Здавалка
Главная | Обратная связь

И неравновесном (б, в) состояниях



Приборы и оборудование

 

- Универсальный источник питания УИП-2 ………………….. 1

- Цифровой мультиметр типа М830 ……………………………..………. 2

- Стенд для снятия ВАХ диодов ……………………………….. 1

- Германиевые и кремниевые диоды Д226, Д7Ж

- Отвертка, соединительные провода

 

Основные сведения по теме работы

 

Образование p-n-перехода

Область на границе двух полупроводников с различными типами проводимости называется электронно-дырочным переходом, или p-n-переходом. Явления, происходящие в p-n-переходе, лежат в основе работы большинства полупроводниковых приборов.

 

1.1.1 р-n-переход в равновесном состоянии

 
 

 

 


Рисунок 1 – Образование p-n перехода на границе полупроводников

На рис.1,а показана пластина германия, одна часть объема которой (n) легирована донорной примесью, т.е. обладает электронной проводимостью, а другая (p) – легирована акцепторной примесью, т.е. обладает дырочной проводимостью. Для простоты принимаем, что граница, разделяющая германий типа n и германий типа p, выражена очень резко. На границе полупроводниковых слоев возникает большая разница в количестве электронов и дырок. Под воздействием этого градиента концентрации свободные заряды начнут диффундировать из области с более высокой концентрацией в область пониженной концентрации, т.е. электроны начнут перемещаться из n-области в p-область, а дырки – в противоположном направлении.

Электроны, перешедшие в p-область, будут рекомбинировать с дырками, в результате чего в приконтактной части p-области появятся отрицательно заряженные неподвижные ионы акцепторной примеси. В свою очередь, уход электронов из n-области приводит к появлению в приконтактной части n-области положительно заряженных неподвижных ионов донорной примеси. Аналогичное явление происходит и с дырками (рис.1,б). Таким образом, с обеих сторон границы раздела слоев германия образуются противоположные по знаку пространственные заряды. Распределение плотности (r0 ) этих зарядов показано на рис.1,в.

Двойной слой неподвижных электрических зарядов (ионов) создает на границе p - и n- областей объемный пространственный заряд, наличие которого приводит к появлению внутреннего электрического поля. Влияние этого поля оценивается потенциальным барьером ∆φο (рис.1,г): чем больше высота потенциального барьера, тем труднее его преодолеть основным носителям зарядов.

Внутреннее электрическое поле направлено так, что оно препятствует движению основных носителей зарядов, т.е. развитию того процесса, в результате которого возникло само поле. Поэтому с ростом напряженности внутреннего электрического поля интенсивности движения основных носителей зарядов через границу перехода снижается: все большее число электронов n-об­ласти и дырок р-области начинает отражаться этим полем от границы перехода и возвращаться обратно. Только часть основных носителей, обладающая повы­шенной энергией, будет все-таки проходить через переход. Вместе с тем, внут­реннее поле р-п-перехода не препятствует движению неосновных носителей че­рез переход, так как для них оно будет ускоряющим. Через короткий промежуток времени при отсутствии внешне­го напряжения на р-п-переходе устанавливается равновесие, при котором взаим­но компенсируются как заряды донорных и акцепторных ионов, так и токи основных и неосновных носителей. При этом р-п-переход оказывается электрически нейтральным, а ток через него равным нулю.

Обеднение области p-n-перехода основными носителями зарядов приводит к тому, что эта область обладает повышенным сопротивлением, и поэтому p-n-переход часто называют запирающим (обедненным) слоем.

Именно этот слой и является собственно р-п-переходом (рис. 2,а). Он имеет повышенное сопротивление, которое и оп­ределяет электрическое сопротивление всей системы. За пределами р-п-перехода области полупроводника оказываются электрически нейтральными.

1.1.2 р-п-переход в неравновесном состоянии

Если к полупроводниковому крис­таллу, в котором создан р-п-переход, приложить напряжение Uплюсом к n-слою, а минусом к р-слою (рис. 2,6), то это напряжение почти полностью будет падать на переходе, так как сопротивление перехода (обедненного слоя) во мно­го раз больше сопротивлений слоев п и р. В результате этого на р-п- переходе по­явится внешнее электрическое поле, складывающееся с его внутренним полем. Потенциальный барьер возрастет, увеличится ширина р-п-перехода и его сопро­тивление. Такое включение перехода называют обратным.

 

Рисунок 2 – Структура p-n-перехода в равновесном (а)

и неравновесном (б, в) состояниях

 

Приложение к переходу внешней разности потенциалов приводит к наруше­нию равенства встречных потоков носителей зарядов, проходящих через пере­ход, и к появлению тока через него. При увеличении обратного напряжения поток основных носителей заряда сначала уменьшается, а затем, когда это напряжение превысит некоторую величину UП0Р, практически прекращается. Через р-п-пере­ход будут свободно проходить только потоки неосновных носителей, движению которых потенциальный барьер не препятствует. Поэтому зависимость обратного тока от напряжения будет следующей: при малых обратных напряжениях, когда через переход еще проходят основные носители зарядов, общий ток будет зави­сеть от напряжения. При напряжении больше UП0Р поток основных носителей че­рез переход прекратится, а ток станет постоянным – не зависящим от значения обратного напряжения, имея предельное значение I0. Этот ток называют током насыщения, или, учитывая его природу, – тепловым током.

Если поменять полярность внешнего напряжения U –приложить плюс к р-слою, а минус к п-слою (рис. 2, в), то на переходе появится внешнее электрическое поле, которое будет направлено в сторону, противоположную внутрен­нему полю, что приведет к уменьшению высоты потенциального барьера, ширины и сопротивления р-п-перехода. Такое включение перехода называют прямым.

При прямом включении через р-п-переход пойдет ток, вызываемый движени­ем основных носителей заряда. Однако при |U|<|∆φο| в переходе сохраняется слой, обедненный носителями заряда, из-за чего сопротивление р-п-перехода вначале сохраняет достаточно большую величину, следовательно, ток через пере­ход будет иметь малое значение, возрастая по экспоненте при увеличении U. Когда |U|= |∆φο|, ширина р-п-перехода практически становится равной нулю, а область, обедненная носителями заряда, исчезает. В результате полной ком­пенсации потенциального барьера внешним напряжением полупроводниковый кристалл превращается в своеобразный резистор, сопротивление которого опре­деляется малым собственным сопротивлением полупроводникового кристалла, а через переход пойдет большой прямой ток. Его значение определяется вне­шним напряжением, приложенным к полупроводниковому кристаллу.

ВАХ р-п-перехода имеет вид, представленный на рис.3,а.

 
 

 


Рисунок 3 – Вольт-амперные характеристики р-п-перехода

В рис.3 использован одинаковый масштаб по горизонталь­ной и вертикальной осям, поэтому наглядно видно, что ВАХ р-п- перехода имеет четко выраженный вентильный эффект — большой ток при прямом смещении и ничтожно малый ток при обратном напряжении на переходе. На рис. 3,б масштаб в третьем квадранте изменен по сравнению с первым квадрантом. Видны отличия ВАХ германиевого и кремниевого переходов: из-за различной ширины запрещенной зоны обедненный носителями слой р-п-перехода в германиевом переходе исчезает при меньшем прямом напряжении (~0,3 В), чем в кремниевом (~0,7 В), а обратный ток в кремниевом переходе значительно меньше, чем в гер­маниевом.

 

1.2 Пробой р-п-перехода

 

При достижении обратным напряжением определенного критического значения наблюдается значительное уменьшение его сопро­тивления, сопровождающееся резким увеличением обратного тока. Это явление называют пробоем р-п-перехода. Различают 3 вида пробоя: туннельный, лавинный и тепловой.

Туннельный и лавинный пробои объединяют под названием электрического пробоя. При электрическом пробое в р-п-переходе не происходит необратимых изменений его структуры и после снятия напряжения работоспособность перехода сохраняется.

Третий вид пробоя — тепловой возникает из-за потери устойчивости теплово­го режима перехода. При увеличении приложенного к переходу обратного напря­жения мощность, рассеиваемая на нем, растёт. Это приводит к увеличению тем­пературы перехода и соседних с ним областей полупроводника. Увеличение тем­пературы вызывает повышение обратного тока и рассеиваемой мощности. Возникает своеобразная положительная обратная связь между величиной тока через переход и его температурой. В результате этого ток лавинообразно нарастает. Характерным признаком теплового пробоя является наличие на ВАХ при больших обратных напряжениях участка с отрицательным дифференциальным сопро­тивлением. Особенность теплового пробоя состоит в том, что он локализуется в «слабых» местах, что приводит к разрушению перехода.

 







©2015 arhivinfo.ru Все права принадлежат авторам размещенных материалов.