Полупроводниковые резисторы

Это полупроводниковые приборы с двумя выводами, в которых используется зависимость элекросопротивления полупроводника от температуры, светового потока, напряженности электрического поля и других управляющих параметров.

В полупроводниковых резисторах применяются однородные полупроводники, равномерно легированные примесями. В зависимости от типа примесей и конструкции резистора получают различные зависимости от управляющих параметров.

Различают следующие типы резисторов:

1. Линейный резистор – полупроводниковый резистор в котором применяется слабо легированный полупроводник типа Si или GaAS. Удельное сопротивление такого полупроводника мало зависит от напряженности электрического поля и плотности тока, поэтому сопротивление линейного резистора остается практически постоянным в широком диапазоне напряжений и тока. Линейные резисторы широко применяются в интегральных микросхемах.

2. Варистор – полупроводниковый резистор, сопротивление которого зависит от приложенного напряжения.

Варисторы представляют собой полупроводниковые резисторы с токопроводящим элементом, выполненным из карбида кремния и керамического связующего материала.

Вольтамперная характеристика и схемное обозначение варистора приведены на рисунке 1.1.

б)

а)

а – вольтамперная характеристика; б – схемное обозначение варистора

Рисунок 1.1 - Вольтамперная характеристика и схемное обозначение варистора.

С увеличением приложенного напряжения сопротивление варистора уменьшается, а ток, протекающий в цепи, нарастает. Основной особенностью варистора является нелинейность его вольтамперной характеристики, которая объясняется явлениями, происходящими на контактах и на поверхности кристаллов карбида кремния.

При повышении напряжения, приложенного к варистору, возрастает напряженность электрического поля между отдельными кристаллами. Это сопровождается электростатической эмиссией с острых зубцов и граней кристаллов карбида кремния. Одновременно происходит пробой оксидных пленок, образующихся на поверхности кристаллов, а также микронагрев контактных точек между кристаллами. Все это приводит к повышению проводимости варистора, причем полярность приложенного напряжения существенного значения не имеет - нелинейный рост тока через прибор наблюдается при повышении напряжения любой полярности. Так как вольтамперная характеристика симметрична, варистор может быть использован в цепях и постоянного, и переменного тока.

Варисторы применяются для защиты полупроводниковых элементов от пиковых напряжений.

3. Терморезистор – полупроводниковый резистор, сопротивление которого зависит от температуры.

В зависимости от типа используемого полупроводникового материала и габаритов чувствительного элемента исходное сопротивление терморезисторов составляет от нескольких Ом до десятков МОм.

Различают два типа терморезисторов:- термистор; - позистор.

Сопротивление термистора уменьшается с увеличением температуры почти равномерно (рис. 1.2, а). Терморезисторы с отрицательным температурным коэффициентом используются для измерения и регулирования температуры, термокомпенсации различных элементов электрической цепи, работающих в широком интервале температур, измерения мощности высокочастотных колебаний и индикации лучистой энергии, стабилизации напряжения в цепях постоянного, и переменного токов, в качестве регулируемых бесконтактных резисторов и т. п.

а) б) в)

а – зависимость сопротивления термистора от температуры; б - зависимость сопротивления позистора от температуры; в – схемное обозначение терморезистора.

Рисунок 1.2 – Зависимость сопротивления терморезисторов от температуры и его схемное обозначение.

Сопротивление позистора в определенном диапазоне температур почти не изменяется, а при достижении определенного значения резко возрастает (рис. 1.2, б). Терморезисторы с положительным температурным коэффициентом изготовляются на основе титаната бария, легированного специальными примесями, которые в определенном интервале температур увеличивают свое удельное сопротивление на несколько порядков. Применяются позисторы, как датчики определения температуры и в схемах температурной защиты.

1.4 Электронно–дырочный (p-n) переход и его свойства

В большинстве полупроводниковых приборов используются кристаллы полупроводника с двумя и более участками (слоями) с различным током проводимости (n и р).

Электронно-дырочный переход – переходная область на границе двух полупроводников с различными типами проводимости: электронной (n) и дырочной (р).

Рассмотрим схематично образование p-n перехода.

До соединения двух полупроводников с разной проводимостью электроны или дырки, положительные и отрицательные неподвижные ионы распределены в них равномерно (рис. 1.3, а).

n

а)

б)

а – структура полупроводников с разной проводимостью до их соединения; б – структура полупроводников после их соединения

Рисунок 1.3 – Схема образования p-n перехода.

При соединении полупроводников в пограничном слое происходит рекомбинация (воссоединение) электронов и дырок (рис. 1.3, б).

Из-за разности концентраций основных носителей в р- и n - слоях происходит процесс диффузии через переход носителей заряда из области с повышенной в область с пониженной концентрацией носителей. Свободные электроны из зоны полупроводника n – типа переходят на свободные уровни в валентной зоне полупроводника р – типа.

За счет ухода основных носителей из одного слоя и их рекомбинации в другом вблизи металлургической границы возникает область, обедненная подвижными основными носителями заряда и обладающая высоким сопротивлением. Эту область называют запирающий слой.

В запирающем слое нарушается баланс положительных и отрицательных зарядов, так как при уменьшении концентрации подвижных носителей оказывается некомпенсированным объемный заряд неподвижных ионов примесей: в р - слое - отрицательных, в n - слое - положительных ионов. Отрицательные неподвижные ионы р – области пограничного слоя и неподвижные положительные ионы n – области пограничного слоя создают запирающее электрическое поле. Это запирающее поле препятствует дальнейшему прохождению электронов из n – области в р – область (U = 0.3…0.9 В).

Ширина запирающего слоя в р - и n - слоях зависит от концентрации ионов примесей в слоях и тем меньше, чем больше концентрация примесей.

Если к р – n переходу приложить внешнее напряжение, которое создаст электрическое поле, совпадающее по направлению с запирающим полем Е_зап р- n перехода (т.е. приложить «+» к n и «-» к р), то это приведет к расширению запирающего слоя, т.к отведет от контактной зоны и электроны и дырки. При этом сопротивление перехода велико и переход называется закрытым, а приложенное напряжение называют обратным. Через переход в этом случае протекает только очень малый ток, обусловленный не основными носителями заряда. Обратный ток неосновных носителей через переход иногда называют тепловым током, так как он сильно зависит от температуры.

При другой полярности («+» к р, «-» к n) внешнее поле направлено на встречу запирающему. Толщина запирающего слоя уменьшается и при напряжении, равном U_зап=0.3…0.5 В, запирающий слой исчезает. Сопротивление р-n перехода резко уменьшается и через переход может протекать сравнительно большой ток. Такой ток называют прямым, а р - n переход открытым.

Зависимость тока через р - n переход от приложенного напряжения I = f(U) называется вольт - амперной характеристикой электронно-дырочного перехода (рис. 1.4). При малом прямом напряжении U_пр протекает большой прямой ток, при больших обратных напряжениях - малый тепловой ток.

Рисунок 1.4 – Вольт – амперная характеристика электронно-дырочного перехода.

Охарактеризуем области вольт – амперной характеристики

1. Е_вн < Е_зап;

2. Е_вн > Е_зап – рабочая область

;

3. Переход закрыт I = I_обр @ 0;

4. Пробой перехода.

Пробой перехода возникает тогда, когда движущиеся через переход не основные носители заряда под действием внешнего электрического поля приобретают энергию достаточную для ионизации атомов полупроводника. Происходит лавинное размножение носителей заряда и обратный ток I_обр через переход резко возрастает.

Если I_обр не превышает допустимого значения, то этот электрический пробой является обратимым и после снижения обратного напряжения свойства перехода восстанавливаются.

Если I_обр превышает допустимое значение, то зона р - n перехода перегревается и переход разрушается, то есть происходит тепловой пробой перехода.

Дата добавления: 2014-01-13