Berezka7km.ru

Березка 7км
1 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Что такое тепловой ток p n перехода

Что такое тепловой ток p n перехода

В современной электронной технике полупроводниковые приборы играют исключительную роль. За последние три десятилетия они почти полностью вытеснили электровакуумные приборы.

В любом полупроводниковом приборе имеется один или несколько электронно-дырочных переходов. Электронно-дырочный переход (или –-переход) – это область контакта двух полупроводников с разными типами проводимости.

В полупроводнике -типа основными носителями свободного заряда являются электроны; их концентрация значительно превышает концентрацию дырок (). В полупроводнике -типа основными носитялеми являются дырки (). При контакте двух полупроводников — и -типов начинается процесс диффузии: дырки из -области переходят в -область, а электроны, наоборот, из -области в -область. В результате в -области вблизи зоны контакта уменьшается концентрация электронов и возникает положительно заряженный слой. В -области уменьшается концентрация дырок и возникает отрицательно заряженный слой. Таким образом, на границе полупроводников образуется двойной электрический слой, поле которого препятствует процессу диффузии электронов и дырок навстречу друг другу (рис. 1.14.1). Пограничная область раздела полупроводников с разными типами проводимости (так называемый запирающий слой ) обычно достигает толщины порядка десятков и сотен межатомных расстояний. Объемные заряды этого слоя создают между — и -областями запирающее напряжение з, приблизительно равное 0,35В для германиевых –-переходов и 0,6В для кремниевых.

–-переход обладает удивительным свойством односторонней проводимости.

Если полупроводник с –-переходом подключен к источнику тока так, что положительный полюс источника соединен с -областью, а отрицательный – с -областью, то напряженность поля в запирающем слое возрастает. Дырки в -области и электроны в -области будут смещаться от –-перехода, увеличивая тем самым концентрации неосновных носителей в запирающем слое. Ток через –-переход практически не идет. Напряжение, поданное на –-переход в этом случае называют обратным . Весьма незначительный обратный ток обусловлен только собственной проводимостью полупроводниковых материалов, т. е. наличием небольшой концентрации свободных электронов в -области и дырок в -области.

Если –-переход соединить с источником так, чтобы положительный полюс источника был соединен с -областью, а отрицательный с -областью, то напряженность электрического поля в запирающем слое будет уменьшаться, что облегчает переход основных носителей через контактный слой. Дырки из -области и электроны из -области, двигаясь навстречу друг другу, будут пересекать –-переход, создавая ток в прямом направлении. Сила тока через –-переход в этом случае будет возрастать при увеличении напряжения источника.

Способность –-перехода пропускать ток практически только в одном направлении используется в приборах, которые называются полупроводниковыми диодами . Полупроводниковые диоды изготавливают из кристаллов кремния или германия. При их изготовлении в кристалл c каким-либо типом проводимости вплавляют примесь, обеспечивающую другой тип проводимости.

Полупроводниковые диоды используются в выпрямителях для преобразования переменного тока в постоянный. Типичная вольт-амперная характеристика кремниевого диода приведена на рис. 1.14.2.

Полупроводниковые диоды обладают многими преимуществами по сравнению с вакуумными – малыми размерами, длительными сроками службы, механической прочностью. Существенным недостатком полупроводниковых диодов является зависимость их параметров от температуры. Кремниевые диоды, например, могут удовлетворительно работать только в диапозоне температур от –70 °C до 80 °C. У германиевых диодов диапазон рабочих температур несколько шире.

Полупроводниковые приборы не с одним, а с двумя –-переходами называются транзисторами . Название происходит от сочетания английских слов: transfer – переносить и resistor – сопротивление. Обычно для создания транзисторов используют германий и кремний. Транзисторы бывают двух типов: ––-транзисторы и ––-транзисторы. Например, германиевый транзистор ––-типа представляет собой небольшую пластинку из германия с донорной примесью, т. е. из полупроводника -типа. В этой пластинке создаются две области с акцепторной примесью, т. е. области с дырочной проводимостью (рис. 1.14.3). В транзисторе ––-типа основная германиевая пластинка обладает проводимостью -типа, а созданные на ней две области – проводимостью -типа (рис. 1.14.4).

Пластинку транзистора называют базой (Б), одну из областей с противоположным типом проводимости – коллектором (К), а вторую – эмиттером (Э). Обычно объем коллектора превышает объем эмиттера. В условных обозначениях на схемах стрелка эмиттера показывает направление тока через транзистор.

Оба –-перехода транзистора соединяются с двумя источниками тока. На рис. 1.14.5 показано включение в цепь транзистора ––-структуры. Переход «эмиттер–база» включается в прямом (пропускном) направлении (цепь эмиттера), а переход «коллектор–база» – в запирающем направлении (цепь коллектора).

Пока цепь эмиттера разомкнута, ток в цепи коллектора очень мал, так как для основных носителей свободного заряда – электронов в базе и дырок в коллекторе – переход заперт.

При замыкании цепи эмиттера дырки – основные носители заряда в эмиттере – переходят из него в базу, создавая в этой цепи ток э. Но для дырок, попавших в базу из эмиттера, –-переход в цепи коллектора открыт. Большая часть дырок захватывается полем этого перехода и проникает в коллектор, создавая ток к. Для того, чтобы ток коллектора был практически равен току эмиттера, базу транзистора делают в виде очень тонкого слоя. При изменении тока в цепи эмиттера изменяется сила тока и в цепи коллектора.

Если в цепь эмиттера включен источник переменного напряжения (рис. 1.14.5), то на резисторе , включенном в цепь коллектора, также возникает переменное напряжение, амплитуда которого может во много раз превышать амплитуду входного сигнала. Следовательно, транзистор выполняет роль усилителя переменного напряжения.

Читайте так же:
Реле тепловое рти 3357 диапазон тока 37 50а

Однако такая схема усилителя на транзисторе является неэффективной, так как в ней отсутствует усиление сигнала по току, и через источники входного сигнала протекает весь ток эмиттера э. В реальных схемах усилителей на транзисторах источник переменного напряжения включают так, чтобы через него протекал только небольшой ток базы б = эк. Малые изменения тока базы вызывают значительные изменения тока коллектора. Усиление по току в таких схемах может составлять несколько сотен.

В настоящее время полупроводниковые приборы находят исключительно широкое применение в радиоэлектронике. Современная технология позволяет производить полупроводниковые приборы – диоды, транзисторы, полупроводниковые фотоприемники и т. д. – размером в несколько микрометров. Качественно новым этапом электронной техники явилось развитие микроэлектроники , которая занимается разработкой интегральных микросхем и принципов их применения.

Интегральной микросхемой называют совокупность большого числа взаимосвязанных элементов – сверхмалых диодов, транзисторов, конденсаторов, резисторов, соединительных проводов, изготовленных в едином технологическом процессе на одном кристалле. Микросхема размером в может содержать несколько сотен тысяч микроэлементов.

Применение микросхем привело к революционным изменениям во многих областях современной электронной техники. Это особенно ярко проявилось в электронной вычислительной технике. На смену громоздким ЭВМ, содержащим десятки тысяч электронных ламп и занимавшим целые здания, пришли персональные компьютеры.

Электронно-дырочный переход. Транзистор

В современной электронной технике полупроводниковые приборы играют исключительную роль. За последние три десятилетия они почти полностью вытеснили электровакуумные приборы.

В любом полупроводниковом приборе имеется один или несколько электронно-дырочных переходов. Электронно-дырочный переход (или np-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). В полупроводнике p-типа основными носитялеми являются дырки (np >> nn). При контакте двух полупроводников n— и p-типов начинается процесс диффузии: дырки из p-области переходят в n-область, а электроны, наоборот, из n-области в p-область. В результате в n-области вблизи зоны контакта уменьшается концентрация электронов и возникает положительно заряженный слой. В p-области уменьшается концентрация дырок и возникает отрицательно заряженный слой. Таким образом, на границе полупроводников образуется двойной электрический слой, поле которого препятствует процессу диффузии электронов и дырок навстречу друг другу (рис. 1.14.1). Пограничная область раздела полупроводников с разными типами проводимости (так называемый запирающий слой) обычно достигает толщины порядка десятков и сотен межатомных расстояний. Объемные заряды этого слоя создают между p— и n-областями запирающее напряжение Uз, приблизительно равное 0,35 В для германиевых np-переходов и 0,6 В для кремниевых.

np-переход обладает удивительным свойством односторонней проводимости.

Образование запирающего слоя при контакте полупроводников p— и n-типов

Если полупроводник с np-переходом подключен к источнику тока так, что положительный полюс источника соединен с n-областью, а отрицательный – с p-областью, то напряженность поля в запирающем слое возрастает. Дырки в p-области и электроны в n-области будут смещаться от np-перехода, увеличивая тем самым концентрации неосновных носителей в запирающем слое. Ток через np-переход практически не идет. Напряжение, поданное на np-переход в этом случае называют обратным. Весьма незначительный обратный ток обусловлен только собственной проводимостью полупроводниковых материалов, т. е. наличием небольшой концентрации свободных электронов в p-области и дырок в n-области.

Если np-переход соединить с источником так, чтобы положительный полюс источника был соединен с p-областью, а отрицательный с n-областью, то напряженность электрического поля в запирающем слое будет уменьшаться, что облегчает переход основных носителей через контактный слой. Дырки из p-области и электроны из n-области, двигаясь навстречу друг другу, будут пересекать np-переход, создавая ток в прямом направлении. Сила тока через np-переход в этом случае будет возрастать при увеличении напряжения источника.

Способность np-перехода пропускать ток практически только в одном направлении используется в приборах, которые называются полупроводниковыми диодами. Полупроводниковые диоды изготавливают из кристаллов кремния или германия. При их изготовлении в кристалл c каким-либо типом проводимости вплавляют примесь, обеспечивающую другой тип проводимости.

Полупроводниковые диоды используются в выпрямителях для преобразования переменного тока в постоянный. Типичная вольт-амперная характеристика кремниевого диода приведена на рис. 1.14.2.

Вольт-амперная характеристика кремниевого диода. На графике использованы различные шкалы для положительных и отрицательных напряжений

Полупроводниковые диоды обладают многими преимуществами по сравнению с вакуумными – малыми размерами, длительными сроками службы, механической прочностью. Существенным недостатком полупроводниковых диодов является зависимость их параметров от температуры. Кремниевые диоды, например, могут удовлетворительно работать только в диапозоне температур от –70 °C до 80 °C. У германиевых диодов диапазон рабочих температур несколько шире.

Полупроводниковые приборы не с одним, а с двумя np-переходами называются транзисторами. Название происходит от сочетания английских слов: transfer – переносить и resistor – сопротивление. Обычно для создания транзисторов используют германий и кремний. Транзисторы бывают двух типов: pnp-транзисторы и npn-транзисторы. Например, германиевый транзистор pnp-типа представляет собой небольшую пластинку из германия с донорной примесью, т. е. из полупроводника n-типа. В этой пластинке создаются две области с акцепторной примесью, т. е. области с дырочной проводимостью (рис. 1.14.3). В транзисторе npn-типа основная германиевая пластинка обладает проводимостью p-типа, а созданные на ней две области – проводимостью n-типа (рис. 1.14.4).

Читайте так же:
Теплоотражательный костюм ток 300

Пластинку транзистора называют базой (Б), одну из областей с противоположным типом проводимости – коллектором (К), а вторую – эмиттером (Э). Обычно объем коллектора превышает объем эмиттера. В условных обозначениях на схемах стрелка эмиттера показывает направление тока через транзистор.

Оба np-перехода транзистора соединяются с двумя источниками тока. На рис. 1.14.5 показано включение в цепь транзистора pnp-структуры. Переход «эмиттер–база» включается в прямом (пропускном) направлении (цепь эмиттера), а переход «коллектор–база» – в запирающем направлении (цепь коллектора).

Пока цепь эмиттера разомкнута, ток в цепи коллектора очень мал, так как для основных носителей свободного заряда – электронов в базе и дырок в коллекторе – переход заперт.

Включение в цепь транзистора pnp-структуры

При замыкании цепи эмиттера дырки – основные носители заряда в эмиттере – переходят из него в базу, создавая в этой цепи ток Iэ. Но для дырок, попавших в базу из эмиттера, np-переход в цепи коллектора открыт. Большая часть дырок захватывается полем этого перехода и проникает в коллектор, создавая ток Iк. Для того, чтобы ток коллектора был практически равен току эмиттера, базу транзистора делают в виде очень тонкого слоя. При изменении тока в цепи эмиттера изменяется сила тока и в цепи коллектора.

Если в цепь эмиттера включен источник переменного напряжения (рис. 1.14.5), то на резисторе R, включенном в цепь коллектора, также возникает переменное напряжение, амплитуда которого может во много раз превышать амплитуду входного сигнала. Следовательно, транзистор выполняет роль усилителя переменного напряжения.

Однако такая схема усилителя на транзисторе является неэффективной, так как в ней отсутствует усиление сигнала по току, и через источники входного сигнала протекает весь ток эмиттера Iэ. В реальных схемах усилителей на транзисторах источник переменного напряжения включают так, чтобы через него протекал только небольшой ток базы Iб = IэIк. Малые изменения тока базы вызывают значительные изменения тока коллектора. Усиление по току в таких схемах может составлять несколько сотен.

В настоящее время полупроводниковые приборы находят исключительно широкое применение в радиоэлектронике. Современная технология позволяет производить полупроводниковые приборы – диоды, транзисторы, полупроводниковые фотоприемники и т. д. – размером в несколько микрометров. Качественно новым этапом электронной техники явилось развитие микроэлектроники, которая занимается разработкой интегральных микросхем и принципов их применения.

Интегральной микросхемой называют совокупность большого числа взаимосвязанных элементов – сверхмалых диодов, транзисторов, конденсаторов, резисторов, соединительных проводов, изготовленных в едином технологическом процессе на одном кристалле. Микросхема размером в 1 см 2 может содержать несколько сотен тысяч микроэлементов.

Применение микросхем привело к революционным изменениям во многих областях современной электронной техники. Это особенно ярко проявилось в электронной вычислительной технике. На смену громоздким ЭВМ, содержащим десятки тысяч электронных ламп и занимавшим целые здания, пришли персональные компьютеры.

Электронно-дырочный переход при обратном напряжении

Обратным напряжением (Uобр) называют внешнее напряжение, полярность которого совпадает с полярностью контактной разности потенциалов; оно приложено плюсом к n-области, а минусом – к р-области (рис. 2.3, а). При этом потенциальный барьер возрастает; он численно равен сумме внутреннего и внешнего напряжений (рис. 2.3, б):

Повышение потенциального барьера препятствует диффузии основных носителей заряда через p-n-переход, и она уменьшается, а при некотором значении Uобр совсем прекращается. Одновременно под действием электрического поля, созданного внешним напряжением, основные носители заряда будут отходить от p-n-перехода. Соответственно расширяется слой, обедненный носителями заряда, и расширяется p-n-переход, причем его сопротивление возрастает.

Внутреннее электрическое поле в p-n-переходе, соответствующее возросшему потенциальному барьеру, способствует движению через переход неосновных носителей заряда. При приближении их к p-n-переходу электрическое поле захватывает их и переносит через p-n переход в область с противоположным типом электропроводности: электроны из р-области в n-область, а дырки – из n-области в р-область. Поскольку количество неосновных носителей заряда очень мало и не зависит от величины приложенного напряжения, то создаваемый их движением ток через p-n-переход очень мал.

Ток, протекающий через p-n-переход при обратном напряжении, называют обратным током (Iобр)..Обратный ток по характеру является дрейфовым тепловым током
(Iобр = Iт), который не зависит от обратного напряжения.

Процесс захватывания электрическим полем p-n-перехода неосновных носителей заряда и переноса их при обратном напряжении через p-n-переход в область с противоположным типом электропроводности называют экстракцией.

Уход неосновных носителей заряда в результате экстракции приводит к снижению их концентраций в данной области около границы p-n-перехода практически до нуля. Это вызывает диффузию неосновных носителей заряда из глубины области в направлении к p-n-переходу, что компенсирует убыль неосновных носителей, ушедших в другую область. Движение неосновных носителей заряда к p-n-переходу создает электрический ток в объеме полупроводника. Компенсация убыли электронов в объеме полупроводника p-типа происходит за счет пополнения их из внешней цепи от минуса источника питания. Это вызывает прохождение электрического тока во внешней цепи.

Читайте так же:
Устройство преобразующее энергию электрического тока в тепловую

2.4. Вольт-амперная характеристика электронно-
дырочного перехода. Пробой и емкость
p-n-перехода

Вольт-амперная характеристика (ВАХ) p-n-перехода представляет собой зависимость тока от величины и полярности приложенного напряжения и описывается выражением:

где I – тепловой обратный ток p-n-перехода; Uд – напряжение на p-n-переходе; jт = k T/ q – тепловой по­тенциал, равный контактной разности потенциалов (jк) на границе p-n-перехода при отсутствии внешнего напряжения (при T = 300 К, jт = 0,025 В); k – постоянная Больцмана; T – абсолютная темпе­ратура; q –заряд электрона

При отрицательных напряжениях порядка 0,1. 0,2 В экспонен­циальной составляющей, по сравнению с единицей, можно пренебречь (е 4 » 0,02), при положительных напряжениях, превышаю­щих 0,1 В, можно пренебречь единицей (е 4 » 54,6). Тогда вольт-амперная характеристика p-n-перехода, будет иметь вид, приведенный на рис 2.4.

По мере возрастания положительного напряжения на p-n-переходе прямой ток диода резко возрастает. Поэтому незначительное изменение прямого напряжения приводит к значительному изме­нению тока, что затрудняет задание требуемого значения прямого тока с помощью напряжения. Вот почему для p-n-перехода ха­рактерен режим заданного прямого тока.

Вольт-амперная характеристика (см. рис. 2.4) имеет две ветви: прямую, расположенную в первом квадранте графика, и обратную, расположенную в третьем квадранте. Обратный ток создается дрейфом через p-n-переход неосновных носителей заряда. Поскольку концентрация неосновных носителей заряда на несколько порядков ниже, чем основных, обратный ток несоизмеримо меньше прямого.

При небольшом увеличении обратного напряжения от нуля обратный ток сначала возрастает до значения, равного значению теплового тока (I), а с дальнейшим увеличением Uобр ток остается постоянным. Это объясняется тем, что при очень малых значениях обратного напряжения еще есть незначительная диффузия основных носителей заряда, встречное движение которых уменьшает результирующий ток в обратном направлении. Когда эта диффузия прекращается, значение обратного тока определяется только движением через переход неосновных носителей, количество которых в полупроводнике не зависит от напряжения. Повышение обратного напряжения до определенного значения, называемого напряжением пробоя (Uобр.проб) приводит к пробою электронно-дырочного перехода, т.е. к резкому уменьшению обратного сопротивления и, соответственно, росту обратного тока.

Свойство p-n-перехода проводить электрический ток в одном направлении значительно больший, чем в другом, называют односторонней проводимостью. Электронно-дырочный переход, электрическое сопротивление которого при одном направлении тока на несколько порядков больше, чем при другом, называют выпрямляющим переходом.

Влияние температуры на прямую и обратную ветви вольт-амперной характеристики p-n-перехода показано штриховой линией (см. рис. 2.4). Прямая ветвь при более высокой температуре располагается левее, а обратная – ниже. Таким образом, повышение, температуры при неизменном внешнем напряжении приводит к росту как прямого, так и обратного токов, а напряжение пробоя, как правило, снижается. Причиной такого влияния повышения температуры является уменьшение прямого и обратного сопротивлений из-за термогенерации пар носителей заряда, а также из-за снижения потенциального барьера (j) и увеличение энергии подвижных носителей зарядов.

Рассмотрим причины, вызывающие пробой p-n-перехода и процессы, которые при этом происходят.

Пробоем p-n-перехода (рис. 2.5) называют, как было сказано, резкое уменьшение обратного сопротивления, вызывающее значительное увеличение тока при достижении обратным напряжением критического для данного прибора значения (Uобр.проб). Пробой p-n-перехода происходит при повышении обратного напряжения вследствие резкого возрастания процессов генерации пар «свободный электрон – дырка». В зависимости от причин, вызывающих дополнительную интенсивную генерацию пар носителей заряда, пробой может быть электрическим и тепловым. Электрический пробой, в свою очередь, делится на лавинный и туннельный.

Лавинный пробой – электрический пробой p-n-перехода, вызванный лавинным размножением носителей заряда под действием сильного электрического поля. Он обусловлен ударной ионизацией атомов быстро движущимися неосновными носителями заряда. Движение этих носителей заряда с повышением обратного напряжения ускоряется электрическим полем в области p-n-перехода. При достижении определенной напряженности электрического поля они приобретают достаточную энергию, чтобы при столкновении с атомами полупроводника отрывать валентные электроны из ковалентных связей кристаллической решетки. Движение образованных при такой ионизации атомов пар «электрон – дырка» также ускоряется электрическим полем, и они, в свою очередь, участвуют в дальнейшей ионизации атомов. Таким образом, процесс генерации дополнительных неосновных носителей заряда лавинообразно нарастает, а обратный ток через переход увеличивается. Ток в цепи может быть ограничен только внешним сопротивлением.

Лавинный пробой возникает в высокоомных полупроводниках, имеющих большую ширину p-n-перехода. В этом случае ускоряемые электрическим полем носители заряда успевают в промежутке между двумя столкновениями с атомами получить достаточную энергию для их ионизации.

Напряжение лавинного пробоя увеличивается с повышением температуры из-за уменьшения длины свободного пробега между двумя столкновениями носителей заряда с атомами. При лавинном пробое напряжение на p-n-переходе остается постоянным, что соответствует почти вертикальному участку в обратной ветви 1 вольт-амперной характеристики (см. рис. 2.5).

Туннельный пробой – это электрический пробой p-n-перехода, вызванный туннельным эффектом. Он происходит в результате непосредственного отрыва валентных электронов от атомов кристаллической решетки полупроводника сильным электрическим полем. Туннельный пробой возникает обычно в приборах с узким p-n-переходом, где при сравнительно невысоком обратном напряжении (до 7 В) создается большая напряженность электрического поля. При этом возможен туннельный эффект, заключающийся в переходе электронов валентной зоны р-области непосредственно в зону проводимости n-области. Объясняется такое явление тем, что при большой напряженности электрического поля на границе двух областей с разными типами электропроводности энергетические зоны искривляются так, что энергия валентных электронов р-области становится такой же, как энергия свободных электронов n-области (рис. 2.6).

Читайте так же:
Физические явления теплопроводность тепловое действие тока

Электроны переходят на энергетической диаграмме (см. рис. 2.6) как бы по горизонтали из заполненной зоны в находящуюся на том же уровне свободную зону соседней области, а в полупроводниковом приборе, соответственно, через p-n-переход. В результате перехода дополнительных неосновных носителей заряда возникает туннельный ток, превышающий обратный ток нормального режима в десятки раз. Напряжение на p-n-переходе при туннельном пробое остается постоянным (см. рис. 2.5, вертикальный участок кривой 2). При повышении температуры напряжение туннельного пробоя уменьшается.

Оба вида электрического пробоя, как лавинного, так и туннельного, не разрушают p-n-переход и не выводят прибор из строя. Процессы, происходящие при электрическом пробое, обратимы: при уменьшении обратного напряжения свойства прибора восстанавливаются.

Тепловой пробой вызывается недопустимым перегревом p-n-перехода, когда отводимое от перехода в единицу времени тепло меньше выделяемого в нем тепла при протекании большого обратного тока, в результате чего происходит интенсивная генерация пар носителей заряда. Этот процесс развивается лавинообразно, поскольку увеличение обратного тока за счет перегрева приводит к еще большему разогреву и дальнейшему росту обратного тока.

Тепловой пробой носит обычно локальный характер: из-за неоднородности p-n-перехода может перегреться отдельный его участок, который при лавинообразном процессе будет еще сильнее разогреваться проходящим через него большим обратным током. В результате данный участок p-n-перехода расплавляется; прибор приходит в негодность. Участок теплового пробоя на вольт-амперной характеристике (см. рис. 2.6, кривая 3) соответствует росту обратного тока при одновременном уменьшении падения напряжения на p-n-переходе.

Тепловой пробой может наступить как следствие перегрева из-за недопустимого увеличения обратного тока при лавинном или туннельном пробое, при недопустимом увеличении обратного напряжения, а также в результате общего перегрева при плохом теплоотводе, когда выделяемое в p-n-переходе тепло превышает отводимое от него. Повышение температуры уменьшает напряжение теплового пробоя и может вызвать тепловой пробой при более низком, чем при возникновении электрического пробоя, напряжении.

Для предотвращения теплового пробоя в паспорте прибора указывается интервал рабочих температур и допустимое обратное напряжение (примерно 0,8 от пробивного).

Изменение внешнего напряжения (dU) на p-n-переходе приводит к изменению накопленного в нем заряда (dQ). Поэтому p-n-переход ведет себя подобно конденсатору, емкость которого равна:

В зависимости от физической природы изменяющегося заряда различают емкости барьерную (зарядную) и диффузионную.

Барьерная (зарядная) емкость определяется изменением нескомпенсированного заряда ионов при изменении ширины запирающего слоя под воздействием внешнего обратного напряжения. Поэтому идеальный электронно-дырочный переход можно рассматривать как плоский конденсатор, емкость которого определяется соотношением

где S, l(U) – соответственно площадь и толщина p-n-перехода.

Емкость, обусловленная неподвижными зарядами ионов доноров и акцепторов, создающих в p-n-переходе как бы плоскостной конденсатор, носит название барьерной, или зарядной. Она тем больше, чем больше площадь p-n-перехода и меньше его ширина.

Ширина p-n-перехода зависит от величины и полярности приложенного напряжения. При прямом напряжении она меньше, следовательно, барьерная емкость возрастает. При обратном напряжении барьерная емкость уменьшается тем сильнее, чем больше Uобр. Это используется в полупроводниковых приборах (варикапах), служащих конденсаторами переменной емкости, величина которой управляется напряжением. Барьерная емкость в зависимости от площади p-n-перехода составляет десятки и сотни пикофарад. Её вольт-фарадная характеристика представлена на рис. 2.7, а.

Емкость, обусловленная объемными зарядами инжектированных электронов и дырок по обе стороны от p-n-перехода, где их концентрация в результате диффузии через p-n-переход велика, носит название диффузионной. Она проявляется при прямом напряжении, когда происходит инжекция носителей заряда, и значительно превышает по величине барьерную емкость, составляя в зависимости от величины прямого тока сотни и тысячи пикофарад. При обратном напряжении она практически отсутствует. Её вольт-фарадная характеристика представлена на рис. 2.7, б.

Таким образом, при прямом напряжении следует учитывать диффузионную емкость, а при обратном – барьерную.

Дата добавления: 2016-05-28 ; просмотров: 4448 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ

“PN Соединительный диод | Это свойства | Принципиальная схема | Важные приложения »

В этой статье мы узнаем о диоде с PN переходом и его характеристиках:

  • Что такое диод с PN переходом?
  • Определение диода с PN переходом:
  • Принцип работы диода с PN переходом
  • Свойства диода с PN переходом
  • Схема и обозначение диода PN перехода
  • Эквивалентная схема диода с PN переходом:
  • PN-переход Ток протекает
  • Идеальное соотношение тока и напряжения
  • Характеристики PN перехода
  • Диодные квазиуровни Ферми
  • Применение диода с PN переходом

Что такое диод с PN переходом?

Определение диода с PN переходом:

Диод с pn переходом — это двухполюсный или двухэлектродный полупроводниковый прибор..

«Диод называется диодом с PN переходом, если он образован P-типом на одной стороне и N-типом на дополнительной. или в обратном направлении. «

Диод должен находиться в прямом смещенном состоянии, чтобы пропускать электрический ток. через это.

  • Если к клеммам P подключено положительное напряжение, ток затем проходит из области P в N, поскольку положительное напряжение помогает пересечь область истощения. Когда мы используем отрицательное напряжение, приложенное к р-типу, зона истощения увеличивается и препятствует протеканию тока.
Читайте так же:
Автоматический выключатель с тепловой отсечкой

Как работает диод с PN-переходом?

PN переходный диод

PN переходный диод

Принцип работы диода PN перехода:

В диоде с PN-переходом мы будем рассматривать pn-переход с напряжением прямого смещения. Мы можем определить вольт-амперные характеристики. Потенциальный барьер этого pn перехода уменьшается при приложении к нему напряжения прямого смещения. Это позволит электронам и дырам протекать через область пространственного заряда.

Когда дырки начинают проходить через p-область по всей площади пространственного заряда, они получают избыточные неосновные носители, а именно дырки и дополнительные неосновные носители в результате процесса дрейфа, рекомбинации и диффузии.

Точно так же, когда электроны в этой области начинают движение через область пространственного заряда к P. Они получают избыточные электроны неосновных носителей заряда.

Когда в линейных усилителях используются полупроводниковые приборы с pn-переходами, например, изменяющиеся во времени знаки накладываются на постоянные токи и напряжения. Крошечное синусоидальное напряжение, приложенное к постоянному напряжению, приложенному к pn переходу, инициирует ток слабого сигнала. Отношение тока к напряжению создает проводимость слабого сигнала этого pn-пересечения. Полная проводимость pn-пересечения с прямым смещением включает параметры как проводимости, так и емкости.

Какой ток PN-перехода?

Когда прямое смещенное напряжение прикладывается к pn переходу, в устройстве генерируется ток. Это известно как ток PN перехода.

Определите идеальное соотношение тока и напряжения:

“PN Соединительный диод | Это свойства | Принципиальная схема | Важные приложения »

Идеальный ток PN перехода:

Идеальный ток на пересечении pn зависит от важных компонентов четвертого принципа, упомянутого в предыдущем разделе. Полный ток на пересечении представляет собой сумму этих электронов и дырочных токов, которые остаются постоянными в области истощения.

Градиенты концентраций неосновных носителей заряда создают диффузионные токи, и, поскольку мы считаем, что электрическое поле должно быть «0» на границе пространственного заряда, мы можем пренебречь током дрейфа в этом подходе.

Эквивалентная схема диода с PN переходом:

Эквивалентная схема слабого сигнала р-n перехода с прямым смещением выводится из уравнения.

Требуется добавить емкость перехода параллельно диффузионному сопротивлению (rd) и диффузионной емкости. Последним элементом эквивалентной схемы является серия сопротивлений. Нейтральные области n и p имеют сопротивление pf с числом «C», поэтому фактический pn-переход включает последовательное сопротивление, полная эквивалентная схема которого представлена ​​на рисунке выше.

Напряжение через фактическое соединение равно — Фактическое напряжение (Вa), а полное напряжение, приложенное к pn-диоду, определяется выражением (Vприложение) Итак, выражение для идеального состояния выглядит следующим образом:

“PN Соединительный диод | Это свойства | Принципиальная схема | Важные приложения »

ВАХ с прямым смещением для диода на pn переходе с эффектом последовательного сопротивления

На приведенном выше рисунке показаны VI-характеристики, которые показывают влияние последовательного сопротивления. Напряжение, которое, как правило, может быть больше, необходимо, чтобы найти точно такое же текущее значение, когда включена полоса устойчивости. В большинстве диодов показывающее сопротивление, вероятно, будет незначительным. В некоторых полупроводниковых приборах с pn-переходами, но последовательное сопротивление будет принадлежать некоторой петле обратной связи.

Обратно-смещенный рекомбинационный ток:

Если диод с PN-переходом имеет обратное смещение, было обнаружено, что подвижные дырки и электроны были стерты из секции пространственного заряда. Отрицательный сигнал объясняет отрицательную скорость рекомбинации; поэтому мы фактически генерируем электронно-дырочные пары внутри области обратного смещения пространственного заряда. Рекомбинация избыточных дырок и электронов на процедуре при попытке восстановить тепловой баланс. Учитывая, что концентрация дырок и электронов практически равна нулю в области обратного смещения, дырки и электроны генерируются через уровень ловушки, что также пытается восстановить тепловой баланс.

Поскольку дырки и электроны генерируются, они захватываются из области пространственного заряда электрическим полем. Поток заряда находится в текущем направлении обратного смещения. Этот производственный ток обратного смещения, который в основном является результатом образования дырок и электронов в области пространственного заряда, добавляется к идеальному току насыщения обратного смещения.

Прямой рекомбинационный ток:

Для PN-перехода с обратным смещением электроны и дырки очищаются в основном от области пространственного заряда. Однако при прямом смещении электроны и дырки инжектируются через область пространственного заряда; при этом некоторые дополнительные расходы оператора связи могут быть в районе космического заряда. Существует определенная вероятность того, что некоторые из этих электронов и дырок также рекомбинируют в течение этого времени.

Диодные квазиуровни Ферми

“PN Соединительный диод | Это свойства | Принципиальная схема | Важные приложения »

Квазифермиевские уровни диода
Изображение Фото: Пиво охаре, Диодные квазиуровни Ферми, CC BY-SA 3.0

Каковы виды использования PN-перехода, диода?

Важные области применения диода с PN переходом:

  • В качестве фотодиодов можно использовать диод с PN переходом.
  • PN-диод может использоваться как солнечная батарея.
  • В качестве светодиода используется диод с прямым смещением PN перехода.
  • Диод с PN переходом, используемый в качестве выпрямителей в устройствах с регулируемым напряжением в варакторах.

Узнать больше о диоде нажмите сюда

О Сумали Бхаттачарье

“PN Соединительный диод | Это свойства | Принципиальная схема | Важные приложения »

В настоящее время я инвестирую в сферу электроники и связи.
Мои статьи сосредоточены на основных областях базовой электроники с использованием очень простого, но информативного подхода.
Я хорошо учусь и стараюсь быть в курсе всех последних технологий в области электроники.

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector