Файл: 1. Контактные явления в полупроводниковых приборах, p n переход, виды полупроводниковых диодов 3.docx

Навигация

1. Контактные явления в полупроводниковых приборах, p­ ­– n переход, виды полупроводниковых диодов

«Чистые» полупроводники в электронике применяются редко. В основном применяют «примесные» полупроводники и используют специфические явления, возникающие на границе раздела между полупроводниками

---

р-типа и n-типа (эту границу называют р-п переходом).

Характерной особенностью р-n перехода является резко выраженная зависимость его электрической проводимости от полярности приложен­ного к нему внешнего напряжения, чего не бывает в полупроводнике одной проводимости.

Вследствие разности концентраций свободных дырок и электронов по обе стороны границы раздела полупроводников из полупроводника p-типа часть дырок диффундирует в полупроводник n-типа, а из полупроводника n- типа часть электронов диффундирует в полупроводник p-типа, полностью рекомбинируя между собой. В результате вдоль границы раздела полупроводников возникают слои неподвижных отрицательных и положительных ионов. Возникающее между этими слоями электрическое поле препятствует дальнейшей диффузии свободных дырок и электронов через границу раздела. При некотором значении напряженности электрического поля в р-п переходе диффузия через границу раздела полностью прекращается. Контактная разность потенциалов на р-п переходе называется высотой потенциального барьера. Высота потенциального барьера для германия и кремния составляет примерно 0,25 В и 0,55 В соответственно.

Между слоями концентрация подвижных носителей заряда (электронов и дырок) мала, и эта область имеет большое удельное сопротивление.

В том случае, когда положительный полюс внешнего источника напряжения приложен к полупроводнику /p-типа, а отрицательный - к полупроводнику n-типа (прямое направление), внешнее напряжение уменьшает контактную разность потенциалов. При внешнем напряжении, превышающем величину потенциального барьера, сопротивление перехода мало и поступающие от внешнего источника в n-область электроны создают электрический ток, величина которого зависит от приложенного внешнего напряжения.

При противоположном включении внешнего источника напряжения (в обратном направлении) электроны и дырки будут двигаться в направлении от р-п перехода, что приводит к еще большему увеличению потенциального барьера, и как следствие, к возрастанию его сопротивления. Ток через переход (называемый обратным током) будет чрезвычайно мал.

Величины токов в прямом и обратном направлениях могут различаться в десятки и сотни раз. На рис. 57 приведена примерная ВАХ германиевого р-n перехода.

Обращает на себя внимание тот факт, что зависимость тока от величины напряжения не является линейной. Резкое увеличение тока в обратном направлении при большом запирающем напряжении может указывать на ухудшение электрической прочности перехода (лавинный или тепловой пробой). В свою очередь, крутой загиб вверх ветви прямого тока предупреждает об

---

опасности чрезмерного роста тока через переход, что может привести к его разрушению. Поэтому в справочной литературе для р-п переходов полупроводниковых приборов указывается предельное значение обратного напряжения и прямого тока.




Рис. 57. Вольт-амперная характеристика p-n перехода



Использование свойств р-n перехода лежит в основе работы различных видов полупроводниковых приборов, простейшим из которых является полупроводниковый диод.

Полупроводниковым диодом или просто диодом называют прибор с двумя выводами, содержащий один р-п переход. На практике чаще всего встречаются германиевые и кремниевые диоды. Данные об основных типах, обозначениях и основных характеристиках диодов содержатся в специальной справочной литературе. Условное изображение и ВАХ некоторых видов диодов, которые будут встречаться в дальнейшем, приведены на рис. 58.

Выпрямительные диоды (рис. 58, а) предназначены для односторон­него пропускания тока в прямом направлении. Считают, что диод включен в прямом направлении, когда к аноду подключен положитель­ный, а к катоду - отрицательный полюс источника питания.

Основными параметрами выпрямительных диодов являются:

• 
  максимальный прямой ток /_тах - самый большой ток, который может длительное время проходить через диод не повреждая его;
  
• 
  максимальное обратное напряжение U_{o6p max} - наибольшее значе­ние напряжения, которое диод может выдерживать длительное время без пробоя;
  
• 
  обратный ток - это ток диода, когда к нему приложено обратное напряжение.
  

Выпрямительные диоды в зависимости от типа и конструкции рассчитаны на прямой ток от долей до десятков ампер и обратное напряжение от десятков до нескольких тысяч вольт.

Стабилизирующие диоды или стабилитроны (рис. 58, б) предназна­чены для стабилизации напряжения в различных узлах электронных устройств. Характерной особенностью стабилитронов является то, что обратная ветвь их ВАХ имеет очень крутое падение (лавинный пробой), причем величина обратного напряжения, при котором наблюдается это явление, достаточно стабильна. Основными параметрами стабилитрона являются напряжение стабилизации U

---

_cma6, а также минимальный и максимальный ток через переход в режиме стабилизации. Величина U_спшв различных видов диодов может находиться в пределах от нескольких единиц до нескольких сотен вольт, а ток от десятков миллиампер до нескольких ампер.

Варикапы (рис. 58, в) представляют собой диоды, у которых резко выражена зависимость емкости р-п перехода от величины обратного напряжения.

Вообще любой электронно-дырочный переход, к которому приложено обратное напряжение, обладает свойствами конденсатора. При этом роль диэлектрика играет сам р-п переход, а роль обкладок - прилежащие слои полупроводника с электрическими зарядами разного знака - электронами и дырками. Изменяя напряжение, приложенное к р-п переходу, можно изменять его толщину, а, следовательно, и емкость. В варикапах зависимость емкости перехода от обратного напряжения проявляется особенно сильно. Основными параметрами варикапов являются величина емкости диода и обратное напряжение смещения.

Ф отодиоды представляют собой полупроводниковые приборы, у которых под действием излучения в области р-п перехода происходит генерация пар электрон-дырка. Эта генерация приводит к увеличению обратного тока диода при наличии обратного напряжения.









Р ис. 58. Характеристики диодов

Вольт-амперная характеристика фотодиода при различном световом потоке Ф показана на рис. 58, г. Если световой поток равен нулю, то его ВАХ практически не отличается от ВАХ обычного диода.

2.   1   2   3   4   5   6   7   8   9   ...   14

---

Устройство биполярного транзистора, его характеристики и схемы включения

Биполярный транзистор - это полупроводниковый прибор с двумя р-п переходами, имеющий три вывода. Действие биполярного транзистора основано на использовании носителей заряда обоих знаков (дырок и электронов), а управление протекающим через него током осуществляется с помощью некоторого управляющего тока. Его структура и условное графическое изображение показаны на рис. 60.

Средний слой и соответствующий вывод называют базой (б), один из крайних слоев называется эмиттером (э), а другой крайний слой и соответствующий вывод - коллектором (к). Во время работы транзистора его эмиттер вводит (эмиттирует) в базу дырки (в транзисторе структуры р-п-р) или электроны (в транзисторе структуры п-р-п), а коллектор собирает эти электрические заряды.



Рис. 60. Структура и условное обозначение транзистора

Технологически транзистор изготавливают таким образом, чтобы концентрация атомов примеси (для транзисторов структуры п-р-п - свободных электронов) в эмиттере была велика по сравнению с концентрацией атомов примеси (дырок) в базе.

Чаще всего начальное смещение на электроды транзистора подают таким образом, чтобы эмиттерный переход был включен в прямом, а коллекторный - в обратном направлении. При этом напряжение на эмиттерном переходе для германиевого транзистора должно быть больше 0,25 В и кремниевого - больше 0,55 В, а на коллекторном переходе - не менее нескольких вольт. Тогда через эмиттерный переход потечет ток 1_}, который будет обеспечиваться главным образом инжекцией электронов из эмиттера в базу.

Из-за малой толщины базы почти все электроны, пройдя базу, через так называемое время пролета достигают коллектора. Только малая доля электронов рекомбинирует в базе с дырками (в силу существенной разницы в концентрации свободных зарядов в эмиттере и базе). Убыль этих дырок компенсируется протеканием тока базы 1_б. Ясно, что 1_б«1_э.

Обратное смещение коллекторного перехода способствует тому, что электроны, подошедшие к нему, захватываются электрическим полем перехода и переносятся в коллектор. В тоже время это поле препятствует переходу электронов из коллектора в базу. Описанный процесс иллюст­рирует рис. 61.

---