Электронно-дырочный (p-n) переход

Создадим контактное соединение двух полупроводников, один из которых с электронной проводи­мостью, а другой с дырочной , например германий типа р и германий типа n.Вследствие большей концентрации электронов

в полу­проводнике n по сравнению с полупроводником р будет про­исходить диффузия(проникновение) электронов из первого полупроводника во второй. Аналогично будет происходить диффузия дырок в полупроводник n. В тонком пограничном слое полупровод­ника nвозникает положительный объемный заряд, в по­граничном слое полупроводника p — отрицательный заряд, эти заряды возникают за счет неподвижных ионов примесей. Между разноименно заряженными слоями возникает разность потенциалов — по­тенциальный барьер и образуется электрическое поле препятствующее дальнейшей диффузии, которая прекратится при равенстве сил электрического поля и сил, вызывающих диффузию.

Тонкий пограничный слой, обедненный основ­ными носителями зарядов и обладающий большим сопро­тивлением, называют запирающим слоем или р-n переходом. Соединив положительный зажим источника питания с металлическим электродом полупроводника р, а отрица­тельный зажим — с электродом полупроводника n, получим в p-n переходе внешнее электрическое поле _вн., направлен­ное навстречу полю p-n-перехода; под действием внешнего поля электроны и дырки будут двигаться навстречу друг другу . При таком движении электронов и дырок, число основных носителей заряда в переходном слое воз­растает, а объемный заряд уменьшится, следовательно, уменьшится потенциальный барьер и сопротивление пере­ходного слоя.

Таким образом; в цепи установится токI_пp , называемый прямым, который будет значительным даже при относительно небольшом напряжении источника пита­ния(должно быть больше потенциального барьера).Такое включение р-n перехода называется прямым, при таком включении переход пропускает электрический ток.

Поменяв присоединение полюсов источника питания к p-n переходу , получим внешнее поле одного направ­ления с полем

p-n перехода и, следовательно, усиливающим его. Теперь поле еще больше будет препятствовать прохож­дению основных носителей заряда через запирающий слой. Кроме того, внешнее поле вызовет движение электронов в n полупроводнике и дырок в р полупроводнике в проти­воположные стороны от запирающего слоя. Эти повлечет за собой увеличение объемного заряда, потенциального барьера и сопротивления запирающего слоя. Ток I_о6р,называемый обратным, весьма мал и в ряде практических случаев может считаться равным нулю.

Итак, контактное соединение двух полупроводников с разными проводимостями обладает явно выраженной одно­сторонней проводимостью.

Свойство односторонней проводимости p-n перехода нетрудно рассмотреть на вольтамперной характеристике. Вольтамперной характеристикой (ВАХ) называется графически выраженная зависимость величины протекающего через p-n переход тока от величины приложенного напряжения. I=f(U). Будем считать прямое напряжение положительным, обратное – отрицательным . При увеличении прямого напряжения тока, сперва нет т.к. напряжение меньше потенциального барьера, как только напряжение станет больше потенциального барьера пойдет прямой ток, быстро увеличивающийся с увеличением прямого напряжения. Обратный ток возникает за счет неосновных носителей(созданных внешними воздействиями), он резко меньше прямого тока(в тысячи, десятки тысяч раз), т.к. неосновных носителей резко меньше, чем основных. Температурное свойство p-n перехода показывает, как изменяется работа p-n перехода при изменении его температуры. На p-n переход в значительной степени влияет изменение его температуры, т.к. оно приводит к изменению количества неосновных носителей(с увеличением температуры их количество увеличивается, с уменьшением – уменьшается), из-за чего меняется общее количество носителей в полупроводнике. Изменение температуры сильно влияет на обратный ток, т.к. он создается только неосновными носителями, и незначительно влияет на прямой ток, т.к. он создается в основном основными носителями(созданы добавленной к полупроводнику химической прмесью, их количество от температуры не зависит). При большом увеличении обратного напряжения энергия электрического поля становится достаточной для генерации носителей заряда. Это приводит к сильному увеличению обратного тока. Явление сильного увеличения обратного тока при определённом обратном напряжении называется электрическим пробоем p-n перехода. Электрический пробой – это обратимый пробой, т. е. при уменьшении обратного напряжения p-n переход восстанавливает свойство односторонней проводимости. Если обратное напряжение не уменьшить, то полупроводник сильно нагреется за счёт теплового действия тока и p-n переход сгорает. Такое явление называется тепловым пробоем p-n перехода. Тепловой пробой необратим. При обратном включении p-n переход обладает емкостью(объемные заряды с знаком + и знаком – и слой диэлектрика), эта емкость называется барьерной . С увеличением обратного напряжения ее величина уменьшается, т.к. увеличение толщины слоя диэлектрика пересиливает увеличение величины объемных зарядов.

Частотные свойства p-n перехода показывают, как работает p-n переход при подаче на него переменного напряжения высокой частоты. Если на p-n переход подавать переменное напряжение, то ёмкостное сопротивление p-n перехода будет уменьшаться с увеличением частоты, и при некоторых больших частотах ёмкостное сопротивление может сравняться с внутренним сопротивлением p-n перехода при прямом включении. В этом случае при обратном включении через эту ёмкость потечёт достаточно большой обратный ток, и p-n переход потеряет свойство односторонней проводимости.

Вывод: чем меньше величина ёмкости p-n перехода, тем на более высоких частотах он может работать. На частотные свойства основное влияние оказывает барьерная ёмкость.

Отношение прямого тока к обратному току при одном и том же напряжении называется коэффициентом выпрямления:

к_в=I_пр/I_о.

Rдиф – внутреннее сопротивление p-n перехода.

Rдиф очень мало при прямом включении [Rдифпр = (1 ÷ 10) Ом] и будет велико при обратном включении [Rдифобр= (100 кОм ÷ 1 Мом)

Выпрямительный диод.

Устройство , принцип действия и характеристика диода это устройство, принцип действия и характеристика р-n перехода. Параметры диода: Максимально допустимый прямой ток Iпр.max.

Прямое падение напряжения на диоде при максимальном прямом токе Uпр.max.

Максимально допустимое обратное

напряжение Uобр.max = (⅔ ÷ ¾) ∙ Uэл.проб.

Обратный ток при максимально допустимом обратном напряжении Iобр.max.

Прямое и обратное динамическое

сопротивление

Стабилитрон

Стабилитроном называется полупроводниковый диод, предназначенный для стабилизации уровня постоянного напряжения на потребителе.

Принцип действия стабилитрона основан на том, что на его вольтамперной характеристике имеется участок, на котором напряжение практически не зависит от величины протекающего тока. Таким участком является участок электрического пробоя, а за счёт легирующих добавок в полупроводник ток электрического пробоя может изменяться в широком диапазоне, не переходя в тепловой пробой. Так как участок электрического пробоя – это обратное напряжение, то стабилитрон включается обратным включением, таким образом, чтобы величина тока была близка к среднему значению между Iст.min и Iст.max. Такое значение тока называется номинальным током стабилизации. При уменьшении входного напряжения ток через стабилитрон и падение напряжения на Ro может уменьшаться, а напряжения на стабилитроне и на нагрузке останутся постоянными, исходя из вольтамперной характеристики. При увеличении входного напряжения ток через стабилитрон и Uб увеличивается, а напряжение на нагрузке всё равно остаётся постоянным и равным напряжению стабилизации.

При уменьшении Iст меньше минимального прекращается стабилизация напряжения на потребителе с изменением входного напряжения. При превышении Iст максимального пробой из электрического переходит в тепловой и стабилитрон сгорает.

Варикап.

Варикап это диод, используемый при обратном напряжении в качестве конденсатора, емкость которого регулируется напряжением.

Тиристор.

Тиристором называется четырёхслойный полупроводниковый прибор, состоящий из последовательно чередующихся областей p- и n – типов проводимости, имеющий три р-n перехода. Первый и третий переходы включены на прямую проводимость, второй переход включон на обратную проводимость и работает в режиме электрического пробоя. После второго перехода в слой р включон управляющий электрод с небольшим положительным потенциалом на нем, который вырывая из слоя р электроны создает в нем дырки, что облегчает пробой второго перехода.

Таким образом меняя потенциал управляющего электрода, меняем напряжение пробоя второго перехода, т.е. напряжение срабатывания(включения)тиристора.

После срабатывания тиристора изменение потенциала управляющего электрода ни на что не влияет. Таким образом тиристор включает цепь при достижении заданного напряжения. Для отключения тиристора необходимо либо отключить основной источник питания, либо дать достаточный по длительности импульс обратного напряжения, либо снизить ток основной цепи ниже тока поддержания электрического пробоя второго р-n перехода.

Биполярные транзисторы.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту: