Прямое включение р-n-перехода.

Если “+” источника напряжения подключить к области р-типа, а “ – “ к области n-типа, то получим включение, которое называется прямым включением.

Электрическое поле источника, напряженностью Е_u, направлено на встречу контактному полю напряженностью Е. Тогда результирующая напряженность выразиться:

Е_пр=Е-Е_u

Уменьшение напряженности электрического поля р-n-перехода вызывает понижение высоты потенциального барьера, назначение прямого напряжения Е_u (Е источника)

Уменьшение высоты потенциального барьера, приводит к тому что увеличивается число основных носителей заряда через р-n-переход, тоесть увеличивается диффузионный ток. Даже небольшое напряжение,приложенное к р-n-переходу вызывает большой ток,так как потенциальный барьер невелик (0.35 В для германия;0.6 В для кремния)

В результате действия внешнего поля, в прямом направлении в область р-n-перехода происходит перераспределение концентрации носителей зарядов, дырки р-области и электроны n-области диффундируют в глубь р-n-перехода и рекомбинируют там. Ширина перехода при этом уменьшается, вследствие чего снижается сопротивление запирающего слоя.

Обратное включение р-n-перехода.

Электрическое поле источника напряженностью E_u, направлено в ту же сторону, что и контактное поле p-n-перехода, напряженностью E. Поэтому напряженность результирующего поля в переходе равна:

E_обр=E+E_u

Увеличение напряжения электрического поля в p-n-переходе повышает потенциальный барьер, назначение обратного напряжения источника. Это в свою очередь приводит к уменьшению числа основных носителей заряда, способных преодолеть потенциальный барьер, т.е. к снижению диффузионного тока.

Вольт-амперная характеристика р-n перехода.

Зависимость тока через p-n-переход, от приложенного к нему напряжения I=f(U), называется вольт-амперной характеристикой p-n-перехода.

Семейство вольт-амперных

характеристик:

 

 

 

Обратный ток, обычно, на несколько порядков меньше прямого, поэтому p-n-переход обладает свойством односторонней проводимости. При повышении температуры, прямой ток через p-n-переход, увеличивается, но так как он зависит от концентрации основных носителей заряда, которое растет незначительно, то это увеличение незначительно. На обратный ток повышение температуры влияет существенно, поскольку он зависит от концентрации неосновных носителей заряда, которое при повышении температуры экспотенциально возрастает.

Пробой р-n перехода.

Резкое возрастание обратного тока, возникающее даже при незначительном увеличении обратного напряжения сверх определенного значения называется пробоем р-n-перехода.

Инжекция -(впрыскивание) при прямом смещении потенциальный барьер понижается,и через него основные носители заряда перемещаются в смежную область, где они являются неосновными.

Экстракция -под действием поля р-n-перехода не основные для данной области носители заряда, перемещаются через р-n-переход в соседнюю область. Процесс выведения неосновных носителей заряда, через переход, под воздействием поля этого перехода при подключении р-n-перехода к источнику внешнего напряжения, это называется экстракцией (извлечение).

Эмиттер -область, из которой инжектируются носители заряда (низкоомная область).

База -область, в которую инжектируются носители заряда, и где они являются неосновными (высокоомная область).

В полупроводниках из-за различной концентрации примесей, различная концентрация носителей заряда. Отсюда различают низкоомную и высокоомную области. Как правило, преобладает инжекция из низкоомной области называемая эмиттером, а высокоомная - базой.

Пробой может быть:

- электрическим - при котором р-n-переход не разрушается и сохраняет работоспособность.

- тепловым - при котором разрушается кристаллическая структура полупроводника.

Электрический пробой связан со значительным увеличением напряженности электрического поля в р-n-переходе.

Существует 2 типа электрического пробоя:

1) Туннельный пробой - наблюдается в полупроводниках с узким р-n-переходом (обеспечивается высокой концентрацией примеси), он связан с туннельным эффектом, это когдапод воздействием очень сильного поля носители заряда могут переходить из одной области в другую без затрат энергии (туннелировать через р-n-переход). Туннельный пробой наблюдается при обратном напряжении в несколько Вольт (до 10 В).

2) Лавинный пробой - наблюдается в полупроводниках с широким р-n-переходом. В сильном электрическом поле может возникнуть ударная ионизация атомов р-n- перехода. Носители заряда на длине свободного пробега приобретают кинетическую энергию (в том случае если потенциальная энергия переходит в кинетическую), достаточную для того чтобы при столкновении с атомами кристаллической решетки полупроводника, выбить из ковалентной связи электроны. Образовавшаяся при этом пара электрон-дырка тоже принимает участие в ударной ионизации. Процесс нарастает лавинообразно и приводит к значительному увеличению обратного тока. Напряжение лавинного пробоя десятки и сотни Вольт

Тепловой пробой возникает тогда когда мощность, выделяемая в р-n-переходе, при прохождении через него обратного тока, превышает ту которую он может рассеять. Происходит значительный перегрев перехода, обратный ток, являющийся тепловым, резко возрастает, что приводит к еще большему перегреву перехода, происходит лавинообразное увеличение тока, в результате возникает тепловой пробой р-n-перехода.

Полупроводниковые диоды

Полупроводниковым диодом называют полупроводниковый прибор с одним электрическим переходом и двумя омическими контактами, к которым присоединяются два выхода.

p-n переход

 

Вывод вывод

Омическими контактами – называется контакт металла с полупроводником не обладающий выпрямляющими свойствами.

- обозначение диода на принциповой схеме.

 

Электрический переход образуется между двумя полупроводниками с разным типом примесной электропроводимости.

Низкоомная область – эмиттер.

Высокоомная область – база.

Диоды классифицируются

1. По основному полупроводниковому материалу:

- кремневые

- германиевые

- арсенид галлиевые

 

2. По физической природе процесса:

- туннельные диоды

- фотодиоды

- светодиоды

и тд.

 

3. По назначению:

- выпрямительные

- импульсивные

- варикапы

- стабилитроны

 

4. По технологии изготовления электрического перехода:

- сплавные

- диффузионные

5. По типу электрического перехода:

- точечные

- плоскостные

Точечные диоды

Имеют очень малую площадь электрического перехода. Линейные размеры площади меньше p-n перехода, благодаря этому их ёмкость очень мала и составляет доли пФ. Применяют их для выпрямления тока высокой частоты и в импульсных схемах, всё это при очень малых токах из-за небольшой площади (токи 10-20 мА).

 

Плоскостные диоды

Имеют плоский электрический переход. Линейные размеры его значительно больше ширины p-n перехода (до нескольких десятков кв.см). Из-за большой барьерной емкости p-n перехода эти диоды применяются на частотах до 10 кГц. Они бывают:

- средней мощности до 1А и до 600 В;

-большой мощности до 2000 А.

 

Выпрямительные диоды

В этих диодах главным параметром – использование односторонней проводимости p-n перехода. И его качество (p-n перехода), зависит от того, насколько мал обратный ток.

Вольт-амперные характеристики реальных диодов очень напоминают

характеристики

p-n перехода.

 

 

 

 

Отличая вызваны родом полупроводника, температурой p-n перехода.

 

 

Простейшая схема однополупериодного выпрямителя:

 

 

 

 

 

Импульсные диоды

 

Они предназначены для работы в импульсных схемах. В импульсных режимах через промежутки времени, равные единице микросекунд (мкс), диоды переключаются с прямого на обратный. При этом, каждое новое состояние диода не может установиться мгновенно, поэтому важное значение приобретают так называемые переходные процессы.

 

 

 

 

время tвос (время восcтоновления) в течение которого обратный ток изменяется от max до установившегося называется временем восстановления обратного сопротивления (или тока) диода.

Это важный параметр импульсных диодов, обычно tвос меньше десятых долей мкс.

Туннельные диоды.

Туннельным диодом называется полупроводниковый диод,сконструированный на основе полупроводника с большим содержанием примеси, в котором при обратном и небольшом прямом напряжении возникает туннельный эффект, и вольт-амперная характеристика имеет участок с отрицательным дифференциальным сопротивлением.

rдиф=dU/dI

обозначается:

Вольт – амперная

характеристика

 

 

Обратный ток туннельного диода во много раз больше чем у других диодов, поэтому они не обладают вентильным свойством. Туннельный диод обладает усилительным свойством, и может работать в схемах на участках аб как активный элемент.

 

 

 

Величиной тока I_0, изменяя сопротивление R_1, мы попадаем на участок первого перегиба вольт-амперной характеристики. Выходное напряжение при этом будет равняться:

U_вых=Е-I₀R₁.

Подавая переменный сигнал на вход усилителя через резистор R₂, мы изменяем ток через туннельный диод на величины:

I₀-1; I₀+1;

При увеличении тока I₀+i мы попадаем на участок характеристики соответствующий напряжению U_3,имеющий значительно большее значение напряжений. Таким образом, схема имеет усилительные свойства соответствующие ключевому режиму.

Диоды Шоттки.

Потенциальный барьер, полученный на контакте металл - полупроводник называется барьером Шоттки, а диоды на его основе - диодами Шоттки.

Условное обозначение:

 

Образованный на границе между металлом-полупроводником слой, располагается в полупроводнике у границы с металлом. Этот слой является запирающим, и обладает выпрямляющим свойством. В таком контакте можно обеспечить малую барьерную емкость, что позволяет создать диоды и транзисторы с идеальными характеристиками для роботы в импульсных схемах.

 

Стабилитроны.

Принцип роботы этих диодов основан на том, что при обратном напряжении на р-n-переходе, в области электрического пробоя, напряжение на нем изменяется незначительно, при значительном изменении тока.

Условное обозначение:

 

 

Вольт-амперная характеристика

 

Стабилитроны предназначены для стабилизации напряжения,и используются в параметрических стабилизаторах, в качестве источника опорных напряжений,в схемах ограничения Дьюдеса. Напряжение стабилизации (пробойное напряжение) является для этих диодов рабочим.

 

 

Схема простейшего параметрического стабилизатора.

R_б - балластное

R_н - нагрузки

Напряжение на R_н, не может превысить напряжение пробоя стабилитрона, так как он подключен к нему параллельно. Избыток напряжения гасится на резисторе R_б

_. Основные параметры стабилитрона.

Напряжение стабилизации: от3 до 400 В.

Максимальный ток от десятков до сотен мА

Дифференциальное сопротивление: rэ=DUст/DIст

 

ВАРИКАПЫ.

Условное обозначение:

 

Диоды в которых использовано свойство р-n-перехода, изменяют барьерную емкость при изменении обратного напряжения. Варикап можно рассматривать как конденсатор с электронным управлением емкостью.

 

Вольт-фарадная характеристика.

 

Показывает зависимость емкости конденсатора от приложенного к нему напряжения.