Главная Случайная страница



Полезное:

Как сделать разговор полезным и приятным Как сделать объемную звезду своими руками Как сделать то, что делать не хочется? Как сделать погремушку Как сделать неотразимый комплимент Как сделать так чтобы женщины сами знакомились с вами Как сделать идею коммерческой Как сделать хорошую растяжку ног? Как сделать наш разум здоровым? Как сделать, чтобы люди обманывали меньше Вопрос 4. Как сделать так, чтобы вас уважали и ценили? Как сделать лучше себе и другим людям Как сделать свидание интересным?


Категории:

АрхитектураАстрономияБиологияГеографияГеологияИнформатикаИскусствоИсторияКулинарияКультураМаркетингМатематикаМедицинаМенеджментОхрана трудаПравоПроизводствоПсихологияРелигияСоциологияСпортТехникаФизикаФилософияХимияЭкологияЭкономикаЭлектроника







Прямое включение p-n-перехода





Включение, при котором к p-n-переходу прикладывается внешнее поле
EВНЕШ, противоположное по направлению с внутренним полем, называется прямым.

При таком включении результирующее поле E равно E = EВНУТР - EВНЕШ. Контактная разность потенциалов уменьшится, и будет составлять UK UПР, где UПР – прямое напряжение, которое прикладывается к p-n-переходу в соответствии с рисунком 1.8.

Рисунок 1.8 – Электронно-дырочный переход при прямом смещении

 

Переход выйдет из состояния равновесия. Практически все внешнее напряжение будет прикладывается к запирающему слою, поскольку его сопротивление значительно больше сопротивления остальной части полупроводника. Как видно из потенциальной диаграммы в соответствии с рисунком 1.8 , высота потенциального барьера уменьшается: qUБ = qUК – qUПР. Толщина резкого p-n-перехода d при этом составит

, (1.45)

т.е. также уменьшается (d < d0).

Поскольку потенциальный барьер понизится, то диффузионный ток резко возрастет, а дрейфовый ток уменьшится. Динамическое равновесие нарушится и через p-n-переход начнет течь значительный прямой ток:

. (1.46)

Как видно из формулы, при увеличении прямого напряжения ток может возрасти до больших значений, так как он обусловлен движением основных носителей, концентрация которых в обеих областях полупроводника велика.

При прямом включении дрейфовая составляющая тока пренебрежимо мала по сравнению с диффузионной. Это объясняется низкой концентрацией неосновных носителей заряда и уменьшением результирующей напряженности электрического поля, обусловливающих дрейфовый ток.

Процесс введения основных носителей заряда через p-n-переход с пониженной высотой потенциального барьера в область полу­проводника, где эти носители заряда являются неосновными, есть инжекция носителей зарядов. Инжектированные носители диффундируют вглубь полупроводника за пределы ОПЗ, рекомбинируя с основными носителями этой нейтральной области и порождая ток рекомбинации. Дырки, проникшие из p-области в n-область, рекомбинируют с электронами, поэтому диффузионный дырочный ток Iр постепенно спадает в n-области до нуля.



Поступающие от внешнего источника в n-область электроны продвигаются к p-n-переходу, создавая электронный ток In. По мере приближения к переходу, вследствие рекомбинации электронов с дырками, этот ток спадает до нуля. Суммарный же ток в n-области IПР = Ip + In во всех точках полупроводника n-типа остается неизменным. Одновременно с инжекцией дырок в n-область происходит инжекция электронов в p-область. Протекающие при этом процессы аналогичны описанным выше.

Обратное включение p-n-перехода:

Включение p-n-перехода в цепь в соответствии с рисунком 1.9, при котором к p-n-переходу прикладывается внешнее напряжение UОБР, создающее внешнее поле, одинаково направленное с внутренним, называется обратным.

Под действием электрического поля, создаваемого внешним источником UОБР, основные носители оттягиваются от приконтактных слоев вглубь полупроводника. В соответствии с рисунком 1.9, это приводит к расширению толщины p-n-перехода (d>d0). Потенциальный барьер возрастает и становится равным UБ = UК + UОБР. Число основных носителей, способных преодолеть действие результирующего поля, уменьшается. Это приводит к уменьшению диффузион­ного тока, который может быть определен по формуле:

. (1.27)

Для неосновных носителей (дырок в n-области и электронов в p-области) потенциальный барьер в электронно-дырочном переходе отсутствует. Неосновные носители втягиваются полем в переход и быстро преодолевают его. Это явление называется экстракцией.

Рисунок 1.9 – Электронно-дырочный переход при обратном включении

 

При обратном включении преобладающую роль играет дрейфовый ток. Он имеет небольшую величину, так как создается движением неосновных носителей. Этот ток называется обратным и может быть определен по формуле IОБР = IДР IДИФ. Величина обратного тока практически не зависит от напряжения UОБР. Это объясняется тем, что в единицу времени количество генерируемых пар «электрон – дырка» при неизменной температуре остается неизменным. Поскольку концентрация неосновных носителей значительно меньше концентрации основных носителей заряда, обратный ток p-n-перехода существенно меньше прямого (обычно на несколько порядков). Это определяет выпрямительные свойства p-n-перехода: способность пропускать ток только в одном направлении.

Характеристики p-n-перехода:

Вольт-амперной характеристикой (ВАХ) p-n-перехода называют зависимость тока, протекающего через p-n-переход, от величины и полярности приложенного напряжения.

Аналитическое выражение ВАХ p-n для идеального p-n-перехода имеет вид

, (1.48)

где IОБР — обратный ток насыщения p-n-перехода,

U — напряжение, приложенное к p-n-переходу.

ВАХ, построенная с использованием формулы (1.48), имеет вид в соответствии с рисунком 1.10 (пунктирная линия). Характеристика имеет два характерных участка: 1— соответствующий прямому управляющему напряжению UПР, 2 — соответствующий обратному напряжению UОБР.



Рисунок 1.10 – ВАХ идеального (1, 2) и реального(3,4,5) p-n-переходов

 

Для получения хороших выпрямительных свойств желательно уменьшить обратный ток, что достигается очисткой исходного полупроводникового материала с целью снижения концентрации неосновных носителей заряда. Высокая степень чистоты полупроводниковых материалов обеспечивается специальной дорогостоящей технологией.

ВАХ реального p-n – перехода имеет вид в соответствии с рисунком 1.10 (сплошная и штрих-пунктирная линии).

В реальных p-n – переходах при больших обратных напряжениях наблюдается явление пробоя, при котором обратный ток резко увеличивается. Различают два вида пробоя: электрический (обратимый) и тепловой (необратимый).

Электрический пробой происходит под действием процесса ударной ионизации атомов. В сильном электрическом поле, которое возникает при обратном смещении, часть электронов получает энергию, достаточную для освобождения из ковалентных связей. Двигаясь с большой скоростью, электроны сталкиваются с нейтральными атомами и ионизируют их. В результате ударной ионизации появляются новые свободные электроны и дырки. Они, в свою очередь, разгоняются полем и создают дополнительные носители заряда. Описанный процесс носит лавинообразный характер и приводит к значительному увеличению обратного тока через p-n-переход. Электрическому пробою соответствует участок 3 на ВАХ. Если чрезмерно увеличивать обратное напряжение (до значений, превышающих максимально допустимое напряжение UОБР MAX, то произойдет тепловой пробой p-n-перехода, и он потеряет свойство односторонней проводимости. Обратная ветвь характеристики при тепловом пробое имеет вид участка 4.

Тепловой пробой p-n-перехода происходит вследствие вырывания валентных электронов из связей в атомах при тепловых колебаниях кристаллической решетки (тепловая ионизация атомов). Данный процесс приводит к увеличению концентрации неосновных носителей зарядов и росту обратного тока. Увеличение тока сопровождается дальнейшим повышением температуры. Процесс нарастает лавинообразно, происходит изменение структуры кристалла, и переход необратимо выходит из строя. Если же при возникновении пробоя ток через p-n-переход ограничен сопротивлением внешней цепи и мощность, выделяемая на переходе, невелика, то пробой обратим.

Анализ ВАХ p-n-перехода позволяет рассматривать его как нелинейный элемент, сопротивление которого rp-n изменяется в зависимости от величины и полярности приложенного напряже­ния. Нелинейные свойства p-n-перехода лежат в основе работы полупроводниковых диодов, транзисторов и других приборов.

Эквивалентная схема реального p-n-перехода имеет вид в соответствии с рисунком 1.11. Здесь помимо управляемого сопротивления rp-n показаны неуправляемые сопротивления нейтральных областей p-n-переходов r1 и r2 и емкости p-n-перехода: барьерная СБ и диффузионная СДИФ. Часто сопротивления r1 и r2 заменяют одним эквивалентным сопротивлением rБ, которое называют сопротивлением базы p-n-перехода. Наличие у реальных p-n-переходов сопротивления контактов rБ сказывается на виде ВАХ в области прямых управляющих напряжений: характеристика располагается ниже по сравнению с идеализированным p-n-переходом (область 5 в соответствии с рисунком 1.10).

 

Рисунок 1.11 – Эквивалентная схема реального p-n-перехода

 

Потенциальный барьер образован неподвижными зарядами: положительными и отрицательными ионами. Емкость, обусловленная этими зарядами, называется барьерной. При изменении запирающего напряжения меняется толщина p-n-перехода, а следовательно, и его емкость. Величина барьерной емкости пропорциональна площади p-n-перехода, концентрации носителей заряда и диэлектрической проницаемости материала полупровод­ника. При малом обратном напряжении толщина p-n-перехода мала, носители зарядов противоположных знаков находятся на небольшом расстоянии друг от друга. При этом собственная емкость p-n-перехода велика. В случае увеличения обратного напряжения толщина p-n-перехода растет и емкость p-n-перехода уменьшается. Таким образом, p-n-переход можно использовать как емкость, управляемую обратным напряжением:

СБ = QБ /UОБР, (1.28)

где QБ – объемный заряд равновесных носителей.

При прямом напряжении p-n-переход, кроме барьерной ем­кости, обладает диффузионной емкостью СДИФ. Эта емкость обусловлена накоплением подвижных носителей заряда в n- и p-областях. При прямом напряжении основные носители заряда в большом количестве диффундируют через пониженный потенциальный барьер и, не успев рекомбинировать, накапливаются в n- и p-областях. Каждому значению прямого напряжения соответствует определенный накопленный неравновесный заряд QДИФ:

. (1.29)

Величина диффузионной емкости может достигать больших значений — до десятков тысяч пикофарад. Но диффузионная емкость не оказывает существенного влияния на работу p-n – перехода, так как она всегда зашунтирована малым прямым сопротивлением rp-n. Особенно сильно этот эффект проявляется на низких частотах. Диффузионную емкость необходимо учитывать при работе на высоких частотах и в импульсных схемах. Барьерная емкость практически не зависит от частоты и она остается постоянной вплоть до частот 1012 Гц.

Зависимости емкостей p-n-перехода от управляющего напряжения (вольт-фарадные характеристики) имеют вид, в соответствии с рисунком 1.12.

 

 

Рисунок 1.12 – Вольт-фарадные характеристики емкостей p-n-переходов

 









Date: 2015-05-09; view: 1755; Нарушение авторских прав



mydocx.ru - 2015-2021 year. (0.031 sec.) Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав - Пожаловаться на публикацию