 |
|
Электронно-дырочный p-n переход и его основные свойства.
Раздел 1. Полупроводниковые приборы
Электропроводность твердых тел объясняется движением свободных электронов, т.е. электронов, утративших валентную связь с ядрами атомов. По электропроводности все вещества условно принято делить на проводники, полупроводники и диэлектрики.
Полупроводниковые материалы делятся на собственные (беспримесные) и примесные. При температуре 0˚К свободные электроны в полупроводниках отсутствуют, и они являются диэлектриками. Для того чтобы в полупроводнике образовались свободные электроны, его кристалл необходимо нагреть или осветить, т.е. затратить для разрыва ковалентных связей некоторое количество энергии, подведенной извне.
Нарушение ковалентной связи приводит к одновременному образованию свободного электрона и дырки. В чистом полупроводнике количество свободных электронов равно числу дырок 
, где n – число электронов, p- число дырок. Процесс образования электронно-дырочных пар при повышении температуры называется термогенерацией, а обратный процесс - рекомбинацией носителей зарядов.
Дырка, как и свободный электрон, совершает хаотическое движение в кристалле полупроводника и ведет себя подобно частице с положительным элементарным зарядом. При внесении кристалла полупроводника в электрическое поле, движение электронов и дырок упорядочивается. Они начинают двигаться в противоположных направлениях. Поэтому различают электропроводности электронную n–типа и дырочную p–типа.
Ток в кристалле полупроводника состоит из двух составляющих: дрейфового Iдр и диффузионного токов Iдиф.
Дрейфовый ток в кристалле возникает в виде упорядоченного движения электронов и дырок под действием внешнего электрического поля Е. Он имеет электронную и дырочную составляющие Iдр= In др+I p др.
Диффузионный ток создается за счет разности концентрации носителей движением заряженных частиц из областей кристалла с повышенной концентрацией в область, обедненную носителями, и также имеет электронную и дырочную составляющие Iдиф= In диф+I p диф
Для изготовления полупроводниковых приборов применяют примесные (легированные) полупроводники, обладающие, в отличие от чистых, значительно большей электропроводностью. В зависимости от рода примесей в полупроводнике в них преобладает либо электронная, либо дырочная электропроводность.
При легировании 4-хвалентного элемента (Si кремний или Ge германий) 5-тивалентным (Sb сурьма, As мышьяк, P фосфор) – донорная примесь - число свободных электронов превышает число дырок. Такой полупроводник обладает электронной проводимостью и является полупроводником n–типа.
При легировании кристалла Si кремния или Ge германия примесью 3-хвалентного элемента (B бор, In индий, Al алюминий) – акцепторная примесь - число свободных дырок превышает число электронов. Такой полупроводник обладает дырочной проводимостью и является полупроводником p–типа.
Характер токопрохождения и величина тока зависят от полярности и величины приложенного напряжения. Если «+» подключен к контакту слоя p, а «-» к контакту слоя n, то напряжение на переходе понизится, равновесие между Iдр и Iдиф нарушится и через переход будет протекать прямой ток.
Если полярность источника питания изменить на обратную, то через p-n-переход могут пройти только неосновные носители зарядов. Направление тока этих зарядов противоположно направлению прямого тока, поэтому его называют обратным током. Его величина мала, т.к. число неосновных носителей очень невелико.
Работа большинства полупроводниковых приборов основана на использовании p-n-перехода. Физически это приконтактный слой толщиною в несколько микрон разновесных кристаллов.
Если к p-n-переходу приложить внешнее напряжение, то под его действием в цепи возникнет электрический ток. При больших обратных напряжениях наблюдается скачкообразное увеличение обратного тока. Это явление называется пробоем p-n-перехода, а соответствующее ему напряжение – напряжением пробоя.
Различают электрический(лавинный, туннельный) и тепловой пробои.
Лавинный пробой возникает при прикладывания к р-n переходу высокого обратного напряжения. В этом случае неосновные носители могут приобретать в электрическом поле р-n перехода настолько большую кинетическую энергию, что вызывают ударную ионизацию полупроводника.
Туннельный пробой возникает при меньших обратных напряжениях, чем лавинный, и обусловлен «просачиванием» неосновных носителей через потенциальный барьер в зону, где они становятся основными носителями, за счёт туннельного эффекта - преодоление микрочастицей потенциального барьера в случае, когда её полная энергия (остающаяся при туннелировании неизменной) меньше высоты барьера. Туннельный эффект — явление исключительно квантовой природы, невозможное в классической механике и даже полностью противоречащее ей. Аналогом туннельного эффекта в волновой оптике может служить проникновение световой волны внутрь отражающей среды (на расстояния порядка длины световой волны) в условиях, когда, с точки зрения геометрической оптики, происходит полное внутреннее отражение.
Электрические (лавинный, туннельный) пробои являются обратимыми т.е. после уменьшения обратного напряжения лавинный ток прекращается.
Тепловой пробой возникает вследствие перегрева и разрушения р-n-перехода, протекающим через него лавинным обратным током током и является необратимым. Для его предотвращения нужно ограничить ток электрического (лавинного или туннельного) пробоя.
Типы полупроводниковых диодов.
Полупроводниковый диод – это полупроводниковый прибор с одним Р-N переходом и двумя выводами выводами, с помощью которых он соединяется с внешней электрической цепью.
Электрод присоединенный к P-области называют анодом( по аналогии с вакуумным диодом) а вывод присоединенный к N- области полупроводника называют катодом.
Если анод имеет положительный потенциал относительно катода Uак > 0, то, говорят что, диод «работает», «смещен», «включен» в прямом направлении, к нему «приложено» «прямое» напряжение и через него течет «прямой» ток. Если анод имеет отрицательный потенциал относительно катода, то диод «работает», «смещен», «включен» в обратном направлении и через него течет «обратный» ток.
Вольт амперная характеристика (В А Х ) диода– это зависимость тока протекающего через диод от разности потенциалов между анодом и катодом Ia=f(Uak)
При включении p-n перехода под прямое напряжение Uпр сопротивление p-n перехода Rпр снижается, а ток Inp возрастает. При обратном напряжении Uобр обратный ток Iобр неосновных носителей заряда оказывается во много сотен или тысяч раз меньше прямого тока. При напряжении U > Umax (см. точку на вольт амперной характеристике (ВАХ) диода) начинается лавинообразный процесс нарастания обратного тока Iобр , соответствующий электрическому пробою p-n перехода, переходящий (если не ограничить ток) в необратимый тепловой пробой (после точки «а» на рис.).
Из ВАХ диода следует, что он обладает неодинаковой электрической проводимостью в прямом и обратном направлениях его включения. Поэтому полупроводниковые диоды используют в схемах выпрямления переменного тока.
Так как напряжение на полностью открытом диоде не превышает 0,5…0,7 В, то для приближенных расчетов диод рассматривают как вентиль: «открыт — закрыт», имеющий ВАХ, изображенную на рис:
Анализ типовых ВАХ диодов (см. рис. 1.3) показывает, что прямое напряжение Uпр на германиевом диоде почти в два раза меньше, чем на кремниевом, при одинаковых значениях прямого тока Iпр, а обратный ток Iобр кремниевого диода значительно меньше обратного тока германиевого при одинаковых обратных напряжениях Uобр. К тому же, германиевый диод начинает проводить ток при ничтожно малом прямом напряжении Uпр, а кремниевый – только при Uпр = 0,4…0,5 В.
Исходя из этих свойств, германиевые диоды применяют как в схемах выпрям
ления переменного тока, так и для обработки сигналов малой амплитуды (до 0,3 В),
а кремниевые, наиболее распространённые – как в схемах выпрямления, так и в схемах устройств, в которых обратный ток недопустим или должен быть ничтожно мал. К тому же, кремниевые диоды сохраняют работоспособность до температуры окружающей среды 125…150 С, тогда как германиевые могут работать только до 70 С.
В основе классификации диодов лежат различные признаки:
· Вид электрического перехода (точечный, плоскостной);
· Физические процессы в переходе (туннельный, лавинно-пролетный);
· Характер преобразования энергии сигнала (фотодиод, светодиод, магнитодиод и т.д.);
· Диапазон рабочих частот (низкочастотные, высокочастотные, СВЧ диоды);
· Конструктивно-технологические особенности (диффузионные, эпитаксиальные, Шотки и т.д.); 
· Вид применяемого исходного материала для изготовления диодов: кремниевые, германиевые, арсенид - галиеые и т.д.;
· Использованию нелинейных свойств p-n-перехода: выпрямительные, стабилитроны, варикапы, импульсные.
·
Выпрямительный диод – электронный ключ, управляемый приложенным к нему напряжением (условно: при прямом напряжении (Uak >0) - ключ замкнут, при обратном (Uak <0) – разомкнут).
Выпрямительные диодыиспользуют в схемах преобразования (выпрямления) переменного тока в постоянный ток. Как правило, это плоскостные диоды средней и большой мощности.
К маломощным относят диоды с мощностью рассеивания до 0,3 Вт.
К диодам средней мощности - от 0,3 до 10 Вт,
К диодам большой мощности - с мощностью рассеяния _ >10Вт.
Основные параметры выпрямительных диодов:
· Максимальный средний ток (Iпр. ср. мах) – определяется допустимым нагревом прибора при приложенном прямом напряжении Uпр.мах.
· Максимально-допустимое обратное напряжение ( Uобр.мах) – допустимое напряжение, после которого может произойти пробой диода (электрический и, впоследствии, тепловой).
· Максимальный обратный ток диода (Iоб.мах) – ток диода при приложенном к нему Uобр.мах
· Максимальная рассеиваемая мощность (Рмах) – максимальная допустимая мощность, которая может рассеиваться на диоде.
· f.мах - максимальная частота переключений
Стабилитрон– кремневый диод, предназначенный для стабилизации напряжения.
Стабилитроны или опорные кремниевые диоды предназначены для использова_ния в параметрических стабилизаторах напряжения.
Рабочим участком ВАХ является участок участок обратной её ветви, соответствующий области электрического пробоя p-n перехода и ограниченный минимальным и максимальным значениями обратного тока Чем меньше дифференциальное сопротивление, тем «круче» участок электрического пробоя обратной ветви ВАХ.
При работе в этой области обратное напряжение на стабилитроне Uст незначительно изменяется при относительно больших изменениях тока стабилитрона Iст . Поэтому при изменении входного напряжения U ± ΔU = ±Uб +Uст изменяется в основном напряжение ±Uб=Rб* I на балластном резисторе Rб, а напряжение Uн на нагрузке Rн - почти не изменяется.
При прямом включении стабилитрон может рассматриваться как обычный диод, Однако в связи с повышенной концентрацией примесей напряжение Uпр =0,3_0,4 В мало изменяется при значительных изменениях прямого тока Iпр. Прибор, в котором используется прямая ветвь в схемах стабилизации напряжения, называют стабистором.
Основными параметрами стабилитронов являются:
Uст - напряжение стабилизации при номинальном значении тока;
Iст min - минимальный ток стабилизации, при котором возникает устойчивый пробой;
Iст max максимальный ток стабилизации, при котором мощность, рассеиваемая на стабилитроне, не превышает допустимого значения;
Rст - дифференциальное сопротивление, характеризующее изменение напряжения стабилизации при изменении тока: Rст =DU/DI
ТКН - температурный коэффициент напряжения: ТКН = (0,2 – 0,4%)/°С
При напряжениях стабилизации менее 7В в стабилитронах используется режим полевого (туннельного ) пробоя, более 15В - лавинный пробой, от 7 до 15В - смешанный пробой. Полевой (туннельный ) и лавинный пробои стабилитронов обратимы если обратные токи через них не превышают Iст max.
Варикап.
Емкость PN-перехода уменьшается с увеличением обратного напряжения. Это свойство PN-перехода используется для построения электронных схем, в которых изменение электрической емкости производится путем изменения управляющего напряжения (схемы настройки резонансных контуров и т.п.). Для этих целей были разработаны специализированные диоды – варикапы, максимальная емкость которых составляет 5-300 пФ, а отношение минимальной и максимальной емкости при изменении управляющего напряжения составляет 5:1.
Основной характеристикой варикапа является вольт-фарадная характеристика.
Это зависимость емкости варикапа от значения приложенного к нему обратного напряжения. СВ= f(UОБР).
Основные параметры варикапа:
UОБР –заданное обратное напряжение;
СВ– номинальная ёмкость, измеренная при заданном обратном напряжении UОБР;
КС –коэффициент перекрытия ёмкости, который определяется отношением ёмкостей варикапа при двух значениях обратного напряжения;
UОБР.МАКС – максимально допустимое обратное напряжение;
QB –добротность, определяемая как отношение реактивного сопротивления варикапа к сопротивлению потерь.
Варикап приименяют в основном в устройствах высоких и сверхвысоких частот, Например, для настройки колебательных контуров.
Диоды Шоттки— это полупроводниковые приборы, в которых используются свойства потенциального барьера (барьера Шоттки) на контакте металл-полупроводник.В этих диодах из за разной высоты потенциальных барьеров для электронов и дырок нет инжекции неосновных носителей заряда, нет и таких медленных процессов, как накопление и рассасывание неосновных носителей в базе. В результате инерционность диодов с выпрямлением на контакте металл полупроводник определяется величиной барьерной ёмкости выпрямляющего контакта (Cбар =1 пФ). Кроме того, у этих диодов незначительные активные потери (прямое напряжение Uпр =0,4 В, что на 0,2 В меньше, чем у обычных диодов).
ВАХ диодов Шоттки - строгая экспонента (рис. 1.8).
В связи с тем, что барьерная ёмкость и последовательное активное сопротивление в таких диодах небольшие, соответственно мало и время перезарядки ёмкости; это даёт возможность использовать диоды Шоттки в качестве сверхскоростных импульсных диодов (f = 3_15 ГГц), например, в некоторых схемах в качестве быстродействующих логарифмических элементов и в мощных высокочастотных выпрямителях, в которых диоды способны работать на частотах до 1 МГц при Uобр = 50 В и Iпр =10А
Фотодиоды
 |
Фотодиод – полупроводниковый диод, принцип действия которого основан на внутреннем фотоэффекте явлении возрастания обратного тока р-n-перехода при его освещении, т.е. световой поток управляет обратным током фотодиода. Фотодиоды имеют структуру обычного р-n-перехода
. а) - условное обозначение фотодиода, б) - структура фотодиода.
Вследствие оптического возбуждения в р и n областях возникает неравновесная концентрация носителей заряда
На границе перехода неосновные носители заряда под влиянием электрического поля, перебрасываются через переход в область, где они являются основными носителями. Электрический ток, созданный ими есть полный фототок. Если р-n-переход разомкнут, то перенос носителей заряда, генерируемых светом, приводит к накоплению отрицательного в n-области и положительного в р-области зарядов. Новое равновесное состояние соответствует меньшей высоте потенциального барьера, равной (Uк-Еф). ЭДС Еф, возникающую при этих процессах, на значение которой снижается потенциальный барьер Uк в р-n-переходе, называют фотоэлектродвижущей силой (фото-ЭДС) В данной ситуации фотодиод работает в режиме фотогенератора, преобразуя световую энергию в электрическую.
Фотодиод может работать совместно с внешним источником (рис. в). При освещении фотодиода поток неосновных носителей заряда через р-n-переход возрастает. Увеличивается ток во внешней цепи, определяемый напряжением источника и световым потоком. Значение фототока можно найти из выражения Iф=SинтФ, где Sинт - интегральная чувствительность.
В А Х фотодиода.
Излучающие диоды
Излучающими называются полупроводниковые диоды, излучающие из области PN-перехода кванты электромагнитной энергии. По характеристике излучения делятся на три группы:
· Излучающие видимой области спектра ( длинна волныизлучения 400-700 нм); - светодиоды
· Излучающие в инфракрасной области спектра - ИК-диоды ( >750 нм) ;
· Излучающие в ультрафиолетовой области спектра - УФ-диоды (200-400 нм).
Светодиоды, или светоизлучающие диоды (СИД, в английском варианте LED — light emitting diode)— полупроводниковый прибор, излучающий некогерентный свет( длинна волны 400-700 нм) при пропускании через него электрического тока. Работа основана на физическом явлении возникновения светового излучения при прохождении электрического тока через p-n-переход. Цвет свечения (длина волны максимума спектра излучения) определяется типом используемых полупроводниковых материалов, образующих p-n-переход.
Достоинства:
1. Светодиоды не имеют никаких стеклянных колб и нитей накаливания, что обеспечивает высокую механическую прочность и надежность(ударная и вибрационная устойчивость)
2. Отсутствие разогрева и высоких напряжений гарантирует высокий уровень электро- и пожаробезопасности
3. Безынерционность делает светодиоды незаменимыми, когда требуется высокое быстродействие(волоконно-оптические системы передачи данных)
4. Миниатюрность
5. Долгий срок службы (долговечность)
6. Высокий КПД,
7. Относительно низкие напряжения питания и потребляемые токи, низкое энергопотребление
8. Большое количество различных цветов свечения, направленность излучения
9. Регулируемая интенсивность
Недостатки:
1. Относительно высокая стоимость. Отношение деньги/люмен для обычной лампы накаливания по сравнению со светодиодами составляет примерно 100 раз
2. Малый световой поток от одного элемента
3. Деградация параметров светодиодов со временем
4. Повышенные требования к питающему источ- нику
Внешний вид и основные параметры:
1. Тип корпуса (диаметр), мм.
2. Типовой (рабочий) ток, мА.
3. Падение (рабочее) напряжения, В.
4. Цвет свечения (длина волны излучения, нм.).
5. Угол рассеивания.
6.Световой поток, лм.
В настоящее время светодиоды нашли применение в самых различных областях: светодиодные фонари, автомобильная светотехника, рекламные вывески, светодиодные панели и индикаторы, бегущие строки и светофоры и т.д.
Так как светодиод является полупроводниковым прибором, то при включении в цепь необходимо соблюдать полярность. Светодиод имеет два вывода, один из которых катод ("минус"), а другой - анод ("плюс").
ИК-диоды ( длинна волны излучения 800-2500 нм.)
Применяются в качестве передатчиков в волоконно-оптических системах передачи данных, для подсветки систем видеонаблюдения в ночное время, в качестве источников излучения для спектральных измерений в ближней инфракрасной (Б И К) области спектра.