет светодиода.
Решение компании Rohde & Schwarz
Источники-измерители R&S®NGU401/NGU201 с высокой точностью измеряют силу тока в диапазоне от нескольких микроамперов до нескольких амперов. Средство представления разверток для источников-измерителей генерирует развертку напряжения или тока с помощью произвольной функции прибора. Через каждые 2 мкс функция быстрого протоколирования в источнике-измерителе регистрирует значения напряжения и тока для каждого шага развертки и выводит результаты на вольт-амперной характеристике.
Вольт-амперная характеристика в средстве представления разверток
Вольт-амперная характеристика в средстве представления разверток
Курсоры и отображение нескольких кривых
На выводимой ВАХ имеются два курсора (X и O) для каждой кривой. График может содержать максимум 10 кривых различного цвета с курсорами. Рядом с каждым курсором можно включать и выключать метки, что очень удобно при перемещении курсора вдоль кривой и считывании значений. Значения курсора по оси X и Y также можно считывать с помощью панели значений справа, где отображаются значения X и Y для обоих курсоров на всех кривых.
Настройка времени
Произвольная функция (QuickArb) в источниках питания постоянного тока от Rohde & Schwarz позволяет задавать изменяемые настройки напряжения и тока источника в зависимости от времени. Пары значений напряжения и тока сохраняются вместе с временем пребывания.
На вкладке развертки можно задавать конфигурации по времени, включая время установления для шага развертки, предварительную задержку и апертуру. Также можно задать разрешение по времени для определения частоты дискретизации при сборе данных с помощью функции быстрого протоколирования.
Подавление фонового шума
Подавление фонового шума возможно при заземлении клеммы низкого уровня. В комплекте R&S®NGU прилагается удобная перемычка для соединения второй клеммы низкого уровня и заземляющей клеммы с передней панелью. Опция представления разверток позволяет синхронизировать время сбора данных относительно частоты сети, чтобы дополнительно уменьшить фоновый шум в результатах.
Источники-измерители R&S®NGU — это прецизионное и простое в обращении решение для точного измерения, протоколирования и анализа электрических характеристик. С помощью средства представления разверток, произвольной функции и функции быстрого протоколирования возможно точное отображение разверток ВАХ на экране R&S®NGU. Средство представления разверток также можно использовать в источниках питания постоянного тока (R&S®NGM201 и R&S®NGM202).
ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЛЬТ – АМПЕРНАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА В СИСТЕМЕ ПОЛУПРОВОДНИК − ГАЗОРАЗРЯДНЫЙ ПРОМЕЖУТОК Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»
газовый разряд / газоразрядная ячейка / фотоприемник / вольтамперная характеристика / металлическийий зонд / коэффициент ионизации Таунсенда. / gas discharge / gas-discharge cell / photodetector / current-voltage characteristic / metal probe / Townsend ionization coefficient.
Аннотация научной статьи по энергетике и рациональному природопользованию, автор научной работы — Хосилов, Д.Д., Мадаминов, М.Р., Йулдашев, Х.Т.
В статье приводятся результаты исследования ВАХ полупроводниковой фотографической системы ионизационного типа путем введения металлического зонда в область газового разряда , не нарушая его природу.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Похожие темы научных работ по энергетике и рациональному природопользованию , автор научной работы — Хосилов, Д.Д., Мадаминов, М.Р., Йулдашев, Х.Т.
FARG‘ONA VILOYATI AHOLISINI ELEKTR ENERGIYASI TANQISLIGINI BARTARAF ETISHDA MIKRO-GESLARDAN FOYDALANISH
ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ТОКОВОГО УСИЛЕНИЯ В СИСТЕМЕ ПОЛУПРОВОДНИК-ГАЗОРАЗРЯДНЫЙ ПРОМЕЖУТОК
ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РАЗРАБОТКИ КЛЕЯ В ПРОЦЕССЕ СВАРКИ НА ОСНОВЕ ЭПОКСИДНОГО СПЛАВА ДЛЯ РЕМОНТА РЕЗЕРВУАРОВ РАДИАТОРА
SELECTION OF THE MANUFACTURING PROCESS OF THE PART
O‘ZBEKISTON ENERGETIKASIDA MIKRO GESNING TUTGAN O‘RNI VA ULARNING RIVOJLANISH BOSQICHLARI
i Не можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
STUDY OF VOLTS AMPERE CHARACTERISTICS IN THE SEMICONDUCTOR GAS DISCHARGE GAP
The article presents the results of a study of the current-voltage characteristic of a semiconductor photographic system of the ionization type by introducing a metal probe into the area of a gas discharge without disturbing its nature.
Текст научной работы на тему «ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЛЬТ – АМПЕРНАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА В СИСТЕМЕ ПОЛУПРОВОДНИК − ГАЗОРАЗРЯДНЫЙ ПРОМЕЖУТОК»
Oriental Renaissance: Innovative,
educational, natural and social sciences
Scientific Journal Impact Factor
VOLUME 1 | ISSUE 10
ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЛЬТ — АМПЕРНАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА В СИСТЕМЕ ПОЛУПРОВОДНИК — ГАЗОРАЗРЯДНЫЙ ПРОМЕЖУТОК
*Д.Д. Хосилов, *М.Р. Мадаминов, 2Х.Т. Йулдашев
1 Ферганский филиал Ташкентского университета информационных
2Ферганский политехнический институт E-mail: hurshid5704@mail.ru
В статье приводятся результаты исследования ВАХ полупроводниковой фотографической системы ионизационного типа путем введения металлического зонда в область газового разряда, не нарушая его природу.
Ключевые слова: газовый разряд, газоразрядная ячейка, фотоприемник, вольтамперная характеристика, металлическийий зонд, коэффициент ионизации Таунсенда.
Ушбу маколада ионизацион русумли яримутказгичли фотографик системанинг газ-разряди табиатини бузмасдан унинг сохдсига кушимча металл зондни киритиш оркали олинган ВАХ натижалари келтирилган.
Калит сузлар: газ-разряди, газ-разряди ячейкаси, фотоприёмник, вольтампер характеристика, металл зонд, Таунсенд ионизация коэффициенти.
The article presents the results of a study of the current-voltage characteristic of a semiconductor photographic system of the ionization type by introducing a metal probe into the area of a gas discharge without disturbing its nature.
Keywords: gas discharge, gas-discharge cell, photodetector, current-voltage characteristic, metal probe, Townsend ionization coefficient.
Полупроводниковые фотографические системы и спектральные преобразователи изображений ионизационного типа [1 -6] нашли достаточного широкое применение для высокоскоростной пространственно — временной фотографической диагностики лазерных инфракрасных излучений [7-15]. В настоящее время они является одним из наиболее перспективных типов устройств, составляющих основу несеребреной высокочувствительной фотографии [16-21].
Oriental Renaissance: Innovative,
educational, natural and social sciences
Scientific Journal Impact Factor
VOLUME 1 | ISSUE 10
Решение таких вопросов, как стабилизация работы различных приборов газового разряда, [22-27] преобразование инфракрасного излучения в видимое, передача изображений и бессеребряное фотографирование [28-31] и т. д. осуществляется с помощью газоразрядных ячеек с высокоомных полупроводниковым электродом. В этих ячейках используется узкий газоразрядный зазор с плоским металлическим электродом и пластиной из высокоомного и фоточувствительного полупроводника. В такой системе возникает контакт полупроводника с плазмой газового разряда. Наличие этого контакта существенным образом влияет на свойства газового разряда и коренным образом отличает его от классических затрудненных и барьерных разрядов. Однозначного мнения о механизме стабилизации разряда с полупроводниковым электродом и физической интерпретации процессов в такой газоразрядной ячейке не существует. Однако физические процессы, происходящие в контакте полупроводника и плазмы, играют определяющую роль в формировании разряда.
В работе [32-34] измерены первые производные ВАХ полупроводникового зонда, помещенного в неоновую газоразрядную плазму. Под действием внешнего излучения производные характеристики смещаются в сторону электронной части. Величина смещения интерпретируется как глубина проникновения электрического поля в полупроводник. По зависимости потенциала смещения максимума первой производной характеристики от давления газа при одинаковой освещенности дана интерпретация смещения характеристик.
В работе [35-38] измерены вольт-амперные характеристики плоского полупроводникового зонда, помещенного в гелиевую газоразрядную плазму. Изучено влияние постореннего излучения на зондовую характеристику. Обнаружено, что под действием излучения величина зондового тока сильно возрастает, плавающий потенциал смещается в сторону электронной части характеристики. Величина смещения интерпретируется как глубина проникновения поля в полупроводник. Измерены также первые производные вольт-амперных характеристик полупроводникового зонда. Под действием внешнего излучения производные характеристик также смещаются.
Целью настоящей работы является проверка правильности этого предположения, то есть исследование распределения потенциалов в элементах системы и исследование ВАХ газоразрядного промежутка методом зондовых измерений.
Oriental Renaissance: Innovative,
educational, natural and social sciences
Scientific Journal Impact Factor
VOLUME 1 | ISSUE 10
Принципиальная схема полупроводниковой ионизационной фотографической системы приведена на рис.1. Светочувствительным фотоприемником (2) служит полуизолирующий арсенид галлия (р = 108 Ом.см), на одну из поверхностей которого напилен полупрозрачный никелевый контакт (1). Внутренная поверхность пластины отделена от поверхности регистрирующего слоя (4) газовым зазором (3). Регистрирующий слой (4) располагается на прозрачном проводящем контрэлектроде (5), выполненном, например, из стеклянной пластинки, покрытой проводящей пленкой SnO2. При подключении к системе напряжения происходит пробой газового разряда, отличающийся тем, что в разрядной ячейке присутствует распределенное сопротивление полупроводника, способствующее демпфированию токовых неустойчивостей. Сопротивление, полупроводника полностью определяет величину плотности тока по площади сечения и при освещении полупроводника может управлять величиной и распределением тока в газовом зазоре. Основными элементами полупроводниковых фотографических систем ионизационного типа являются (рис. 1,а) полупроводниковый фотоприемник (ФП), газоразрядная ячейка и регистрирующая среда. В этих системах реализуются три вида усиления: 1) фотоэлектрическое усиление при
преобразовании потока фотонов в фототок полупроводникового фотоприемника; 2) плазменное усиление фототока по мощности в газоразрядном зазоре, 3) химическое усиление в регистрирующей среде, подвергающейся воздействию газоразрядной плазмы. Подбор оптимального режима и хорошего согласования этих элементов между собой является основным фактором повышения чувствительности системы в целом. До настоящего времени на основании Косвенных методов исследования считалось, что ВАХ фотоприемника и системы совпадают при U > ипр. Это означало, что ВАХ газового разряда строго вертикальна, дифференциальное сопротивление разрядного промежутка с большой точностью равно нулю и при освещении не происходит перераспределение напряжения в системе даже при высокой освещенности.
Oriental Renaissance: Innovative,
educational, natural and social sciences
Scientific Journal Impact Factor
VOLUME 1 | ISSUE 10
Рис. 1. Схема ионизационной системы. 1-прозрачный электрод, 2-полупроводниковый фотоприёмник, 3-газоразрядный зазор, 4-регистрирующий слой, 5-прозрачный контрэлектрода, 6-кольцеобразный никелевый контакт, 7-слюдяная прокладка.
На поверхности полупроводника со стороны разряда наносился кольцеобразный никелевый контакт (в дальнейшем так называемый зонд) с внутренним диаметром 11,5 мм. При этом сменные слюдяные прокладки, имеющие диаметры отверстий 10,0 мм, 10,5 мм и 11,0 мм, создавали газовый калиброванный зазор и исключали никелевый зонд от непосредственного участия его в процессе разряда, таким образом сохранялся вид разряда, характерный для ионизационной системы.
Постепенное приближение (в пределе до бесконечно малого расстояния, d) разрядного промежутка к металлическому кольцеобразному зонду, напыленного на поверхность ФП со стороны разряда, с помощью слюдяных прокладок разных диаметров отверстий, определяющих газоразрядное пространство, является более удачным, поскольку позволяет сохранить постоянство режима работы при изучении электрооптических характеристик системы. ВАХ поверхности ФП всегда остается линейной, поэтому поверхностный промежуток ФП от зонда до края разрядного промежутка изменит лишь наклон ВАХ газового разряда и при бесконечна малом приближении зонда к разряду можно наблюдать ВАХ, близкую к истинной.
Для удобства сопоставления вольтамперных характеристик системы и фотоприемника была выбрана схема с одним газоразрядным промежутком (в некоторых вариантах фотоприемник помещается между двумя газоразрядными
Oriental Renaissance: Innovative,
educational, natural and social sciences
Scientific Journal Impact Factor
VOLUME 1 | ISSUE 10
зазорами). В противном случае полупроводниковый омический контакт ФП, необходимый для снятия ВАХ полупроводника, изменяет наклон этой характеристики за счет гашения входной интенсивности.
С помощью диафрагмы освещался участок ФП диаметром 8 мм, на 2 мм меньше, чем диаметр в слюдяной прокладке с наименьшим отверстием. Это позволяет ограничить интенсивность разряда на краях зазора.
Измерения ВАХ полупроводника, газоразрядного промежутка системы проводились согласно рис. 1,6 при входном освещении J = 210-2 Вт/см2; давлении газа Р=50 мм рт.ст.; толщине зазора 40 мкм в разных удалениях (750 мкм, 500 мкм, 250 мкм) края зонда от темнового кольцеобразного участка газового разряда шириной 1 мм. При всех измерениях контролировалась ВАХ для системы, она практически не изменялась.
На рис. 2 приведены следующие характеристики: 1-ВАХ системы; 2,3,4 -потенциалы зонда в зависимости от тока системы, соответственно для d= 750 мкм, 500 мкм, 250 мкм; 5-ВАХ ФП.
Рис.2. Вольтамперная характеристика:
1-система, 2,3,4-газового разряда, 5-фотоприемника
На рис. 3 показаны, перестроенные из графиков 2,3,4 предыдущего рисунка, зависимости потенциала зонда от d для трех значений тока системы: (l-I=0,7 мА, 2-0,5 мА, 3- 0,3 мА).
Oriental Renaissance: Innovative,
educational, natural and social sciences
Scientific Journal Impact Factor
VOLUME 1 | ISSUE 10
Рис.3. Зависимость потенциала зонда
;*2 от расстояния до разрядного промежутка
при токе системы: 1 — 700 мкА; 2-500 мкА; 3 — 300 мкА
Сопоставление ВАХ системы в целом, фотоприемника и разрядного промежутка (рис. 2) указывает на то, что при токах i > 150 мкА все характеристики фотоприемника
и системы практически совпадают, наклон ВАХ разряда с уменьшением d стремится к вертикальности (рис. 2), а кривые пересекают ось напряжений в точке 340 В (рис. 3), что совпадает с напряжением пробоя газа (для данного случая ипр определяется точкой пересечения ВАХ системы с осью напряжений (рис. 2, кривая 1).
Следует отметить, что в ионизационных системах в качестве контрэлектрода обычно используется прозрачный электрод в виде стекла с проводящим слоем Sn02, который имеет обычно поверхностное удельное сопротивление порядка 100^400 Ом.см.
Незначительное несовпадение наклонов ВАХ фотоприемника и системы, а также отклонение ВАХ газового разряда (рис. 2) от вертикальности объясняется, по всей видимости, экранированием потока электронов объемным зарядом, образованным на поверхности контрэлектрода. При использовании в качестве контрэлектрода металлических пластин, например, Си, Та, А1 и др., ВАХ системы строго совпадает с наклоном ВАХ ФП.
i Не можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
Анализируя эти результаты, можно констатировать, что приближением зонда к краю разряда можно определить значение пробивного напряжения ипр для данных параметров разрядного промежутка, которое остается постоянным. Следует отметить, что при изменении входной освещенности наклоны ВАХ газоразрядного промежутка не изменяются, т.е. значение ипр остается постоянным. Крутизна ВАХ системы в послепробойной области увеличивается с ростом интенсивности освещения.
Подытоживая эти результаты, можно заключить, что полупроводниковый электрод осуществляет одновременно две функции: локально управляет плотностью тока газоразрядного промежутка и подавляет нежелательную для
Oriental Renaissance: Innovative,
educational, natural and social sciences
Scientific Journal Impact Factor
VOLUME 1 | ISSUE 10
работы системы неустойчивость однородного распределения тока. Диапазон наблюдаемых токов и вертикальность ВАХ газоразрядного промежутка указывают на тот факт, что работа систем осуществляется в области нормального тлеющего разряда. Однако, как уже указывалось, характерное для этой стадии разряда шнурование тока в нашем случае отсутствует.
1. Khurshidjon, Y., Azamjon, T., Abdullajon, K., & Xusniddin, S. (2020). Transition photoelectric processes in a superfluid gas-discharge cell with semiconductor electrodes. Academicia: An International Multidisciplinary Research Journal, 10(5), 100-109.
2. Kizi, M. S. H. Разработка системы менеджмента качества на промышленном предприятии development of a quality management system at an industrial enterprise.
3. Умаралиев, Н., Матбабаев, М. М., & Эргашев, К. М. (2020). Установка для изучения оптоэлектронного датчика влажности воздуха. Известия высших учебных заведений. Приборостроение, 63(3), 237-241.
4. Эргашев, С. Ф., Рустамов, У. С., Кулдашев, А. Х., Тиллябоев, Т. Н., & Орипов, А. (2019). Микро-ГЭС мощностью 5 Квт для индивидуальных потребителей. Известия Ошского технологического университета, (2), 168-170.
5. Jamoldinovich, A. E. (2020). The importance of metrology and standardization today Alikhonov Elmurod. International scientific and technical journal “Innovation technical and technology”, 1(4), 1-3.
6. Otakulov, O. X., Ergashev, S. F., Kuldashov, O. X., & Rustamov, U. (2020). Modeling of geothermal Micro-GES. Scientific-technical journal, 24(2), 89-93.
7. Yuldashev, K. T., Akhmedov, S. S., & Ibrohimov, J. M. (2020). Damping cell from gallium arsenide with plasma contacts in an extreme gas discharge cell. Journal of Tashkent Institute of Railway Engineers, 16(1), 36-41.
8. Эргашев, К. М., & Иброхимов, Ж. М. Особенности газового разряда при малых межэлектродных расстояниях в ионизационной системе. Евразийский союз ученых (ЕСУ), 59.
9. Obidov, J. G., & Alixonov, E. J. (2021). Organization of the education process based on a credit system, advantages and prospects. Academicia: An International Multidisciplinary Research Journal, 11(4), 1149-1155.
10. Эргашев, С. Ф., Рустамов, У. С., Абдурахмонов, С. М., & Кулдашов, О. Х. (2020). Автоматизированная система управления водными ресурсами на основе элементов компьютерной автоматики.
Oriental Renaissance: Innovative,
educational, natural and social sciences
Scientific Journal Impact Factor
VOLUME 1 | ISSUE 10
11. Рустамов, У. С. (2020). Математическое и компьютерное моделирование Микро-ГЭС башенного типа. Экономика и социум, (12), 58-62.
12. Ллихонов, Э. Ж. (2021). Определение линейной плотности хлопковые ленты фотоэлектрическим методом. Universum: технические науки, 11(92).
13. Мамасадиков, Ю., & Ллихонов, Э. Ж. (2021). Оптоэлектронное устройство для контроля линейной плотности хлопковых лент с функциональной разветкой. Universum: технические науки, 10(91).
14. Ergashov, K. M., & Madmarova, U. A. (2020). Technics of the infra-red drying of farm products. Academicia: An International Multidisciplinary Research Journal, 10(11), 1351-1355.
15. Obidov, J. G., & Ibrohimov, J. M. (2021). Application and research of energysaving lighting devices in engineering networks. Academicia: An International Multidisciplinary Research Journal, 11(4), 1370-1375.
16. Khurshidjon, Y., Abdumalikovna, A. Z., Muminovna, U. G., & Mirzasharifovna, Q. G. (2020). The study of photoelectric and photographic characteristics of semiconductor photographic system ionisation type. Academicia: An International Multidisciplinary Research Journal, 10(5), 72-82.
17. Yuldashev, K. T., & Akhmedov, S. S. (2021). Physical properties at the contact semiconductor-Gas discharge plasma in a thin gas discharge cell. Asian Journal of Multidimensional Research, 10(9), 569-573.
18. Ergashov, K. M., & Madmarova, U. A. (2020). Research of metrological characteristics optoelectronic of devices for control of humidity of installations. Academicia: An International Multidisciplinary Research Journal, 10(11), 1337-1341.
19. Абдумаликова, З. И. (2019). Исследование кинетика пробоя в газоразрядной ячейке с полупроводниковым электродом. Евразийский союз ученых, (10-5), 14-18.
20. Боймирзаев, А. Р. (2019). Особенности свечения разряда в полупроводниковом газоразрядном преобразователе ИК-изображения. Евразийский союз ученых, (10-5), 19-20.
21. Xabibulloogli, E. A., & Abdukarimovna, M. U. (2021). Assesment of metrological reliability of measurements using the method of producing functions. Academicia: An International Multidisciplinary Research Journal, 11(8), 520-528.
22. Yuldashev, K. T. (2019). The study of processes current gain in a “Semiconductor-gas-discharge GAP” system. Scientific Bulletin of Namangan State University, 1(7), 13-17.
Oriental Renaissance: Innovative,
educational, natural and social sciences
Scientific Journal Impact Factor
VOLUME 1 | ISSUE 10
23. Йулдашев, X. Т., Эргашев, К. М., Алихонов, Э. Ж., Иброхимов, Ж. М., & Рустамов, У. С. (2021). Исследование процессов токового усиления в системе полупроводник-газоразрядный промежуток. Oriental renaissance: Innovative, educational, natural and social sciences, 1(10), 114-123.
24. Ibrokhimov, J. M. (2021). Features of methods of optimising calculation of parameters the combined solar power installations. Academicia: An International Multidisciplinary Research Journal, 11(5), 1043-1047.
25. Obidov, J. G. O. (2020). About safety technique and issues of supplying electricity of the textile industry. Academicia: An International Multidisciplinary Research Journal, 10(9), 123-127.
26. Turgunov, B. M., & Muminov, N. S. (2019). Principles of assessment and management of quality systems in industrial enterprises. Точная наука, (44), 5-14.
27. Шаймардонович, Ж. X,. (2020). Сигим электродли дон ва дон
маусулотларини намлигини улчаш узгарткичининг умумий улчаш хатолигини уисоблаш усули. Science and Education, 1(6).
28. Yuldashev, K. T., Akhmedov, S. S., & Ibrohimov, J. M. (2020). Damping cell from gallium arsenide with plasma contacts in an extreme gas discharge cell. Journal of Tashkent Institute of Railway Engineers, 16(1), 36-41.
29. Kuldashov, O. H., Umaraliev, N., & Ergashev, K. M. (2021). Stabilization of the parameters of a two-wave optoelectronic device. Scientific-technical journal, 4(2), 51-61.
30. Ibrokhimov, J. M. (2020). Application of the solar combined systems consisting of the field of flat and parabolocylindrical collecting channels for hot water supply of the industrial factories. Academicia: An international multidisciplinary research journal, 10(12), 1293-1296.
31. Yuldashev, H. T., & Mirzaev, S. Z. (2021). Investigation of background radiation and the possibility of its limitation in a semiconductor ionization system. Academicia: An International Multidisciplinary Research Journal, 11(4), 1364-1369.
32. Yuldashev, X. T. (2019). Analysis of electrical parameters of the ionization system at high frequency currents. Scientific-technical journal, 23(4), 172-176.
33. Ergashov, K. M., & Xabibulloogli, E. A. (2021). Selection of methods of acceptance inspection in production.Academicia: An International Multidisciplinary Research Journal, 11(10), 1350-1355.
34. Yuldashev, K. T. (2020). Research photoelectric and photographic characteristics of the converter of the image of the ionization type. Scientific Bulletin of Namangan State University, 2(10), 16-22.
Oriental Renaissance: Innovative,
educational, natural and social sciences
Scientific Journal Impact Factor
VOLUME 1 | ISSUE 10
35. Yuldashev, K., Akhmadaliev, B., Ahmedov, S., & Ergashov, K. (2020). Analysis of kinetics of image formation on bismuth films under action of gas discharge. Theoretical & Applied Science, (4), 839-843.
36. Мамасадиков, Ю., & Алихонов, Э. Ж. (2021). Оптоэлектронное устройство для контроля линейной плотности хлопковых лент с функциональной разветкой. Universum: технические науки, 10(91).
37. Alikhonov, E. J. (2021). Determination of linear density of cotton ribbons by photoelectric method. Science and Education, 2(11).
Вольт-амперная характеристика (ВАХ) p-n перехода
Термин «p-n переход» относится к границе, разделяющей части полупроводников, подвергнутые различным типам легирования (то есть добавления малых количеств примесей или создание дефектов структуры для изменения электрических свойств в нужном направлении). p-n переход является основой таких полупроводниковых элементов, как диод, транзистор, светодиод и солнечный элемент.
Радиоэлементы с p-n переходом
Устройство p-n-перехода
p-n переход состоит из двух зон: одна с избытком дырок (полупроводник p-проводимости) и другая с избытком электронов (полупроводник n-проводимости). Избыток электронов и дырок достигается путем легирования полупроводниковых материалов с использованием различных методов. Термин «переход» относится к области, где встречаются два типа легирования (дырочная и электронная).
Схема p-n-перехода
Пограничная область между зонами p-проводимости и n-проводимости называется областью пространственного заряда, обедненной областью или запирающим слоем. У легированных полупроводников проводимость тем лучше, чем выше степень их легирования, а обедненная область обладает свойствами изолятора.
В этой области носители разных видов проводимости при сильном градиенте, обусловленным различным типом легирования, диффундируют в соседний полупроводник другого вида проводимости (генерируя ток диффузии), оставляя ионизированные атомы легирующих элементов некомпенсированными, что создает разность потенциалов и электрическое поле, которое вызывает противоток, направленный против тока диффузии. Постоянная разность потенциалов, создаваемая ионами легирующих элементов, называется запирающим напряжением (порядка 0.35 В для германиевых и 0.6 В для кремниевых переходов).
Ширина области пространственного заряда зависит от легирующих веществ и с каждой стороны обратно пропорциональна степени легирования полупроводников. Поскольку электрический заряд отрицательных ионов должен полностью компенсировать заряд положительных ионов, произведение концентрации акцепторных атомов (примесных атомов, способных захватывать электроны из зоны разрешенных энергетических состояний полупроводников) NA на ширину области p-проводимости Wp должно равняться произведению концентрации донорных атомов (т. е. отдающих свободные электроны) ND на ширину области n-проводимости Wn:
Формула проводимости
Внешнее напряжение, приложенное к p-n переходу, фактически влияет на его свойства, привлекая большее или меньшее количество носителей.
Суть вольтамперной характеристики
Вольтамперная характеристика (ВАХ) полупроводникового p-n перехода представляет собой зависимость между напряжением на переходе и током через него. Она описывается экспоненциальной зависимостью:
Формула ВАХ
На основании этого уравнения можно построить график ВАХ.
График ВАХ
Нулевое внешнее напряжение
Когда к цепи не приложено внешнее напряжение, в ней не течет ток. Нулевое внешнее напряжение отображено на ВАХ полупроводникового p-n перехода точкой 0.
Прямое смещение
При прямом смещении полупроводниковый материал с p-проводимостью подключается к плюсу источника питания, а полупроводниковый материал n-проводимости — к минусу источника питания. При подобной полярности дырки из области p-проводимости и электроны из области n-проводимости выталкиваются к переходу, что уменьшает ширину обедненной зоны и понижение потенциального барьера.
Прямое включение перехода
Между потоками зарядов, пересекающих переход в противоположных направлениях, создается дисбаланс, а ток изменяется в зависимости от напряжения на переходе экспоненциально.
При увеличении напряжения зависимость тока Iпр от напряжения становится нелинейной. Ток с ростом напряжения растет со все большей крутизной (экспоненциально), поскольку преодолевается потенциальный барьер p-n-перехода (уменьшается сопротивление запирающего слоя).
Когда потенциальный барьер полностью преодолен (запирающий слой становится пренебрежимо малым), носители становятся свободными, а ВАХ линейной. Материал ведет себя как омический проводник, поскольку общее сопротивление определяется сопротивлением областей p- и n-проводимости.
Наблюдающуюся нелинейность можно объяснить нагревом областей с повышением тока и их отрицательным температурным коэффициентом сопротивления.
Зависимость тока от напряжения начинает определяться сопротивлением перехода, и ток в цепи резко возрастает. Так продолжается до тех пор, пока ток не превысит некоторое значение, при котором переход разрушается, возникает пробой. Поэтому в случае полупроводников не рекомендуется превышать номинальный ток.
Обратное смещение
Смещение на переходе меняется с прямого на обратное, если полупроводниковый материал p-проводимости подключается к отрицательному полюсу источника питания, а материал n-проводимости к положительному.
Обратное включение
Дырки в области p-проводимости отталкиваются от спая, увеличивая ширину обедненной области. То же самое происходит и в области p-проводимости, где электроны отталкиваются от перехода, что увеличивает ширину обедненной области.
Напряжение обратной полярности, приложенное к переходу, почти полностью концентрируется на концах области пространственного заряда, повышая потенциальный барьер. Здесь также создается дисбаланс между потоками носителей пересекающих переход в противоположных направлениях. В результате возникает ток Iоб , экспоненциально изменяющийся в зависимости от приложенного напряжения. Однако экспонента не положительна, а отрицательна. Результирующий обратный ток слишком мал.
В условиях обратного смещения сопротивление перехода становится очень высоким, поэтому ток через него практически не течет, составляя на практике доли миллиампера.
Прямые и обратные характеристики
С увеличением приложенного в обратном направлении напряжения обратный ток также растет, поскольку увеличивается кинетическая энергия миноритарных (менее распространенных в полупроводниках данного типа) носителей. Увеличение их кинетической энергии приводит к увеличению сопротивления барьера, что вызывает пробой перехода с резким уменьшением его сопротивления. При дальнейшем увеличении напряжения смещения переход окончательно повреждается. Напряжение, при котором p-n-переход разрушается, называется напряжением пробоя.
Вольтамперную характеристику можно получить экспериментально. На рисунке ниже показана схема снятия ВАХ.
Схема снятия ВАХ
Последовательно с p-n переходом подключен резистор R2 для ограничения роста прямого тока смещения Iпр в пределах допустимых значений. Напряжение на переходе регулируется потенциометром R1. Характеристическая кривая p-n перехода строится при нулевом внешнем напряжении, напряжении прямого смещения и напряжении обратного смещения. Переключатель П1 изменяет полярность напряжения на переходе, переключатель П2 включает прибор для измерения прямого или обратного тока.
Идеальная характеристика p-n перехода
Из поведения p-n перехода при прямом и обратном смещении выводится его идеальная вольт-амперная характеристика, т. е. зависимость тока через переход от напряжения на нем:
Формула идеальной ВАХ
Идеализация p-n перехода заключается в том, что области p и n, граничащие с переходом, имеют нулевое удельное сопротивление. Кроме того, в переходе отсутствуют процессы генерации и рекомбинации свободных носителей заряда.
На практике под действием тока p-n переход нагревается, поэтому ВАХ отличается от идеальной. Кроме того, в этой области происходит целый ряд физических процессов, среди которых поверхностные утечки тока, генерация и рекомбинация носителей, падение напряжения под действием сопротивления нейтральных областей, разные виды пробоев.
Теоретическая и реальная ВАХ
У реальной ВАХ угол наклона меньше, чем у теоретической. Она вырождается в прямую линию, когда сравниваются значения напряжения на запирающем слое и контактной разности потенциалов. При некотором значении обратного напряжения происходит один из трех видов пробоя. Туннельный и лавинный — это разновидности электрического пробоя, которые возникают при увеличении напряженности электрополя. Тепловой пробой случается, если происходит перегрев перехода.
2. Вольтамперная характеристика контакта металл-полупроводник
Если к контакту металл-полупроводник подключить внешний источник питания, минусом к полупроводнику, а плюсом к металлу, то высота потенциального барьера уменьшится и станет равной ψ–qU (рис.2.). Уменьшение высоты барьера приведет к нарушению термодинамического равновесия. В результате электроны полупроводника начинают переходить в металл, создавая при этом ток In. Эти электроны являются основными для металла, а их концентрация ns оказывается много меньше равновесной концентрации электронов в металле nм. Поэтому нейтрализация неравновесного заряда происходит с максвелловским временем релаксации τМ=εε0/σ, где σ – проводимость металла. Таким образом, приборы содержащие контакт металл-полупроводник, оказываются более высокочастотными по сравнению с невырожденными p—n-переходами.
Электронам находящимся в металле, для того чтобы попасть в зону проводимости полупроводника, необходимо преодолеть потенциальный барьер ΔР=Рм–Рс. Высота этого барьера зависит только от работы выхода из металла Рм и полупроводника Рс и не зависит от степени легированности полупроводника. Поскольку Рм и Рс являются параметрами материала, ток, связанный с переходом электронов из металла в полупроводник, не зависит от внешнего напряжения и является величиной постоянной Iм=const.
Если изменить полярность источника питания на обратную (плюс к полупроводнику, минус к металлу), то высота потенциального барьера увеличится на величину qU (рис.3.). При обратном смещении поток электронов из металла в по-прежнему останется без изменений. С другой стороны, встречный поток из полупроводника в металл уменьшится, поскольку высота барьера для электронов зоны проводимости возрастет и станет равной ψ+qU. поэтому уже при незначительных обратных напряжениях полный обратный ток через контакт будет в основном определяться потоком электронов из металла в полупроводник и, следовательно не будет зависеть от напряжения.
Для полупроводниковых материалов Ge, Si, GaAs плотность термоэлектронного тока, связанная с переносом электронов из металла в полупроводник, так же как в электронной лампе равна
где [А/К 2 ] – постоянная Ричардсона, а ΔР=Рм–Рс =ΔWFn+ψ – работа выхода из металла в полупроводник. В состоянии термодинамического равновесия, когда внешнее напряжение равно нулю, этот ток уравновешивается потоком электронов , направленных из полупроводника в металл:
где – тепловая скорость электронов, n(0) – концентрация электронов в полупроводнике, на границе полупроводник-металл при U=0.
Приравнивая формулы (2) и (3) получим
где – эффективная плотность квантовых состояний у дна зоны проводимости.
Сравнивая (4) с (1) легко установить, что , где ns(0) – концентрация электронов на границе полупроводника при U=0, т.е.
где n0 – равновесная концентрация электронов вдали от контакта.
При изменении внешнего смещения U граничная концентрация ns(0) будет изменяться в соответствии с изменением высоты потенциального барьера ψ–qU и, следовательно, будет меняться величина тока из полупроводника в металл
Результирующий электронный ток равен разности
г де — термический потенциал, а — величина обратная термическому потенциалу.
Полученное выражение совпадает с формулой ВАХ идеального p—n-перехода. Однако выражение для обратного тока насыщения отличается от выражения для обратного тока насыщения идеального p—n-перехода , не только количественно, но и по физическому смыслу. В p—n-переходе обратный ток связан с экстракцией неосновных носителей, а в контакте металл-полупроводник – с инжекцией основных носителей из металла в полупроводник.
Вольтамперная характеристика перехода металл-полупроводник приведена на рис.4. Экспериментальная зависимость I=f(U) хорошо согласуется с теоретической, т.к.:
1) уровень инжекции всегда мал ns(0)nм, максимальная концентрация электронов при полностью открытом переходе ns(0)=Nd~10 15 ÷10 17 см –3 , а концентрация электронов в металле nм~10 22 см –3 ,
2) сопротивление потерь при малой толщине базы и высокой степени легированности полупроводника мало и слабо влияет на АЧХ.
Отличие наблюдается только при больших обратных напряжениях, когда происходит электрический пробой перехода.