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 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.
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.
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.
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
![]() . 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
· 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) Недостатки: 1. Относительно высокая стоимость. Отношение деньги/люмен для обычной лампы накаливания по сравнению со светодиодами составляет примерно 100 раз 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.
©2015 arhivinfo.ru Все права принадлежат авторам размещенных материалов.
|