Электронно-дырочный переход и его свойства.

-дырочным переходом называется тонкий слой между двумя частями п/проводникового кристалла, в котором одна часть имеет -ную проводимость n–тип, а другая p–тип.

Технология создания p-n перехода может быть различной:  сплавная (сплавные диоды), диффузия одного вещества в другое (диффузионные диоды), эпитаксия - ориентированный рост одного кристалла на поверхности другого (эпитаксиальные диоды) и другие.

По конструкции p-n переход м.б., симметричными и не симметричными, резкими и плавными, плоскостными и точечными и т.д.

Для всех типов переходов основными свойствами является – несимметрическая электропроводность, при которой в одном направлении кристалл пропускает ток, а в другом – нет. Устройство p-n перехода состоит в следующем: одна часть сильно легирована донорной примесью (n-область) имеет  проводимость, другая область легирована акцепторной примесью,  проводимость (p-область). Концентрация  и  в областях существенно отличается.  в n-области стремится проникнуть в p-область, где концентрация  значительно ниже. Аналогично дырки из p-области стремятся в n-область ( слайд 22 ).. В результате встречного движения противоположных зарядов возникает диффузионный ток.  и  перейдя через границу раздела оставляют после себя противоположные знаки, которые препятствуют дальнейшему прохождению диффузионного тока. На границе устанавливается динамическое равновесие, и ток в цепи не проникает.

На границе раздела возникает собственное электрическое поле, направление которого показано на рисунке. Напряжение поля максимально на границе раздела.

Высота потенциального барьера на n-p переходе определяется контактной разностью потенциалов. φ k зависит от концентрации примесей в этих областях. Uk для германия имеет значение: 0, 6÷ 0, 7В, для кремния: 0, 9÷ 1, 2В. Высоту потенциального барьера можно изменить приложением  внешнего  напряжения   к p-n переходу ( слайд 23 ). Если внешнее напряжение не совпадает с внутренним,   высота потенциального барьера уменьшается ( рис.а ). При обратной полярности приложенного напряжения высота потенциального барьера повышается ( рис.б). Если приложенное напряжение равно Uk, то потенциальный барьер исчезает полностью.

Вольтамперная характеристика n-p перехода показана на 24 слайде. Если приложенное напряжение уменьшает потенциальный барьер, то оно называется прямым, если увеличивает – обратным.

Обратный ток в p-n переходе вызывается не основными носителями одной из областей, которые диффундируют в электрическом поле и попадают в область, где они уже являются основными носителями.

Т.к. концентрация основных носителей существенно превышает не основных носителей, то появление незначительного количества дополнительных основных носителей практически не изменит равновесного состояния полупроводника. Т.о. обратный ток зависит только от количества не основных носителей. Обратный ток является током проводимости и не зависит от высоты потенциального барьера и остается постоянным при изменении обратного напряжения. Is – ток насыщения. При прямом смещении p-n перехода появляется диффузионный ток, вызванный диффузией основных носителей. Пройдя p-n переход, эти носители становятся уже не основными. Концентрация не основных носителей может, существенно возрасти по сравнению с равновесной концентрацией. Такое явление называется инжекция носителей. Т.о. при протекании прямого тока из n-области в р-область будет происходить инжекция , а из р-области в n-область – инжекция дырок. Кроме диффузионного тока, прямой ток содержит ток проводимости, протекающий в противоположном направлении  полный ток при прямом смещении равен разности диффузионного тока и тока проводимости. Предельное значение прямого напряжения не превышает контактной разности потенциалов. Обратное напряжение ограничивает пробоем p-n перехода, т.е. пробой p-n перехода возникает за счет лавинного размножения не основных носителей и называется лавинным пробоем.

П/проводниковый p-n переход имеет емкость ( слайд 25 ), которая в общем случае определяется как отношение приращения заряда к приращению падения напряжения: . Емкость зависит от значения и полярности внешнего приложенного напряжения. При обратном напряжении при переходе эта емкость называется – барьерной.

ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ДИОД (ППД)

ППД – прибор, который имеет два вывода и содержит один или несколько p-n перехода. Все п/п диоды можно разделить на 2 группы:

1. Выпрямительные

2. Специальные

Выпрямительный диод необходим для выпрямления переменного тока. В зависимости от частоты и формы переменного напряжения они делятся на: высокочастотные, низкочастотные и импульсные.

Специальные диоды используют различные свойства p-n переходов: явление пробоя, барьерную емкость, наличие участков с “-” сопротивлением и т.д.

Конструктивно выпрямительные п/п диоды делятся на: плоскостные и точечные, а по технологии изготовления на сплавные, диффузионные, эпитаксиальные (наращивание одного слоя на другом).

Плоскостные диоды благодаря большой площади p-n перехода используются для выпрямления больших токов, точечные имеют малую площадь p-n перехода и предназначены для выпрямления малых токов. Выпрямительные диоды большой емкости называются силовыми. Материалом для таких диодов обычно служит кремний или арсенид. Германий практически не применяется из-за сильной температурной зависимости обратного тока. Кремниевые диоды могут быть использованы для выпрямления переменного тока с частотой до 500кГц.

Условное графическое изображение диода:   (слайд 26) Электрод, подключенный, к области p называется анодом, соответственно к n – катодом. Вольтамперная характеристика диода похожа на характеристику p-n перехода.

СПЕЦИАЛЬНЫЕ ТИПЫ П/П ДИОДОВ

К специальным п/п диодам относятся приборы, в которых используется особые свойства p-n перехода:

1. управляемая п/п емкость - варикап;

2. лавинный пробой – стабилитроны;

3. туннельный эффект – туннельные диоды (обращенные);

4. фотоэффект – фотодиоды;

5. фотонная рекомбинация – светодиоды;

по способу изготовления: многослойные – динисторы, диоды с 3-мя выводами – тиристоры.

ВАРИКАПЫ

Варикапы - это  п/п проводниковые диоды ( слайд 27 ), в которых используется барьерная  емкость p-n перехода. Эта емкость зависит от приложенного к диоду обратного напряжения и с увеличением его уменьшается. Варикап характеризуется вольт-фарадной характеристикой ( слайд 28 ).

С, пФ

U обр, В

                                    

                                                                  Условно графическое изображение в схемах:

 

Основными параметрами варикапа являются:

- начальная емкость С₀

- добротность Q_c определяется отношением реактивной мощности Q к мощности Р. ( слайд 29 )

- коэффициент перекрытия по емкости K_c определяется, как отношение максимальной емкости к минимальной. ( слайд 30 )

  Кроме этого часто указывается температурный коэффициент емкости варикапа: и также предельную частоту f_пред.

Добротность варикапа увеличивается с увеличением обратного напряжения и с уменьшением рабочей частоты ( слайд 31 ).

Для варикапов из арсенида галлия оптимальная частота составляет 1кГц, а для кремниевых варикапов она достигает 1МГц.

Варикапы находят применение в различных электронных схемах:

- перестраиваемых резонансных контуров

- генераторов с электрической настройкой

- модуляторах

- параметрических усилителях и генераторах и т.д.

СТАБИЛИТРОНЫ

Стабилитроны – это п/п приборы, работающие в режиме лавинного пробоя ( слайд 32 ).          

 

При обратном смещении п/п диода возникает электрически лавинный пробой p-n перехода. При этом в широком диапазоне изменения тока через диод, напряжение на нем меняется очень незначительно.

 Напряжение стабилизации зависит также от температуры. Иногда для стабилизации напряжения используют                                  прямое падение напряжения на диоде. Такие приборы наз. стабисторы. В отличие от стабилитронов в области прямого смещения p-n перехода, напряжение на нем от 0, 7÷ 2В и мало зависит от тока. В связи с этим стабисторы позволяют стабилизировать только малые напряжения.

Основные параметры стабилитрона являются( слайд 33 ):

-напряжение стабилизации U_ст.

-допустимый ток через стабилитрон

                      -дифференциальное сопротивление стабилитрона ( слайд 34 )

 

При достижении тока I_max стабилитрон как обычный диод выйдет из строя (20мА). Дифференциальное сопротивление r_ст – это параметр, который характеризует наклон вольтамперной характеристики в области пробоя.  

 Кроме стабилизации напряжения стабилитроны также используются для ограничения импульсов напряжения и в схемах защиты различных элементов от повышения напряжения на них.

ТУНЕЛЬНЫЕ ДИОДЫ

Туннельным наз. п/п диод, в котором используется туннельный механизм переноса носителей заряда через р-п переход и в характеристике которого имеется область отрицательного дифференциального сопротивления (слайд 35).

Туннельный эффект заключается в туннельном прохождении тока через p-n переход. При этом ток начинает проходить через переход при напряжении, значительно меньшем   контактной разности потенциалов φ _к.

                                                 

                                                                                             Условное обозначение:

Достигается туннельный эффект созданием очень тонкого обедненного слоя (до 0, 01 микрона) и высокой концентрацией основных носителей в обеих областях (до 10²¹ на см³)(в обычных п/п 10¹⁵). Полупроводники с таким высоким содержанием примесей называются вырожденными, а их свойства очень близки к свойствам металлов. Основные носители проходят узкий р-п переход, практически не теряя своей энергии. При этом через p-n переход проходит достаточно большой ток.

ВАХ ( слайд 36 ). Ток в начале растет до I_max при напряжении U₁, а затем довольно резко убывает до I_min при напряжении U₂. Снижение тока связано с тем, что с ростом напряжения в прямом смещении уменьшается число  способных совершить туннельный переход. При подаче напряжения > U₂ оставшиеся  переходят через переход, увеличивая ток. Прямое смещение ограничено контактной разностью потенциалов.

Как видно из графика на спадающем участке ВАХ “+” приращению напряжения, соответствует “-” приращение тока Þ отрицательное сопротивление (отрицательная проводимость).

ФОТОДИОД

Фотодиод – представляет собой диод с открытым p-n переходом ( слайд 37 ), обратный ток которого зависит от освещенности. Световой поток, падающий на открытый p-n переход, приводит к появлению дополнительных электронов и дырок, вследствие чего увеличивается переход неосновных носителей заряда: электронов из р-области в п-область и дырок в обратном направлении. Это приводит к увеличению обратного тока в цепи ( слайд 38 ).

При отсутствии светового потока через фотодиод протекает темновой ток I_Т и ВАХ похожа на ВАХ обычного диода.

Без включения нагрузки  фотодиод может работать в двух режимах:

- холостого хода

- короткого замыкания

В режиме К3 напряжение на диоде U=0, а ток в диоде равен фототоку I_кз. В режиме К3 соблюдается прямая пропорциональность между током и световым потоком.

В режиме ХХ тока в диоде нет, а напряжение холостого хода U_xx соответствует разности потенциалов или фотоЭДС. ФотоЭДС = U_xx и не может превышать φ _k. Для кремниевых фотодиодов менее 0, 7В.

Фотодиоды находят применение как приемники оптического излучения: фотоэлементы, фоторезисторы, фотореле и т.д. Основными характеристиками фотодиодов является: диапазон длин волн принимаемого излучения, интегральная чувствительность, и т.д.

⇐ Предыдущая1234567Следующая ⇒

Поделиться: