P-N–переход, его свойства, работа. Прямое и обратное включение. Виды пробоев.

Вольт-амперная характеристика.

P-N–переход образуется между двумя областями полупроводника, одна из которых имеет электронную электропроводность, а другая – дырочную электропроводность. Образование перехода: допустим, что концентрация электронов в n-области полупроводника равна концентрации дырок в p-области. На границе областей возникают градиенты концентраций электронов и дырок, вследствие чего происходит диффузия дырок из p-области и электронов из n-области полупроводника. В результате p-область приобретает нескомпенсированный отрицательный заряд, а n-область— нескомпенсированный положительный заряд. Прямое подключение: когда P подключается к ‘+’, а N к ‘-‘.

сопротивление уменьшается и ток, протекающий через P-N-переход, увеличивается (это диффузионный ток), дрейфовый ток снижается.

Обратное подключение. Возрастает сопротивление P-N-перехода, диффузионный ток уменьшается, дрейфовый ток увеличивается.

Св-ва перехода: односторонняя проводимость (т.е. при прямом включении ток проходит, при обратном практически равен 0); св-ва создавать собственное диффузионное поле; св-ва накапливать электрические заряды; переход зарядов из одной области в другую (св-во инжекции)

При достижении обратным напряжением некоторой критической величины U_проб происходит резкое уменьшение сопротивления P-N-перехода. Это явление называют пробоем. Различают электрический и тепловой пробой. Электрический делится на: Лавинный при котором происходит резкое увеличение обратного тока через переход при почти неизменном обратном напряжении; туннельный возникающий при большой напряженности электрического поля в тонком p-n-переходе между высоколегированными полупроводниками в результате туннелирования электронов из валентной зоны p-слоя в зону проводимости n-слоя.

Если температура p-n-перехода возрастает в результате его нагрева обратным током и недостаточного теплоотвода, то происходит дальнейший нагрев перехода и увеличение обратного тока, что может вызвать разрушение перехода. Это тепловой пробой.

Вольт- амперная характеристика.

 

1— прямая ветвь 2—обратная ветвь при лавинном пробое 3—обратная ветвь при тепловом пробое

 

Полупроводниковые диоды.

П/п диодом называют прибор с одним P-N-переходом и двумя
выводами.

Полупроводниковые приборы разделяют на 1) точечные; 2) плоскостные.

По способу внесения примесей: 1) сплавные; 2) диффузионные.

Типы диодов:

1. Выпрямительные диоды предназначены для выпрямления переменных токов.

+

-

VD

I пр

U пр

Анод

Катод

U обр

І пр

І обр

U пр

U пр

І пр. max

U обр. max

І ст

ВАХ диода

Основные параметры: I _пр.max; U _пр = (0,5 − 1,5)B;

U _{обр. max}; I _обр; P _pac.max; C _меж.эл; f _пред.

Обозначения: Г − германий, К − кремний, А − арсенид галлия.

2. Кремниевые стабилитроны − для стабилизации напряжения. Исполь­зуется работа при обратной полярности.

+

-

Uобр

Uобр

Іпр

Uпр

І пр. max

Uст » const

DUст

DIст

DIст. min

DIст. max

DUст

 

ВАХ стабилитрона

Основные параметры: U_ст; I_ст.min; I_ст.max. .

− температурный коэффициент напряжения стабилизации (−0,05 ÷ +0,02)% С.

3. Туннельные диоды, в которых используется туннельный эффект (при эл. пробое происходит тоннелирование электронов из зоны P-слоя в зону N-слоя).

+

-

Iпр

Uпр

Iпр

Uпр

Iп max

Iвых

 

ВАХ туннельного диода

На ВАХ есть участок с отрицательным R д.

Основные характеристики I _п, I _п/ I _в. Применяются в генераторах ВЧ колебаний, в импульсных переключателях.

4. Обращенные диоды − разновидность туннельных диодов. Они обладают вентильными свойствами там, где выпрямительные диоды не обладают. I _п − ток пика. При I _обр име­ют наибольшую проводимость.

Iпр

Uпр

0,3 В

Iобр

Iпр = 0 при Uпр £ 0,3 В

Uп

ВАХ обращенного диода

5. Варикапы − полупроводниковые диоды, у которых ёмкость С с увеличением U _обр уменьшается, т.е. это элемент с управляемой емкостью.

Основные параметры: 1) общая емкость С_в при U = 2−5 В.

2) К _с = С _max/ С _min = (5÷20) − коэффициент перекрытия по емкости. Приме­няется в параметрических усилителях, при дистанционном управлении, в системах автоматической подстройки частоты.

-

+

Uобр

Uобр

С

U

 

Характеристика варикапа

 

6. Светодиоды, в которых P-N-переход излучает свечение. Этим свойством обладают п/п на основе карбида кремния, арсенида и фосфида галлия.
При прохождении через P-N-переход I _пр основные носители заряда инжектируют в соседние слои и рекомбинируют в граничных областях. При рекомбинации выделяется квант эл.-магн. энергии (фотон) количество излучаемого света зависит от I _пр. Применяются для контроля работоспособности элект­ронных цепей, индикации (цифровые, буквенные индикаторы).

7. Фотодиоды − используют внутренний фотоэффект.

Может работать в режиме фотогенера­тора, когда внешний источник ЭДС отсут­ствует и при освещении поверхности появляется фото-ЭДС, или в режиме фотопреобразователя, когда U _внеш подано в запирающем направлении;(участок оа) – фото-ЭДС; (участок об) – фотодиода; на участке аб – работа в режиме фотогенератора; на участке бв – работа в режиме фотопреобразователя.

-

+

Iф

R

Iпр

Uпр

а

б

в

 

Схема включения и ВАХ фотодиода

 

Солнечные фотоэлементы (батареи) на космических кораблях имеют η > 20%. Мощность солнечной батареи 200 вт/кг массы, 1кВт/м² поверхности.

Чувствительность интегральная S _I = I _ф/Ф (для германиевых S _I < 20 mA/лм).

 

8) Оптроны − в одном корпусе содержат источник излучения (светодиод) и приемник излучения (фоторезистор, фотодиод и т.д.).

 

фоторезисторный оптрон фотодиодный оптрон

Схемы включения оптронов

Оптроны – быстродействующие реле, элементы связи в электронных цепях, информация передается оптически.

9. Магнитодиод − ВАХ изменяется под воздействием магнитного поля.

10. Тензодиод − ВАХ изменяется под воздействием механических дефор­маций.

11. Высокочастотныей диоды.

12. Импульсные диоды.