Файл: 2воп. При подаче на pnпереход переменного напряжения проявляются емкостные свойства.docx
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 11.01.2024
Просмотров: 47
Скачиваний: 1
ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.
.
Закон диффузии выводится из молекулярно-кинетической теории. Запишем его без вывода:
, (15.8)
где
‑ масса вещества, переносимого через площадку площадью S; D – коэффициент диффузии; 
‑ градиент плотности; 
‑ время диффузии.
Таким образом, масса продиффундированного вещества пропорциональна градиенту плотности, площади площадки S, через которую происходит диффузия, и времени диффузии. Введя плотность потока массы
‑ величину, определяемую массой вещества, диффундирующего в единицу времени через единичную площадку, перпендикулярную от x, получим закон диффузии – закон Фика:
. (15.9)
Закон диффузии справедлив как для газов, так и для жидкостей. Знак минус в выражении (15.9) указывает на то, что диффузия происходит в направлении уменьшения плотности вещества.
Для газов коэффициенты диффузии связан со средней длиной свободного пробега
и средней скоростью 
теплового движения молекул соотношением
В дырочном полупроводнике в равновесном состоянии скорость тепловой генерации равна скорости рекомбинации:
R=G=γnppp,
где γ-коэффициент рекомбинации.
При инжекции в дырочный полупроводник электронов в нем практически мгновенно происходит увеличение концентрации электронов и дырок. Они становятся равными
n=np+nизб.р
p=pp+pизб.р.
Это ведет к увеличению скорости рекомбинации, она становится равной R1=γ(np+nизб)(pp+pизб). Соответственно увеличивается скорость возникновения носителей заряда G1
. Они теперь появляются не только за счет тепловой генерации, но и за счет инжекции. Если инжекция происходит непрерывно, то полная концентрация электронов и дырок с течением времени сохраняется постоянной, то есть, выполняется условиеG1=R1. При этом с увеличением концентрации дырок можно не считаться, поскольку избыточная концентрация дырок во много раз меньше их равновесной концентрации. После прекращения инжекции скорость рекомбинации останется прежней, так как избыточные носители заряда не могут исчезнуть мгновенно, а скорость возникновения носителей заряда становится равнойG, так как теперь они появляются только за счет тепловой генерации. Следовательно, будет выполняться условиеR1>G, в результате чего концентрации электронов и дырок начнут уменьшаться. Учтем, что равновесные концентрации электронов и дырок с течением времени не меняются. Следовательно, можно рассматривать только скорость изменения концентрации неравновесных носителей заряда, которая пропорциональна разности скоростей рекомбинации и генерации. Избыточная концентрация электронов изменяется со скоростью
Вследствие условия электрической нейтральности с такой же скоростью происходит изменение избыточной концентрации дырок.
Считая nизб(t) ≈pизб(t), получаем:
, (6.1)
где np— вероятность рекомбинации дырки;
pp— вероятность рекомбинации электрона.
Величина, обратная вероятности рекомбинации, есть не что иное, как время жизни избыточных носителей заряда. Следовательно,
. (6.2)
Результирующее время жизни определяется соотношением
(6.3)
Тогда скорость рекомбинации можно записать следующим образом:
. (6.4)
Решая полученное уравнение относительно nизб(t), получаем:
, (6.5)
где nизб(t0) —величина избыточной концентрации в момент прекращения инжекции.
Из уравнения (6.57) следует, что время жизни избыточных носителей зарядаравно интервалу времени, в течение которого избыточная концентрация уменьшается вeраз (е=2,73). Аналогичным образом изменяется избыточная концентрация дырок.
В электронном полупроводнике nn>>pn, следовательно,p; в дырочном полупроводникеpp>>np, следовательно,. Значит, время жизни избыточных (неравновесных) носителей
заряда определяется временем жизни неосновных носителей заряда.
2воп. Рассмотрим структуру биполярных плоскостных транзисторов, у которых оба перехода - плоскостные. Упрощенные структуры плоскостных p-n-p и n-p-n типов показаны на рис.5.1.
Биполярный транзистор имеет области: эмиттер, база и коллектор – два p-n-перехода. Эмиттерный переход (на границе областей эмиттер-база) и коллекторный (на границе областей база-коллектор). Базовая область (база Б) – область, в которую инжектируются неосновные для этой области носители заряда. Эмиттерная область (эмиттер Э) – область, назначение которой – инжекция носителей в базовую область. Коллекторная область (коллектор К) предназначена для экстракции носителей из базовой области. Принцип работы транзисторов p-n-p и n-p-n-типов одинаков, но в транзисторе со структурой типа p-n-p основной ток, текущий через базу, создается дырками, инжектируемыми из эмиттера, а в транзисторах со структурой n-p-n-типа - электронами.
Рис.5.1. Схематическое изображение биполярного плоскостного транзистора и его условное изображение: а) p-n-p-типа; б) n-p-n-типа; в) распределение концентраций основных носителей заряда вдоль структуры транзистора в равновесном состоянии; W- толщина базы
На условных обозначениях эмиттер изображается в виде стрелки, которая указывает прямое направление тока эмиттерного перехода (т.е. от «плюса» к «минусу»).
Если бы эмиттерный и коллекторный переходы находились на большом расстоянии друг от друга, т.е. толщина базы W была бы значительно больше диффузионной длины неосновных носителей в базе, то носители, инжектируемые эмиттером, не доходили бы до коллектора, т.к. рекомбинировали бы в базе. В этом случае каждый из переходов можно рассматривать в отдельности, не учитывая их взаимодействия, причем вольт-амперная характеристика эмиттерного перехода представляла бы прямую ветвь характеристики диода, а коллекторного перехода - обратную ветвь.
Основная особенность биполярного транзистора заключается во взаимном влиянии переходов друг на друга. В биполярных плоскостных транзисторах для эффективного влияния эмиттерного перехода на коллекторный необходимо выполнение следующих требований:
1. Толщина базы транзистора W должна быть много меньше диффузионной длины инжектируемых в нее носителей Lб, т.е. W= 1,5 - 25 мкм < Lб.
2. Концентрация основных носителей в базе должна быть много меньше концентрации основных носителей в области эмиттера.
3. Концентрация основных носителей в области коллектора должна быть несколько меньшей, чем в области эмиттера.
4. Площадь коллекторного перехода должна быть в несколько раз больше площади эмиттерного перехода.
9билет. Соотношение Эйнштейна позволяет связать параметры дрейфового и диффузионного движения:
Где
D - коэффициент диффузии;
μ - подвижность частиц;
φT - температурный потенциал;
Данные соотношения строго выполняются только для невырожденных полупроводников.
Соотношение Эйнштейна имеет простой физический смысл: независимо от причины, вызвавшей направленное движение, свободные носители встречают на своем пути одни и те же неоднородности (препятствия), при взаимодействии с которыми происходит рассеяние. Поэтому между основными параметрами дрейфового и диффузионного движений μ и D существует некая пропорциональность. Коэффициент пропорциональности φ=kT/q имеет размерность потенциала (вольт) и называется тепловым потенциалом.
2воп. 2.2 Принцип работы биполярного транзистора
Принцип работы транзистора заключается в том, что прямое напряжение эмиттерного перехода, то есть участка база – эмиттер (uб-э), существенно влияет на токи эмиттера и коллектора: чем больше это напряжение, тем больше токи эмиттера и коллектора.
10билет. Электронно-дырочный переход (или n–p-переход) – это область контакта двух полупроводников с разными типами проводимости. В полупроводнике n-типа основными носителями свободного заряда являются электроны; их концентрация значительно превышает концентрацию дырок (nn » np).
2воп. Биполя́рный транзи́стор — трёхэлектродный полупроводниковый прибор, один из типов транзисторов. В полупроводниковой структуре сформированы два p-n-перехода, перенос заряда через которые осуществляется носителями двух полярностей — электронами и дырками. Именно поэтому прибор получил название «биполярный», в отличие от полевого (униполярного) транзистора.
Закон диффузии выводится из молекулярно-кинетической теории. Запишем его без вывода:
, (15.8)где
‑ масса вещества, переносимого через площадку площадью S; D – коэффициент диффузии; ‑ градиент плотности; ‑ время диффузии.Таким образом, масса продиффундированного вещества пропорциональна градиенту плотности, площади площадки S, через которую происходит диффузия, и времени диффузии. Введя плотность потока массы
‑ величину, определяемую массой вещества, диффундирующего в единицу времени через единичную площадку, перпендикулярную от x, получим закон диффузии – закон Фика: . (15.9)Закон диффузии справедлив как для газов, так и для жидкостей. Знак минус в выражении (15.9) указывает на то, что диффузия происходит в направлении уменьшения плотности вещества.
Для газов коэффициенты диффузии связан со средней длиной свободного пробега
и средней скоростью теплового движения молекул соотношениемВ дырочном полупроводнике в равновесном состоянии скорость тепловой генерации равна скорости рекомбинации:
R=G=γnppp,
где γ-коэффициент рекомбинации.
При инжекции в дырочный полупроводник электронов в нем практически мгновенно происходит увеличение концентрации электронов и дырок. Они становятся равными
n=np+nизб.р
p=pp+pизб.р.
Это ведет к увеличению скорости рекомбинации, она становится равной R1=γ(np+nизб)(pp+pизб). Соответственно увеличивается скорость возникновения носителей заряда G1
. Они теперь появляются не только за счет тепловой генерации, но и за счет инжекции. Если инжекция происходит непрерывно, то полная концентрация электронов и дырок с течением времени сохраняется постоянной, то есть, выполняется условиеG1=R1. При этом с увеличением концентрации дырок можно не считаться, поскольку избыточная концентрация дырок во много раз меньше их равновесной концентрации. После прекращения инжекции скорость рекомбинации останется прежней, так как избыточные носители заряда не могут исчезнуть мгновенно, а скорость возникновения носителей заряда становится равнойG, так как теперь они появляются только за счет тепловой генерации. Следовательно, будет выполняться условиеR1>G, в результате чего концентрации электронов и дырок начнут уменьшаться. Учтем, что равновесные концентрации электронов и дырок с течением времени не меняются. Следовательно, можно рассматривать только скорость изменения концентрации неравновесных носителей заряда, которая пропорциональна разности скоростей рекомбинации и генерации. Избыточная концентрация электронов изменяется со скоростью
Вследствие условия электрической нейтральности с такой же скоростью происходит изменение избыточной концентрации дырок.
Считая nизб(t) ≈pизб(t), получаем:
, (6.1)где np— вероятность рекомбинации дырки;
pp— вероятность рекомбинации электрона.
Величина, обратная вероятности рекомбинации, есть не что иное, как время жизни избыточных носителей заряда. Следовательно,
. (6.2)Результирующее время жизни определяется соотношением
(6.3)Тогда скорость рекомбинации можно записать следующим образом:
. (6.4)Решая полученное уравнение относительно nизб(t), получаем:
, (6.5)
где nизб(t0) —величина избыточной концентрации в момент прекращения инжекции.
Из уравнения (6.57) следует, что время жизни избыточных носителей зарядаравно интервалу времени, в течение которого избыточная концентрация уменьшается вeраз (е=2,73). Аналогичным образом изменяется избыточная концентрация дырок.
В электронном полупроводнике nn>>pn, следовательно,p; в дырочном полупроводникеpp>>np, следовательно,. Значит, время жизни избыточных (неравновесных) носителей
заряда определяется временем жизни неосновных носителей заряда.
2воп. Рассмотрим структуру биполярных плоскостных транзисторов, у которых оба перехода - плоскостные. Упрощенные структуры плоскостных p-n-p и n-p-n типов показаны на рис.5.1.
Биполярный транзистор имеет области: эмиттер, база и коллектор – два p-n-перехода. Эмиттерный переход (на границе областей эмиттер-база) и коллекторный (на границе областей база-коллектор). Базовая область (база Б) – область, в которую инжектируются неосновные для этой области носители заряда. Эмиттерная область (эмиттер Э) – область, назначение которой – инжекция носителей в базовую область. Коллекторная область (коллектор К) предназначена для экстракции носителей из базовой области. Принцип работы транзисторов p-n-p и n-p-n-типов одинаков, но в транзисторе со структурой типа p-n-p основной ток, текущий через базу, создается дырками, инжектируемыми из эмиттера, а в транзисторах со структурой n-p-n-типа - электронами.
Рис.5.1. Схематическое изображение биполярного плоскостного транзистора и его условное изображение: а) p-n-p-типа; б) n-p-n-типа; в) распределение концентраций основных носителей заряда вдоль структуры транзистора в равновесном состоянии; W- толщина базы
На условных обозначениях эмиттер изображается в виде стрелки, которая указывает прямое направление тока эмиттерного перехода (т.е. от «плюса» к «минусу»).
Если бы эмиттерный и коллекторный переходы находились на большом расстоянии друг от друга, т.е. толщина базы W была бы значительно больше диффузионной длины неосновных носителей в базе, то носители, инжектируемые эмиттером, не доходили бы до коллектора, т.к. рекомбинировали бы в базе. В этом случае каждый из переходов можно рассматривать в отдельности, не учитывая их взаимодействия, причем вольт-амперная характеристика эмиттерного перехода представляла бы прямую ветвь характеристики диода, а коллекторного перехода - обратную ветвь.
Основная особенность биполярного транзистора заключается во взаимном влиянии переходов друг на друга. В биполярных плоскостных транзисторах для эффективного влияния эмиттерного перехода на коллекторный необходимо выполнение следующих требований:
1. Толщина базы транзистора W должна быть много меньше диффузионной длины инжектируемых в нее носителей Lб, т.е. W= 1,5 - 25 мкм < Lб.
2. Концентрация основных носителей в базе должна быть много меньше концентрации основных носителей в области эмиттера.
3. Концентрация основных носителей в области коллектора должна быть несколько меньшей, чем в области эмиттера.
4. Площадь коллекторного перехода должна быть в несколько раз больше площади эмиттерного перехода.
9билет. Соотношение Эйнштейна позволяет связать параметры дрейфового и диффузионного движения:Где
D - коэффициент диффузии;
μ - подвижность частиц;
φT - температурный потенциал;
Данные соотношения строго выполняются только для невырожденных полупроводников.
Соотношение Эйнштейна имеет простой физический смысл: независимо от причины, вызвавшей направленное движение, свободные носители встречают на своем пути одни и те же неоднородности (препятствия), при взаимодействии с которыми происходит рассеяние. Поэтому между основными параметрами дрейфового и диффузионного движений μ и D существует некая пропорциональность. Коэффициент пропорциональности φ=kT/q имеет размерность потенциала (вольт) и называется тепловым потенциалом.
2воп. 2.2 Принцип работы биполярного транзистора
Принцип работы транзистора заключается в том, что прямое напряжение эмиттерного перехода, то есть участка база – эмиттер (uб-э), существенно влияет на токи эмиттера и коллектора: чем больше это напряжение, тем больше токи эмиттера и коллектора.
10билет. Электронно-дырочный переход (или n–p-переход) – это область контакта двух полупроводников с разными типами проводимости. В полупроводнике n-типа основными носителями свободного заряда являются электроны; их концентрация значительно превышает концентрацию дырок (nn » np).
2воп. Биполя́рный транзи́стор — трёхэлектродный полупроводниковый прибор, один из типов транзисторов. В полупроводниковой структуре сформированы два p-n-перехода, перенос заряда через которые осуществляется носителями двух полярностей — электронами и дырками. Именно поэтому прибор получил название «биполярный», в отличие от полевого (униполярного) транзистора.