И неравновесном (б, в) состоянияхСтр 1 из 2Следующая ⇒
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.
|