Електроніка та мікропроцесорна техніка

Електричний і тепловий пробої р-п переходу у багатьох випадках відбуваються одночасно. При надмірному розігріванні переходу, коли відбувається зміна структури кристала, перехід необоротно виходить з ладу. Якщо ж при виникненні пробою струм через р-п перехід обмежений опором зовнішньому ланцюгу і потужність, що виділяється на переході, невелика, то пробій обернений. В цьому випадку можна управляти зворотним струмом шляхом зміни зовнішньої напруги, що підводиться до переходу.

Аналіз вольтамперної характеристики р-п переходу дозволяє розглядати його як нелінійний елемент, опір якого змінюється залежно від величини і полярності прикладеної напруги (мал. 3.8, б). При збільшенні прямої напруги опір р-п переходу зменшується. Із зміною полярності і величини прикладеної напруги опір р-п переходу різко зростає. Отже, пряма (лінійна) залежність між напругою і струмом (закон Ома) для р-п переходів не дотримується. Нелінійні властивості р-п переходів лежать в основі роботи напівпровідникових приладів, що використовуються для випрямляння змінного струму, перетворення частоти, обмеження амплітуд і т.д.

2. Температурні і частотні характеристики переходу. Еквівалентна схема р-п-переходу

Температурні і частотні властивості р-п переходу

Властивості р-п переходу істотно залежать від температури навколишнього середовища. При підвищенні температури зростає генерація пар носіїв заряду - електронів і дірок, тобто збільшується концентрація неосновних носіїв і власна провідність напівпровідника. Це наочно показують вольтамперні характеристики германієвого р-п переходу, зняті при різній температурі (мал. 3.9). Як видно з малюнка, при підвищенні температури прямий і зворотний струми ростуть, а р-п перехід втрачає своя основна властивість - односторонню провідність.

Залежність від температури зворотної гілки вольтамперної характеристики визначається температурними змінами струму насичення. Цей струм пропорційний рівноважній концентрації неосновних носіїв заряду, яка із збільшенням температури зростає по експоненціальному закону.

Для германієвих і кремнієвих р-п переходів зворотний струм зростає приблизно в 2-2,5 разу при підвищенні температури на кожні 10 °С.

Мал. 3.9. Вплив температури на вольтамперну характеристику р-п переходу

Прямий струм р-п переходу при нагріві зростає не так сильно, як зворотний струм. Це пояснюється тим, що прямий струм виникає в основному за рахунок домішкової провідності. Але концентрація домішок від температури практично не залежить. Температурна залежність прямої гілки вольтамперної характеристики визначається змінами струму і показника експоненти.

Для германієвих приладів верхня температурна межа 70...90°С. У кремнієвих приладів унаслідок більшої енергії, необхідної для відриву валентного електрона від ядра атома, ця межа вища: 120... 150°С.

Властивості р-п переходу залежать також від частоти прикладеної напруги. Це пояснюється наявністю власної ємності між шарами напівпровідника з різними типами провідності.

При зворотній напрузі, прикладеній до р-п переходу, носії зарядів обох знаків знаходяться по обидві сторони переходу, а в області самого переходу їх дуже мало. Таким чином, в режимі зворотної напруги р-п перехід є ємність, величина якої пропорційна площі р-п переходу, концентрації носіїв заряду і діелектричної проникності матеріалу напівпровідника. Цю ємність називають бар'єрною. При малій зворотній напрузі, прикладеній до р-п переходу, носії зарядів протилежних знаків знаходяться на невеликій відстані один від одного. При цьому власна ємність р-п переходу велика. При збільшенні зворотної напруги електрони все далі відходять від дірок по обидві сторони від р-п переходу і ємність р-п переходу зменшується. Отже, р-п перехід можна використовувати як ємність, керовану величиною зворотної напруги.

При прямій напрузі р-п перехід, окрім бар'єрної ємності, володіє так званою дифузійною ємністю. Ця ємність обумовлена накопиченням рухомих носіїв заряду. При прямій напрузі в результаті інжекції основні носії заряду у великій кількості дифундують через знижений потенційний бар'єр і, не встигнувши рекомбінувати, накопичуються в n- і р-областях. Кожному значенню прямої напруги відповідає певна величина заряду накопиченого в області р-п переходу.

Мал. 3.10. Еквівалентна схема p-n переходу

Дифузійна ємність не робить істотного впливу на роботу р-п переходу, оскільки вона завжди зашунтована малим прямим опором переходу. Найбільше практичне значення має бар'єрна ємність. У зв'язку з цим еквівалентна схема р-п переходу (схема заміщення) для змінного струму має вигляд, показаний на мал. 3.10. При зворотній напрузі дифузійна ємність відсутня і має дуже велику величину. При роботі на високих частотах опір ємності зменшується, і зворотний струм може пройти через цю ємність, не дивлячись на велику величину опору. Це порушує нормальну роботу приладу, оскільки р-п перехід втрачає властивість односторонньої провідності. Тому для роботи на високих частотах використовуються в основному точкові напівпровідникові прилади, у яких площа р-п переходу незначна і власна ємність мала.

В даний час є напівпровідникові прилади, що успішно працюють в дуже широкому діапазоні частот - до сотень мегагерц і вище.

3. Створення р-п-переходу

Всі електричні контакти можна розділити на три основні групи: омічні, нелінійні і інжекторні. Залежно від призначення контакту до нього пред'являються різні вимоги. Так, омічний контакт повинен володіти дуже малим перехідним опором, не спотворювати форму сигналу, не створювати шумів, мати лінійну вольтамперну характеристику. Подібні контакти необхідні для з'єднання елементів схеми один з одним, з джерелами живлення і т.д.

Нелінійні контакти використовуються для перетворення електричних сигналів (випрямляння, детектування, генерування і т. п.). Вони мають різко нелінійну вольтамперну характеристику, форма якої визначається конкретним призначенням відповідного приладу. Інжектуючі контакти володіють здатністю направляти носії зарядів тільки в один бік. Цей тип контактів широко використовується в напівпровідникових приладах, наприклад, в біполярних транзисторах .

Найбільшого поширення в напівпровідниковій техніці і мікроелектроніці набули контакти типу напівпровідник - напівпровідник, а фізичні явища, що відбуваються в зоні цих контактів, лежать в основі роботи більшості напівпровідникових приладів.

Електричний перехід між двома областями напівпровідника, одна з яких має електропровідність п-типу, а інша р-типу, називають електронно-дірковим, або р-п переходом (мал. 3.1).

Електронно-дірковий перехід не можна створити простим зіткненням пластин п- і р-типу, оскільки при цьому неминучий проміжний шар повітря, оксидів або поверхневих забрудненні. Ці переходи отримують вплавленням або дифузією відповідних домішок в пластинки монокристала напівпровідника, а також шляхом вирощування р-п переходу з розплаву напівпровідника з регульованою кількістю домішок. Залежно від способу виготовлення р-п переходи бувають сплавними, дифузійними і ін.

Розглянемо явища, що виникають при електричному контакті між напівпровідниками п- і р-типу з однаковою концентрацією донорних і акцепторних домішок (мал. 3.2, а). Допустимо, що на межі розділу (перетин х0) тип домішок різко змінюється (мал. 3.2, б).

Існування електронно-дірковогопереходу обумовлене відмінністю в концентрації рухомих носіїв заряду електронної і дірчастої областей.

Мал. 3.1. Електронно-дірковий перехід

Унаслідок того що концентрація електронів в n-області вища, ніж в р-області, а концентрація дірок в р-області вища, ніж в п -області, на межі цих областей існує градієнт концентрацій носіїв, що викликає дифузійний струм електронів з n-області в р-область і дифузійний струм дірок з р-області в n-область (потік 2 на мал. 3.2, а). Окрім струму, обумовленого рухом основних носіїв заряду, через границю розділу напівпровідників можливий струм неосновних носіїв (електронів з р-області в n-область і дірок з n-області в р-область). Потоки неосновних носіїв на мал. 3.2, а позначені відповідно 3 і 4. Унаслідок істотної відмінності в концентраціях основних і неосновних носіїв струм, обумовлений основними носіями заряду, переважатиме над струмом неосновних носіїв. Якби електрони і дірки були нейтральними, то дифузія зрештою привела до повного вирівнювання їх концентрації за всім обсягом кристалі. На самій же справі дифузійні струми через р-п перехід не приводять до вирівнювання концентрації носіїв в обох частинах напівпровідника. З мал. 3.2, видно, що відхід електронів з при контактній n-області призводить до того, що їх концентрація тут зменшується і виникає некомпенсований позитивний заряд іонів донорної домішки. Так само в р-області унаслідок відходу дірок їх концентрація в приконтактному шарі знижується (мал. 3.2, в) і тут виникає негативний заряд іонів акцепторної домішки, що не компенсується. Таким чином, на межі областей n- і р-типу утворюються два шару протилежних по знаку зарядів. Область просторових зарядів, що утворилися, є р-n перехід. Його ширина зазвичай не перевищує десятих доль мікрометра.

Просторові заряди в переході утворюють електричне поле, направлене від позитивно заряджених іонів донорів до негативно заряджених іонів акцепторів. Схема утворення електричного поля в р-n переході показана на мал. 3.3, а і б. Це поле є гальмуючим для основних носіїв заряду і прискорюючим для неосновних. Тепер будь-який електрон, що проходить з електронної області в діркову, потрапляє в електричне поле, прагнучи повернути його назад в електронну область. Так само і дірки, потрапляючи з області р в електричне поле p-n переходу, будуть повернені цим полем назад в р-область.

Що ж до неосновних носіїв заряду, то вони, здійснюючи хаотичний тепловий рух (дрейфуючи), можуть потрапити в зону p-n переходу. В цьому випадку прискорююче поле переходу виштовхне їх за межі переходу.

На мал. 3.3, в показаний розподіл напруженості поля в p-n переході. Найбільша величина напруженості спостерігається в перетині х0, оскільки через цей перетин проходять всі силові лінії, що починаються на позитивних зарядах, розташованих лівіше х0. У міру видалення від х0 вліво кількість некомпенсованих позитивних зарядів зменшуватиметься, отже, і напруженість поля зменшуватиметься. Аналогічна картина спостерігається і при видаленні вправо від перетину х0. Якщо вважати, що поле створюється тільки зарядами донорів і акцепторів, то зменшення напруженості відбувається по лінійному закону.

Потенційна діаграма p-n переходу показана на мал. 3.3,г. За нульовий потенціал умовно прийнятий потенціал шару.. При переміщенні від х0 до перетину хп потенціал підвищується, а при переміщенні від х0 до хр - знижується. За межами переходу поле відсутнє. Перепад потенціалу в переході рівний контактній різниці потенціалів UK. Цей перепад зазвичай називають потенційним бар'єром, оскільки він перешкоджає переміщенню основних носіїв заряду.

Слід зазначити, що при кімнатній температурі деяка кількість основних носіїв зарядів в кожній з областей напівпровідника володіє енергією, достатньою для подолання потенційного бар'єру. Це призводить до того, що через p-n перехід дифундує незначна кількість електронів і дірок, утворюючи відповідно електронну і діркову складові дифузійного струму. Крім того, через р-п перехід безперешкодно проходять неосновні носії заряду, дірки з n-області і електрони з р-області, для яких електричне поле р-п переходу є прискорюючим. Ці заряди утворюють відповідно електронну і діркову складові дрейфового струму. Напрям дрейфового струму неосновних носіїв протилежний напряму дифузійного струму основних носіїв. Оскільки в ізольованому напівпровіднику щільність струму повинна бути рівна нулю, то врешті-решт встановлюється динамічна рівновага, коли дифузійний і дрейфовий потоки зарядів через р-п перехід компенсують один одного.

Контрольні запитання:

1. Що таке р-n-перехід та як він створюється?

2. Що собою являє вольт-амперна характеристика р-n-переходу?

3. Що таке пробій переходу, види пробою?

4. Як впливає температура на характеристики р-n-переходу?

5. Як залежать властивості р-п переходу від частоти прикладеної напруги?

6. Що таке еквівалентна схема p-n переходу?

Інструкційна картка №3 для самостійного опрацювання навчального матеріалу з дисципліни «Основи електроніки та мікропроцесорної техніки»

І. Тема: 2 Електронні прилади

2.1 Пасивні елементи електроніки

Мета: Формування потреби безперервного, самостійного поповнення знань; розвиток творчих здібностей та активізації розумової діяльності.

ІІ. Студент повинен знати:

- Призначення коливального контуру;

- Види коливальних контурів;

- Основні характеристики коливального контуру.

ІІІ. Студент повинен уміти:

- Викреслювати схеми коливальних контурів;

- Характеризувати схеми;

- Визначати основні параметри схеми.

ІV. Дидактичні посібники: Методичні вказівки до опрацювання.

V. Література: [5, с. 80-93].

VІ. Запитання для самостійного опрацювання:

1. Коливальні контури, їх використання

VІІ. Методичні вказівки до опрацювання: Теоретична частина.

VІІІ. Контрольні питання для перевірки якості засвоєння знань:

1. Що являє собою коливальний контур?

2. Область застосування коливального контуру?

3. Основні параметри коливального контуру?

ІХ. Підсумки опрацювання:

Підготував викладач: Бондаренко І. В

Теоретична частина: Пасивні елементи електроніки

План:

1. Коливальні контури, їх використання

Література

1. Коливальні контури, їх використання

Коливальний контур (рис. 1-28, а) являє собою широко розповсюджений радіотехнічний пристрій, що складається з індуктивності L, ємності С і активного опору r. Слід зазначити, що активний опір звичайно намагаються зробити якомога меншим, але позбавитися його взагалі неможливо, оскільки провідник завжди має якийсь опір. Проте, оскільки опір r дуже й дуже малий, ним звичайно нехтують і на схемах не показують.

Коли конденсатор С коливального контура (рис. 1-28, б) спочатку підімкнути до джерела живлення Е, а після того як він зарядиться, перемкнути на котушку L, то конденсатор почне розряджатися і в колі утворюється електричний струм, утворюючи навколо котушки магнітне поле. Спочатку й струм, і магнітне поле збільшуються. При цьому силові лінії поля перетинають витки котушки, наводячи в ній є. р. с. самоіндукції, яка перешкоджає підсиленню струму. Однак струм все-таки досягає максимального значення, і в цей момент вже не змінюється, а де означає, що магнітне поле котушки виявляється постійним, магнітні силові лінії не перетинають її витків, отже, е. р.с. самоіндукції дорівнює нулю. У цей момент конденсатор розряджається повністю, запасена ним енергія, що визначається за формулою

дорівнюватиме нулю, цілком перетворившись на енергію магнітного поля котушки, що визначається як

Страницы: 1, 2, 3