Помощничек
Главная | Обратная связь

...

Археология
Архитектура
Астрономия
Аудит
Биология
Ботаника
Бухгалтерский учёт
Войное дело
Генетика
География
Геология
Дизайн
Искусство
История
Кино
Кулинария
Культура
Литература
Математика
Медицина
Металлургия
Мифология
Музыка
Психология
Религия
Спорт
Строительство
Техника
Транспорт
Туризм
Усадьба
Физика
Фотография
Химия
Экология
Электричество
Электроника
Энергетика

Электронные полупроводники (n-типа)

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

 

1. Пассивные компоненты электронных устройств (резисторы, конденсаторы, катушки индуктивности).

2. Основные свойства и характеристики полупроводников. Собственная и примесная проводимости. Зонная энергетическая диаграмма. Уровень Ферми. Генерация и рекомбинация носителей. Время жизни и диффузионная длина. Диффузия и дрейф.

3. Электронные переходы, р-n переход при прямом и обратном смещении. Особенности реальных р-n переходов. Виды пробоев р-n переходов.

4. Полупроводниковые диоды. Стабилитроны, стабисторы. Диоды Шоттки.

5. Тиристоры.

6. Биполярные транзисторы (структура, принцип и режимы работы). Диффузионные и дрейфовые транзисторы. Схемы включения биполярных транзисторов.

7. Полевые транзисторы. Полевой транзистор с управляющим р-n переходом.Полевые транзисторы с изолированным затвором с индуцированным и встроенным каналом.

8. Схемы включения полевых транзисторов.

9. Элементы оптоэлектроники. Управляемые источники света. Фотоприемники. Оптроны, оптоэлектронные ИС.

10. Электронные усилители: классификация, параметры, характеристики. Усилители постоянного тока.

11. Усилительный каскад на биполярном транзисторе.

12. Усилительные каскады на полевых транзисторах.

13. Обратная связь в усилителях. Виды обратных связей в усилителях и способы их создания. Влияние обратных связей на параметры и характеристики усилителей.

14. АЧХ и ФЧХ усилителей. Аппроксимация АЧХ и ФЧХ по Боде. Способы коррекции АЧХ и ФЧХ.

15. Дифференциальный усилитель.

16. Операционный усилитель (ОУ).

17. Инвертирующий усилитель на ОУ.

18. Неинвертирующий усилитель на ОУ. Повторитель напряжения.

19. Сумматор на основе инвертирующего усилителя.

20. Дифференциальные усилители на ОУ.

21. Нелинейные преобразователи сигналов. Логарифмирующий усилитель. Антилогарифмирующий усилитель.

22. Перемножители сигналов.

23. Пассивные и активные фильтры. Активные RС-фильтры нижних и верхних частот. Полосовые фильтры.

24. Генераторы. Генераторы синусоидальных колебаний. LС-генераторы.

25. RC-генераторы.

26. Устройства сравнения аналоговых сигналов. Компараторы.

27. Импульсные устройства. Генераторы прямоугольных сигналов. Триггер Шмитта. Мультивибраторы.

28. Цифро-аналоговые преобразователи.

 


 

Резисторы.Резисторы R, условное обозначение которых показано на рис. 1.1, используются в электрических цепях для обеспечения требуемого распределения токов и напряжений между отдельными участками цепи.

Если к резистору приложить напряжение , то ток , сопротивление резистора и выделяемая на нём мощность определяются следующими соотношениями:

; ; ;

Основу резистора составляет резистивный элемент, выполненный из материалов, обладающих электронным типом проводимости. Если к резистору приложено напряжение 1В и через него протекает ток 1А, то сопротивление резистора равно 1 Ом. При последовательном и параллельном соединении n резисторов их общие сопротивления соответственно равны:

По постоянству значения сопротивления резисторы различают на:

постоянные - с фиксированным сопротивлением;

переменные - с изменяющимся сопротивлением;

специальные - сопротивление зависит от действия внешних факторов.

К специальным резисторам относятся:

варисторы - сопротивление зависит от напряженности электрического поля;

терморезисторы - сопротивление зависит от температуры;

фоторезисторы - сопротивление зависит от освещения резистора;

магниторезисторы - сопротивление зависит от магнитного поля.

В зависимости от вида проводящего резистивного элемента резисторы бывают проволочные и непроволочные. Наибольшее применение нашли непроволочные резисторы.

Рис.1.1. Условное обозначение резисторов: а – постоянные, б – подстроечные, в – переменные, г – терморезисторы, д - варисторы

Основные характеристики резисторов.

Стабильность сопротивления резисторов во времени характеризуется коэффициентом старения , где - время; - сопротивление резистора непосредственно после изготовления. Коэффициент старения резисторов существенно изменяется от партии к партии. Поэтому в технических условиях указывают коэффициент значительно меньший, чем у большей части резисторов.

Номинальная мощность рассеивания указывает, какую максимальную мощность может рассеивать резистор в течение длительного времени при заданной стабильности сопротивления. Она определяется размерами резистора, конструкцией и свойствами резистивного слоя.

 

Специальные резисторы.

У варисторов сопротивление изменяется с изменением приложенного напряжения. Они используются как стабилизаторы и ограничители напряжения.

К терморезисторам относятся резисторы, сопротивление которых меняется с изменением температуры.

Магниторезисторы - полупроводниковые резисторы с резко выраженной зависимостью электрического сопротивления от магнитного поля.

Позисторы - это терморезисторы с большой величиной положительного температурного коэффициента сопротивления (ПТКС).

 

Конденсаторы.Конструктивно конденсатор представляет собой две обкладки, между которыми находится диэлектрик. Конденсатор ёмкостью обладает свойством накопления энергии электрического поля. Электрические характеристики и область применения конденсаторов зависят от типа диэлектрика между обкладками. Конденсаторы бывают как постоянной, так и переменной емкости. По способу изменения емкости конденсаторы бывают с механически и электрически управляемой емкостью.

Рис.1.4. Условное обозначение конденсаторов: а - постоянной ёмкости;

б - электролитический полярный; в - переменной ёмкости; г - подстроечный; д - вариконд;

е - дифференциальный; ж - многосекционный; з - варикап.

Конденсатор как законченное устройство обладает рядом паразитных параметров. Эквивалентная схема конденсатора показана на рис.1.5, где - определяется конструкцией, размерами обкладок и ограничивает частотный диапазон применения, - сопротивление изоляции, - сопротивление потерь.

Если к конденсатору приложено напряжение , то заряд , ёмкость , ток , энергия и мощность определяются следующими соотношениями:

; ; ; ;

Если на конденсаторе заряд равен 1Кл и разность потенциалов между обкладками равна 1В, то конденсатор имеет ёмкость 1Ф.

При последовательном и параллельном соединении n конденсаторов их общие ёмкости определяются выражениями соответственно:

Если конденсатор емкостью С включен в цепь переменного тока с частотой колебаний ω, то его сопротивление XС определяется выражением:

Из выражения видно, что сопротивление конденсатора зависит от частоты электрических колебаний, которые приложены к конденсатору. Следовательно, сопротивление цепи, в которой содержится конденсатор, изменяется с изменением частоты электрических колебаний, действующих в цепи. Эти свойства конденсаторов используются для построения частотнозависимых и частотноизбирательных электрических цепей (дифференцирующих, интегрирующих, колебательных, фильтрующих и т.п.).

Основные характеристики конденсаторов.

На практике для характеристики потерь пользуются понятием добротности конденсатора или отношением реактивной мощности к активной. Конденсаторы характеризуются номинальной и фактической ёмкостью. Номинальная емкость указывается заводом-изготовителем, а фактическая определяется при данных температуре и частоте. Допустимое отклонение ёмкости задается в процентах:

По точности и отклонению ёмкости от номинального значения конденсаторы разделяются на классы.

Изменение ёмкости в зависимости от температуры характеризуется температурным коэффициентом ёмкости (ТКЕ).

 


Катушки индуктивности.Для создания катушек индуктивности используется эффект взаимодействия переменного тока с магнитным полем, наводимым этим током. Коэффициент пропорциональности между переменными напряжением и током с частотой ω является реактивным сопротивлением jωL, где L - индуктивность (коэффициент пропорциональности). Индуктивный элемент обладает свойством накопления энергии магнитного поля.

Для уменьшения габаритов и увеличения индуктивности провод наматывается в виде катушки. При протекании переменного тока через катушку сказывается взаимоиндукция между ее витками, что приводит к увеличению индуктивности.

Катушка индуктивности может быть представлена схемой замещения (рис.1.6), где - индуктивность катушки и выводов; - ёмкость обмоток, выводов, сердечника, экрана; - сопротивление потерь в ёмкости; - сопротивление потерь в катушке.

Индуктивность катушки может быть рассчитана по формуле

, мкГн.

Если к приложено напряжение , то потокосцепление , индуктивность , ток , мощность и энергия определяются следующими соотношениями:

; ; ; ;

Если через катушку протекает ток в 1А и создает магнитный поток в 1 Вб, то индуктивность катушки равна 1Гн.

При последовательном и параллельном соединении n катушек их общая индуктивность определяется следующими выражениями соответственно:

Если катушка, обладающая индуктивностью L, включена в цепь переменного тока с частотой колебаний ω, то ее сопротивление XL определяется выражением:

Так как сопротивление XL зависит от частоты ω, то сопротивление цепи, в которой включена катушка индуктивности, также будет зависеть от частоты электрических колебаний, действующих в цепи. Эти свойства катушек индуктивности, как и подобные свойства конденсаторов, используются для создания дифференцирующих, интегрирующих, колебательных и фильтрующих цепей.

 

Основные характеристики катушек индуктивности.

Качество катушки, используемой в колебательном контуре, определяется ее добротностью, характеризующей относительные потери мощности в ней.

Добротность определяется отношением реактивного сопротивления к активному:

(1.11)

Для снижения активного сопротивления провода обмотки катушек наматывают достаточно толстым проводом, применяя специальный многожильный провод, а для работы на высоких частотах покрывают его серебром. Магнитопроводы и сердечники выбирают с малыми потерями на гистерезис и вихревые токи.

Свойства катушки при изменении температуры характеризуются температурным коэффициентом индуктивности ТКL, показывающим отношение изменения индуктивности к интервалу температур , вызвавшему это изменение:

(1.12)

Изменение индуктивности во времени (старение) характеризуется коэффициентом старения:

(1.13)

Для увеличения индуктивности и повышения добротности применяют магнитопроводы с постоянными или регулируемыми параметрами.


Полупроводни́к — материал, который по своей удельной проводимости занимает промежуточное место между проводниками и диэлектриками и отличается от проводников сильной зависимостью удельной проводимости от концентрации примесей, температуры и воздействия различных видов излучения. Основным свойством полупроводника является увеличение электрической проводимости с ростом температуры.[1]

Полупроводниками являются вещества, ширина запрещённой зоны которых составляет порядка нескольких электрон-вольт (эВ). Например, алмаз можно отнести к широкозонным полупроводникам, а арсенид индия — к узкозонным. К числу полупроводников относятся многие химические элементы (германий, кремний, селен, теллур, мышьяк и другие), огромное количество сплавов и химических соединений (арсенид галлия и др.). Почти все неорганические вещества окружающего нас мира — полупроводники. Самым распространённым в природе полупроводником является кремний, составляющий почти 30 % земной коры.

В зависимости от того, отдаёт ли примесной атом электрон или захватывает его, примесные атомы называют донорными или акцепторными. Характер примеси может меняться в зависимости от того, какой атом кристаллической решётки она замещает, в какую кристаллографическую плоскость встраивается.

Проводимость полупроводников сильно зависит от температуры. Вблизи температуры абсолютного нуля полупроводники имеют свойства диэлектриков.

Электронные полупроводники (n-типа)

Термин «n-тип» происходит от слова «negative», обозначающего отрицательный заряд основных носителей. Этот вид полупроводников имеет примесную природу. В четырёхвалентный полупроводник (например, кремний) добавляют примесь пятивалентного полупроводника (например,мышьяка). В процессе взаимодействия каждый атом примеси вступает в ковалентную связь с атомами кремния. Однако для пятого электрона атома мышьяка нет места в насыщенных валентных связях, и он переходит на дальнюю электронную оболочку. Там для отрыва электрона от атома нужно меньшее количество энергии. Электрон отрывается и превращается в свободный. В данном случае перенос заряда осуществляется электроном, а не дыркой, то есть данный вид полупроводников проводит электрический ток подобно металлам. Примеси, которые добавляют в полупроводники, вследствие чего они превращаются в полупроводники n-типа, называются донорными.

Примесная проводимость полупроводников — электрическая проводимость, обусловленная наличием в полупроводнике донорных или акцепторных примесей.

Примесная проводимость, как правило, намного превышает собственную, и поэтому электрические свойства полупроводников определяются типом и количеством введенных в неголегирующих примесей.

 

Собственная проводимость полупроводников обычно невелика, так как число свободных электронов, например, в германии при комнатной температуре порядка 3·10-13 см-3. В то же время число атомов германия в 1 см3 ~ 1023. Проводимость полупроводников увеличивается с введением примесей, когда наряду с собственной проводимостью возникает дополнительная примесная проводимость.

Примесной проводимостью полупроводников называется проводимость, обусловленная наличием примесей в полупроводнике.

Примесными центрами могут быть:

1. атомы или ионы химических элементов, внедренные в решетку полупроводника;

2. избыточные атомы или ионы, внедренные в междоузлия решетки;

3. различного рода другие дефекты и искажения в кристаллической решетке: пустые узлы, трещины, сдвиги, возникающие при деформациях кристаллов, и др.

Изменяя концентрацию примесей, можно значительно увеличивать число носителей зарядов того или иного знака и создавать полупроводники с преимущественной концентрацией либо отрицательно, либо положительно заряженных носителей.

Примеси можно разделить на донорные (отдающие) и акцепторные (принимающие).

Рассмотрим механизм электропроводности полупроводника с донорной пятивалентной примесью мышьяка As5+, которую вводят в кристалл, например, кремния. Пятивалентный атом мышьяка отдает четыре валентных электрона на образование ковалентных связей, а пятый электрон оказывается незанятым в этих связях.

Энергия отрыва (энергия ионизации) пятого валентного электрона мышьяка в кремнии равна 0,05 эВ = 0,08·10-19 Дж, что в 20 раз меньше энергии отрыва электрона от атома кремния. Поэтому уже при комнатной температуре почти все атомы мышьяка теряют один из своих электронов и становятся положительными ионами. Положительные ионы мышьяка не могут захватить электроны соседних атомов, так как все четыре связи у них уже укомплектованы электронами. В этом случае перемещения электронной вакансии — "дырки" не происходит и дырочная проводимость очень мала, т.е. практически отсутствует. Небольшая часть собственных атомов полупроводника ионизирована, и часть тока образуется дырками, т.е. донорные примеси — это примеси, поставляющие электроны проводимости без возникновения равного количества подвижных дырок. В итоге мы получаем полупроводник с преимущественно электронной проводимостью, называемый полупроводником n-типа.

Основные носители заряда в полупроводнике с акцепторной примесью — дырки, а неосновные — электроны.

Полупроводники, у которых концентрация дырок превышает концентрацию электронов проводимости, называются полупроводниками р-типа.

Необходимо отметить, что введение примесей в полупроводники, как и в любых металлах, нарушает строение кристаллической решетки и затрудняет движение электронов. Однако сопротивление не увеличивается из-за того, что увеличение концентрации носителей зарядов значительно уменьшает сопротивление. Так, введение примеси бора в количестве 1 атом на сто тысяч атомов кремния уменьшает удельное электрическое сопротивление кремния приблизительно в тысячу раз, а примесь одного атома индия на 108 - 109 атомов германия уменьшает удельное электрическое сопротивление германия в миллионы раз.

Возможность управления удельным сопротивлением благодаря введению примесей используется в полупроводниковых приборах.

Дырочная проводимость не является исключительной особенностью полупроводников. У некоторых металлов и их сплавов существует смешанная электронно-дырочная проводимость за счет перемещений некоторой части неколлективированных валентных электронов. Например, в цинке, бериллии, кадмии, сплавах меди с оловом дырочная составляющая электрического тока преобладает над электронной.

Если в полупроводник одновременно вводятся и донорные и акцепторные примеси, то характер проводимости (n- или p-тип) определяется примесью с более высокой концентрацией носителей тока — электронов или дырок.

Энергия Ферми - максимальная энергия электронов при температуре в 0 К. Энергия Фермирастет с увеличением количества электронов в квантовой системе и, соответственно, уменьшается с уменьшением количества электронов (фермионов). Это обусловливается возникающим интенсивным обменным и электростатическим взаимодействием в области перекрытия зарядовых плотностей волновых функций электронов при росте количества электронов. Энергия и импульс Ферми есть граничными энергией и импульсом перехода электрона в свободное состояние. Поверхность в пространстве импульсов при 0 К, под которой все квантовые состояния заняты (то есть, нахождение электронов на заполненных орбиталях), естьповерхностью Ферми. При увеличении температуры возникает корреляция атомов и выделяются фононы, которые поглощаются электронами. В результате импульс электронов превышает граничный импульс Ферми, и они переходят в разрешенную зону (формально, есть квазисвободными частицами). Уровень Ферми в полупроводниках различных типов проводимости.Следует заметить, что в любом полупроводнике при стремлении температуры к абсолютному нулю уровень Ферми находится посередине запрещенной зоны. Но при повышении температуры в примесных полупроводниках он смещается либо вверх, либо вниз. Причина этого - в переходе электронов с валентной зоны в зону проводимости или наоборот, что обусловливает изменение энергии зоны проводимости и последующее смещение уровня Ферми (что Вас, собственно, и интересует). В случае с беспримесными полупроводниками, уровень Ферми при любой температуре проходит по середине запрещенной зоны. В случае с n-полупроводниками, количество электронов в зоне проводимости больше, чем у беспримесных полупроводников, поэтому средняя энергия электронов в зоне проводимости, в силу того же роста суммарной энергии системы при увеличении количества фермионов, повышается. Из-за этого, чтобы покинуть валентную зону и перейти в зону проводимости, электрону в n-полупроводнике требуется больше энергии, чем электрону из беспримесного полупроводника. Потому уровень Ферми находится выше средины запрещенной зоны. Формально, уровень Ферми в n-полупроводниках лежит посередине между дном зоны проводимости и донорным уровнем. В случае с p--полупроводниками, наблюдается обратная ситуация: чем большая концентрация акцепторов (например, атомов In), тем меньшая средняя плотность энергии электронов в зоне проводимости полупроводника, тем меньше средняя энергия на один электрон, и тем меньшая энергия требуется электрону, чтобы перейти в зону проводимости. Потому уровень Ферми находится ниже средины запрещенной зоны.

3
Структурой любого полупроводникового прибора принято назы­вать последовательность расположения областей с различными электрофизическими свойствами. Как правило, она отражается в на­звании (обозначении) типа перехода. Структура р-n-перехода показана на рис. 3.1,а. Практически пере­ход получается односторонней диф­фузией акцепторов в полупроводник n-типа с равномерным распределени­ем доноров (рис.3.1,б), в результате чего концентрация акцепторов Na убывает от сечения Х=0, где про­изводилась диффузия. Плоскость с координатой X=Xo, где Na=Nд, называется металлургической границей, на ней эффективная кон­центрация примеси Nэф=Na-Nд=0(рис. 3.1,в). При преобла­дает влияние акцепторов, при – влияние доноров. Полупро­водники с двумя типами примеси называют компенсированными.
Для удобства рассмотрения вместо эффективной концентра­ции акцепторного типа мы будем писать Na, а вместо эффектив­ной концентрации донорного типа – Nд и говорить просто об акце­пторах и донорах.
Распределение концентраций примесей в простейшем случае показано на рис. 3.2. Технология получения реальных р-n-переходов в полупроводниковых приборах будет изучаться в разделе кур­са по микроэлектронике. Здесь же мы рассмотрим идеализирован­ный случай, чтобы не усложнять картину излишними подробностя­ми. Для этого будем считать, что р-n-переход создается как бы в результате механического контакта однородного р-полупроводника (Na не зависит от координаты) с однородным n-полупроводником (Nд не зависит от координаты), как показано на рис. 3.2. Из-за скачкообразного перехода от Naк Nдв сечении Хотакой переход считается резким. Если Na>> Nд(или Nд>> Na), то переход считает­ся резким и несимметричным. При Nд= Na переход считается рез­ким и симметричным.
Образование p-n-перехода
Рассмотрим процесс образования p-n-перехода при контакте p- и n-полупроводников.
1. В исходном состоянии (до контакта) p- и n-полупроводники бы­ли электрически нейтральными (см. § 2.1.3): заряд основных носите­лей в каждом полупроводнике компенсировался зарядом ионов при­меси и неосновных носителей.
2 . Концентрация основных и неосновных носителей в р-полупроводнике и , а в n-полупроводнике и (см. формулы (2.19) и (2.21)). Поэтому при контакте появля­ется градиент концентрации дырок ( ) и электронов ( ).
3. Градиент концентрации вызовет диффузионное движение ды­рок из приконтактного слоя р-полупроводника в n-полупроводник, а градиент концентрации электронов – диффузионное движение электронов из приконтактной области n-полупроводника в р-полу-проводник (рис. 3.3,а).
4. Уход основных носителей приводит к нарушению электричес­кой нейтральности в приконтактных областях вблизи плоскости : в р-полупроводнике окажется нескомпенсированный отрицательный заряд неподвижных акцепторных ионов (обозначены знаком «ми­нус» в квадратной рамке), а в n-полупроводнике – нескомпенсиро­ванный положительный заряд неподвижных донорных ионов (обоз­начены знаком «плюс» в квадратной рамке).
Кроме того, носители, перешедшие в другой полупроводник, должны рекомбинировать с основными носителями этого полу­проводника. Гибель основных носителей при рекомбинации также приведет к нарушению электрической нейтральности и увеличе­нию нескомпенсированных зарядов ионов слева и справа от плос­кости контакта.
Итак, вблизи плоскости контакта образуется двойной электриче­ский слой, а следовательно, появляется напряженность электричес­кого поля Е (рис. 3.3,б).
5. Появившееся электрическое поле является тормозящим (соз­дает потенциальный барьер) для диффундирующих через контакт основных носителей каждого полупроводника. Поэтому по мере рос­та поля, создающего потенциальный барьер, его смогут преодоле­вать только те основные носители, которые имеют достаточную энергию (больше высоты барьера).
Таким образом, будет происходить уменьшение диффузионных потоков основных носителей по сравнению с начальным.
6. Однако появившееся электрическое поле Е является ускоря­ющим для неосновных носителей каждого полупроводника (отсутст­вие барьера). Под действием ускоряющего поля должны появиться дрейфовые потоки неосновных носителей: электронов из р-области в n-область и дырок из n-области в р-область (на рис. 3.3,в показаны штриховыми линиями).
7. Начавшийся рост электрического поля в переходе, а следова­тельно, уменьшение диффузионных потоков и рост дрейфовых по­токов будут происходить до тех пор, пока при некотором значении напряженности поля не наступит равновесие: диффузионный по­ток дырок из р-области сравняется со встречным дрейфовым пото­ком дырок из n-области, а диффузионный поток электронов из n-об­ласти уравновесится встречным дрейфовым потоком электронов из р-области. Это равновесное значение на­пряженности электрического поля Ек соот­ветствует разности потенциалов кото­рую называют контактной разностью потенциалов или диффузионным потен­циалом (рис. 3.3.г).
Образовавшаяся переходная об­ласть вблизи плоскости контакта, в которой нескомпенсирован­ные заряды ионов создают поле и которая из-за ухода и реком­бинации бедна подвижными носителями заряда, называется р-п-переходом или обедненным слоем.
На рис. 3.4 показано распределение концентраций подвижных основных и неосновных носителей в р-n-структуре. Знаками «–» и «+» в квадратных рамках показано н ахождение в переходе ионов ак­цепторов и доноров, а индексом «0» указывается равновесное зна­чение концентрации.
Полупроводники до образования контакта были электрически нейтральными, поэтому вся структура после контакта должна оста­ваться нейтральной. Так как области вне обедненного слоя оста­лись нейтральными, то обедненный слой в целом должен быть элек­трически нейтральным. А это возможно, если отрицательный заряд ионов акцепторов в слое по величине равен положительному за­ряду ионов доноров в слое : (3.1)

 

Пробой p-n-перехода

Пробоем называют резкое изменение режима работы p-n-перехода, находящегося под большим обратным напряжением. ВАХ для больших значений обратных напряжений показана на рис. 1.5. Началу пробоя соответствует точка А. После этой точки дифференциальное сопротивление перехода стремится к нулю. Различают три вида пробоя p-n-перехода:

Туннельный пробой (А-Б), Лавинный пробой (Б-В),

Тепловой пробой (за т.В).

Туннельный пробой возникает при малой ширине p-n-перехода (например, при низкоомной базе), когда при большом обратном напряжении электроны проникают за барьер без преодоления самого барьера. В результате туннельного пробоя ток через переход резко возрастает и обратная ветвь ВАХ идет перпендикулярно оси напряжений вниз.

Лавинный пробой возникает в том случае, если при движении до очередного соударения с нейтральным атомом кристалла электрон или дырка приобретают энергию, достаточную для ионизации этого атома, при этом рождаются новые пары электрон-дырка, происходит лавинообразное размножение носителей зарядов; здесь основную роль играют неосновные носители, они приобретают большую скорость. Лавинный пробой имеет место в переходах с большими удельными сопротивлениями базы («высокоомная база»), т.е. в p-n-переходе с широким переходом.

Тепловой пробой характеризуется сильным увеличением тока в области p-n-перехода в результате недостаточного теплоотвода.

Если туннельный и лавинный пробои, называемые электрическими, обратимы, то после теплового пробоя свойства перехода меняются вплоть до разрушения перехода.

Напряжения и токи в p-n-переходах зависят от параметров перехода и его температуры.

 

Выпрямительные диоды.Если на полупроводниковой пластине создать две области проводимостей (одна p-типа, другая n-типа), то между этими областями образуется электронно-дырочный р-n переход (контакт). Предположим, что р-n переход образован электрическим контактом областей n- и р- типа с одинаковой концентрацией n и р зарядов (рис.2.2,а). Вследствие высокой концентрации электронов в n-области и дырок в p-области начинается диффузионное движение электронов из n-области в p-область и дырок из p-область n-область.

В процессе диффузии в приграничном слое происходит рекомбинация основных носителей заряда. В результате диффузии и рекомбинации у р-n перехода образуется обедненный свободными носителями двойной слой пространственного заряда. Приграничная p-область приобретает нескомпенсированный отрицательный заряд, обусловленный отрицательными ионами акцепторной примеси и на рис.2.2,а обозначен знаками (-). Приграничная n-область приобретает нескомпенсированный положительный заряд (+), обусловленный положительными ионами донорной примеси. Образованный в граничном слое объемный заряд создает внутреннее электрическое поле EВ, направленное как показано на рис.2.2, а. Внутреннее поле EВ является тормозящим для основных носителей заряда и называется потенциальным барьером p-n перехода. Если к полупроводнику не прикладывается внешнее поле, то потенциальный барьер препятствует движению зарядов и ток через полупроводник не протекает.

Если к полупроводнику приложить прямое напряжение uпр (плюсом к р-области, а минусом к n-области), то поле uпр будет направлено встречно полю

По мощности, рассеиваемой p-n переходом, диоды бывают малой ( 3 А), средней (0,3< 10 А) и большой ( >10 А) мощности.

На характеристики диодов оказывает влияние температура окружающей среды. Абсолютная величина приращения Iобр у германиевых диодов с ростом температуры в несколько раз больше, чем у кремниевых.

Параметры выпрямительных диодов.

1. Средний выпрямленный ток Iпр ср

2. Среднее прямое напряжение Uпр ср

3. Максимально допустимое обратное напряжение Uобр макс

4. Максимальный обратный ток Iобр макс

5. Средняя рассеиваемая мощность Pср

6. Диапазон рабочих температур: для германиев диодов -60...+85 °С; для кремниевых диодов -60...+125 °С.

7. Барьерная емкость диода при подаче на него номинального обратного напряжения составляет десятки пФ.

8. Диапазон рабочих частот.

9. Дифференциальное сопротивление Rдиф - сопротивление диода протекающему переменному току, которое вычисляется как отношение приращения напряжения на диоде к вызвавшему его малому приращению тока (единицы - сотни Ом).

Стабилитроны.Стабилитроны предназначены для стабилизации напряжения в электрических цепях. Принцип работы стабилитрона основан на явлении электрического пробоя p-n перехода при подаче на диод обратного напряжения. Стабилизирующие свойства этого прибора объясняются тем, что на вольтамперной характеристике имеется участок со слабой зависимостью напряжения от протекающего тока. На рис.2.4 приведены ВАХ стабилитрона и схема включения. Стабилитрон всегда включается параллельно нагрузке.

По величине допустимой мощности рассеивания Pмакс стабилитроны подразделяются на стабилитроны малой (Pмакс<0,3 Вт), средней (0,3 Вт<Pмакс<5 Вт) и большой (Pмакс>5 Вт) мощности.

Стабилитроны общего назначения используются в схемах стабилизаторов источников питания, ограничителей, фиксаторов уровня напряжения. Прецизионные стабилитроны используются в качестве источников опорного напряжения с высокой степенью стабилизации и термокомпенсации.

Импульсные стабилитроны используются для стабилизации постоянного и импульсного напряжений, а также ограничения амплитуды импульсов напряжения

Рис. 2.4. Вольтамперная характеристика (а) малой длительности.

и схема включения (б) стабилитрона

Двухдиодные стабилитроны работают в схемах стабилизации, ограничителях напряжения различной полярности, в качестве источников опорного напряжения.

Стабисторы используются для стабилизации малых значений напряжения, причем рабочим является прямое смещение диода.

Величина пробоя p-n перехода зависит от удельного сопротивления базы диода. Низковольтные стабилитроны изготавливаются из сильнолегированного (низкоомного) материала и для них более вероятен туннельный пробой. Высоковольтные стабилитроны изготавливаются из слаболегированного (высокоомного) материала и для них вероятен лавинный вид пробоя.

Основные параметры стабилитронов.

Номинальное напряжение стабилизации Uст ном - падение напряжения на стабилитроне в области стабилизации при номинальном значении тока Iст ном. Минимальный ток стабилизации Iст мин Максимальный ток стабилизации Iст макс

Туннельные диоды.Туннельные диоды - это диоды, которые имеют значительно большую концентрацию носителей зарядов, чем обычные диоды и имеют очень малую толщину p-n перехода.

В тонких p-n переходах вследствие большой напряженности электрического поля увеличивается вероятность туннельного прохождения электронов сквозь тонкий потенциальный барьер. Туннельный эффект приводит к появлению на ВАХ диода участка с отрицательным дифференциальным сопротивлением, т.е. характеристика имеет N-образный вид (рис. 2.10). Поясним форму характеристики. Рис. 2.10. Вольтамперная характеристика туннельного диода (п - пик, в – впадина, р - раствор)

При небольшом прямом напряжении происходит смещение энергетических зон, так что часть энергетических уровней, занятых электронами проводимости n-области, начинает располагаться напротив свободных уровней p-области. Это приводит к туннельному переносу электронов из n- в p-область и протеканию прямого туннельного тока.

С увеличением прямого напряжения туннельный ток достигает максимального значения, когда все заполненные энергетические уровни зоны проводимости n-области располагаются напротив свободных уровней p-области (U=UП).

Дальнейшее увеличение прямого напряжения приводит к тому, что часть заполненных энергетических уровней n-области начинает располагаться против запрещенной зоны p-области и туннельный ток убывает.

Когда зона проводимости n-области и валентная зона p-области перестанут перекрываться, туннельный ток исчезает (U=UВ).

Наряду с туннельным переходом электронов в p-n переходе туннельного диода течет и обычный диффузионный ток, связанный с преодолением потенциального барьера основными носителями (показан штрихпунктирной линией). Таким образом, ток туннельного диода имеет две составляющие: туннельную и диффузионную. При напряжениях на диоде, когда туннельная составляющая тока не протекает, туннельный диод представляет собой обычный диод, прямой ток которого определяется током диффузии.

 

Тири́стор — полупроводниковый прибор, выполненный на основе монокристалла полупроводника с тремя или более p-n-переходами и имеющий два устойчивых состояния: закрытое состояние, то есть состояние низкой проводимости, и открытое состояние, то есть состояние высокой проводимости.

Тиристор можно рассматривать как электронный выключатель (ключ). Основное применение тиристоров — управление мощной нагрузкой с помощью слабых сигналов, а также переключающие устройства. Существуют различные виды тиристоров, которые подразделяются, главным образом, по способу управления и по проводимости. Различие по проводимости означает, что бывают тиристоры, проводящие ток в одном направлении (например тринистор, изображённый на рисунке) и в двух направлениях (например, симисторы, симметричные динисторы).

Тиристор имеет нелинейную вольт-амперную характеристику (ВАХ) с участком отрицательного дифференциального сопротивления. По сравнению, например, с транзисторными ключами, управление тиристором имеет некоторые особенности. Переход тиристора из одного состояния в другое в электрической цепи происходит скачком (лавинообразно) и осуществляется внешним воздействием на прибор: либо напряжением (током), либо светом (для фототиристора). После перехода тиристора в открытое состояние он остаётся в этом состоянии даже после прекращения управляющего сигнала, если протекающий через тиристор ток превышает некоторую величину, называемую током удержания.

Основная схема тиристорной структуры показана на рис. 1. Она представляет собой четырёхслойный полупроводник структуры p-n-p-n, содержащий три последовательно соединённых p-n-перехода J1, J2, J3. Контакт к внешнему p-слою называется анодом, к внешнему n-слою — катодом. В общем случае p-n-p-n-прибор может иметь до двух управляющих электродов (баз), присоединённых к внутренним слоям. Подачей сигнала на управляющий электрод производится управление тиристором (изменение его состояния). Прибор без управляющих электродов называется диодным тиристором или динистором. Такие приборы управляются напряжением, приложенным между основными электродами. Прибор с одним управляющим электродом называют триодным тиристором или тринистором[1] (иногда просто тиристором, хотя это не совсем правильно). В зависимости от того, к какому слою полупроводника подключён управляющий электрод, тринисторы бывают управляемыми по аноду и по катоду. Наиболее распространены последние.

Описанные выше приборы бывают двух разновидностей: пропускающие ток в одном направлении (от анода к катоду) и пропускающие ток в обоих направлениях. В последнем случае соответствующие приборы называются симметричными (так как их ВАХ симметрична) и обычно имеют пятислойную структуру полупроводника. Симметричный тринистор называется также симистором или триаком (от англ. triac). Следует заметить, что вместо симметричных динисторов, часто применяются их интегральные аналоги, обладающие лучшими параметрами.

Тиристоры, имеющие управляющий электрод, делятся на запираемые и незапираемые. Незапираемые тиристоры, как следует из названия, не могут быть переведены в закрытое состояние с помощью сигнала, подаваемого на управляющий электрод. Такие тиристоры закрываются, когда протекающий через них ток становится меньше тока удержания. На практике это обычно происходит в конце полуволны сетевого напряжения.




©2015 studopedya.ru Все права принадлежат авторам размещенных материалов.