Плоскостной электронно-дырочный переход

Основные понятия теории электропроводности полупроводников. Электронно-дырочный p-n-переход. Вольтамперные характеристики. Дрейфовый и диффузионный ток. Барьерная и диффузионная емкость p-n-перехода. Возможность их использования и влияние на характеристики диодов. Виды пробоя p-n-перехода

Электрические цепи. Интегрирующие дифференцирующие. Векторные диаграммы напряжений и токов. Прохождение прямоугольного сигнала через них (ФНЧ и ФВЧ). Параллельный и последовательный колебательные контуры. Резонанс тока и напряжения. Амплитудно-частотная и фазо-частотная характеристики электрических цепей и их параметры

Виды и параметры электрических сигналов. Амплитудное, действующее, среднее значение напряжения и тока электрического колебания. Длительность импульса, период следования, частота, скважность, фронт и спад импульса

Виды электрических сигналов:

• синусоидальный
• прямоугольный
• треугольный
• пилообразный

t_и – длительность импульса (меряется по U/2)

t_ф – фронт импульса (нарастание) от 0,1 до 0,9

t_зад.фр – задний фронт импульса (спад) от 0,9 до 0,1

t_пауз – длительность паузы

Т = t_и+ t_пауз – период следования импульса

f = 1/Т – частота импульса

- скважность; .

Если для прямоугольных колебаний Q = 2, то есть t_и = t_пауз, то такие колебания называются меандр.

Колебание пикообразной формы - это колебание, в котором изменение мгоновенного значения протекает во времени по линейному закону. В общем случае нарастания T1 и убывания Т2 мгновенного колебания не равны.

Амплитудное значение - максимальное значение электрического сигнала(U_max).

Действующее значение переменного напряжения (тока) 220В производит такое же

тепловое действие, как и постоянное напряжение данной величины, то есть характеризует

тепловые потери.

Среднее значение – среднее арифметическое абсолютных значений колебаний в течение одного полупериода. Определяет площадь или произведение в каждой точке, а следовательно, количество переданного электричества и энергии.

Интегрирующие цепи:

τ = R·C

τ = L/С

τ – постоянная времени, численно равная времени, за которое свободная составляющая уменьшится в е раз.

Если падать на вход прямоугольный импульс на вход, то получим:

τ τ τ

max искажения при t = τ конденсатор min искажения

заряжается на ≈30%

Интегрирующие цепи используются в качестве звена фильтра низких частот, а также для синусов сглаживания высокочастотных шумов и импульсных помех, в генераторах пилообразного напряжения.

Дифференцирующие цепи:

τ = R·C

τ = L/R

τ τ τ

Используются для выделения фронтов сигнала, в том числе импульсных сигналов, а также в качестве звена фильтра высоких частот.

Резонанс – совпадение амплитуд. Следствие резонанса – увеличение амплитуды. При увеличении частоты генератора увеличиваются, а уменьшаются. При резонансе .

Параллельный резонанс возникает в цепи, состоящей из катушки индуктивности и конденсатора, соединенных параллельно. Полное сопротивление этой цепи зависит от частоты и наибольшее значение достигается при , называемой резонансной частотой. Параллельный резонанс – резонанс токов.

, где - комплексное сопротивление.

Ток в конденсаторе опережает напряжение, так как для возникновения между обкладками напряжения необходимы заряды, которые приносит ток.

Ток в катушке индуктивности отстает от напряжения, так как на любую попытку изменения тока катушка вначале реагирует возникновением встречной ЭДС самоиндукции.

При резонансе токов абсолютные значения токов катушки индуктивности и конденсаторы равны, а направления противоположны, т.е. они компенсируют друг друга, и результирующий ток стремится к 0.

Последовательный резонанс возникает в цепи с последовательным соединением конденсатора и катушки индуктивности.

Последовательный резонанс – резонанс напряжений – и напряжение на контуре стремится к нулю.

Колебательные контуры используются в генераторах. Параллельные колебательные контуры применяются в качестве избирательных радиочастотных цепей с целью выделения требуемой полосы частот.

Последовательные - для подавления и усиления сигнала на определённых частотах (частоте сети и ее гармониках при точных измерениях, промежуточной частоте в радиоприемниках и телевизорах).

Амплитудно-частотная характеристика - это график или аналитическое выражение, представляющее для данной цепи или устройства зависимость тока, напряжения или коэффициента усиления от частоты подводимого к нему синусоидального колебания. АЧХ показывает, как изменяется амплитуда синусоидального сигнала в зависимости от частоты.

- коэффициент передачи

- неравномерность АЧХ.

Добротность

Ширина полосы пропускания цепи – это полоса частот, заключенных между граничными частотами и численно равная разности этих частот. Значения граничных частот составляют 0,707 f₀ (резонансной частоты).

- полоса пропускания цепи по уровню 3дБ.

Относительные децибелы (δ – отношение двух величин в децибел):

относительные децибелы

Абсолютные децибелы - это отношение данной величины к некоторой фиксированной, например дБР – отношение данной мощности к мощности 1мВт на сопротивлении R=600 Ом, при напряжение UR=0,775 В; дБВ – отношение данного напряжения к UR. За 0 дБ звукового давления принимают нижний порог слышимости.

20дБ – 10 раз

40дБ – 100 раз

14дБ – 5 раз

12дБ – 4 раза

6дБ – 2 раза

3дБ - раз

1,5дБ - раз

Фазо-частотная характеристика - з ависимость сдвига фаз выходного сигнала относительно входного от частоты.

Любой периодический сигнал можно однозначно разложить в ряд Фурье на гармонические составляющие с определенными амплитудами и фазовыми сдвигами. Для того, чтобы форма выходного сигнала соответствовала форме входного, необходимо не только одинаковые усиления всех гармонических составляющих, но и одинаковая их задержка по времени.

Электропроводность твердых тел объясняется движением свободных электронов, т.е. электронов, утративших валентную связь с ядрами атомов. По электропроводности все вещества условно принято делить на проводники, полупроводники и диэлектрики.

Полупроводниковые материалы делятся на собственные (чистые) и примесные. При температуре 0˚К электроны в полупроводниках отсутствуют, и они являются диэлектриками. Для того чтобы в полупроводнике образовались свободные электроны, его кристалл необходимо нагреть или осветить, т.е. затратить для разрыва ковалентных связей некоторое количество энергии, подведенной извне.

Качество полупроводниковых приборов на 90 % определяется степенью частоты (собственного сопротивления).

Нарушение ковалентной связи приводит к одновременному образованию свободного электрона и дырки. В чистом полупроводнике количество свободных электронов равно числу дырок , где n – число электронов, p - число дырок. Процесс образования электронно-дырочных пар при повышении температуры называется термогенерацией, а обратный процесс - рекомбинацией носителей зарядов.

Дырка, как и свободный электрон, совершает хаотическое движение в кристалле полупроводника и ведет себя подобно частице с положительным элементарным зарядом. При внесении кристалла полупроводника в электрический ток, движение электронов и дырок упорядочивается. Они начинают двигаться в противоположных направлениях. Поэтому различают электропроводности электронную n–типа и дырочную p–типа.

Ток в кристалле полупроводника состоит из двух составляющих: дрейфового и диффузионного токов .

Дрейфовый ток в кристалле возникает в виде упорядоченного движения электронов и дырок под действием внешнего электрического поля Е. Он имеет электронную и дырочную составляющие .

Диффузионный ток создается за счет разности концентрации носителей движением заряженных частиц из областей кристалла с повышенной концентрацией в область, обедненную носителями, и также имеет электронную и дырочную составляющие

Характер токопрохождения и величина тока зависят от полярности и величины приложенного напряжения. Если «+» подключен к контакту слоя p, а «-» к контакту слоя n, то напряжение на переходе понизится, равновесие между и нарушится и через переход будет протекать прямой ток.

Если полярность источника питания изменить на обратную, то через p-n -переход могут пройти только неосновные носители зарядов. Направление тока этих зарядов противоположно направлению прямого тока, поэтому его называют обратным током. Его величина мала, т.к. число неосновных носителей очень невелико.

Для изготовления полупроводниковых приборов применяют примесные (легированные) полупроводники, обладающие, в отличие от чистых, значительно большей электропроводностью. В зависимости от рода примесей в полупроводнике в них преобладает либо электронная, либо дырочная электропроводность.

При легировании 4-хвалентного элемента (Si кремний или Ge германий) 5-тивалентным (Sb сурьма, As мышьяк, P фосфор) – донорная примесь - число свободных электронов превышает число дырок. Такой полупроводник обладает электронной проводимостью и является полупроводником n–типа.

При легировании кристалла Si кремния или Ge германия примесью 3-хвалентного элемента (B бор, In индий, Al алюминий) – акцепторная примесь - число свободных дырок превышает число электронов. Такой полупроводник обладает дырочной проводимостью и является полупроводником p–типа.

Работа большинства полупроводниковых приборов основана на использовании p-n -перехода. Физически это приконтактный слой толщиною в несколько микрон разновесных кристаллов.

Если к p-n -переходу приложить внешнее напряжение, то под его действием в цепи возникнет электрический ток. При больших обратных напряжениях наблюдается скачкообразное увеличение обратного тока. Это явление называется пробоем p-n -перехода, а соответствующее ему напряжение – напряжением пробоя.

- - - + - + + - n - + - p - - - + - + +

p-n переход дырки

ē ионы

Ионы в твердом теле не переносят электрических зарядов.

При подаче к полупроводнику положительного смещения запирающий слой исчезает, при дальнейшем увеличении прямого напряжения происходит инжекция носителей в ту область, где они не являются основными. Если теперь приложить запирающее напряжение, через p – n переход будет некоторое время протекать ток, использованный необходимостью возврата носителей в ту область, где они являются основными.

Явление рассасывания носителей ограничивает быстродействие полупроводниковых приборов.

При увеличении запирающего напряжения увеличивается ширина запирающего слоя.

Запертый p – n переход представляет собой переменный конденсатор, величина которого обратно пропорциональна величине запирающего напряжения (используется в варикапах) – барьерная емкость.

ВАХ p-n-перехода

p-n переход - область высокого сопротивления, потому что не имеет подвижных зарядов. Т.о. полупроводниковые диоды обладают односторонней проводимостью.

Напряжение смещенного p-n-перехода кремниевого диода = 0,6 В.

Различают электрический (лавинный, туннельный) и тепловой пробои.

Электрический пробой является обратимый и используется в качестве рабочего режима при создании некоторых п/п приборов - лавинных диодов, транзисторов, тиристоров, стабилитронов.

Лавинный пробой возникает при прикладывания к р-n -переходу высокого обратного напряжения. В этом случае неосновные носители могут приобретать в поле р-n -перехода настолько большую кинетическую энергию, что вызывают ударную ионизацию полупроводника, т.е., оставаясь в прежней энергетической зоне, носитель передает энергию носителю валентной зоны, переводя его в зону проводимости и создавая электронно-дырочную пару. Это приводит к лавинообразному нарастанию обратного тока.

Туннельный пробой возникает при меньших обратных напряжениях, чем лавинный, и обусловлен просачиванием неосновных носителей через барьер в зону, где они становятся основными носителями, за счёт туннельного эффекта.

Тепловой пробой возникает вследствие перегрева и разрушения р-n -перехода, протекающим через него током и является необратимым. Для его предотвращения нужно ограничить ток.

Р-n -переход обладает ёмкостью. Причем суммарная емкость состоит из барьерной и диффузионной:

С = С_бар+С_диф

Основное значение имеет барьерная ёмкость, которая возникает при приложении к р-n переходу обратного запирающего напряжения. Зависит от величины обратного напряжения и площади р-n -перехода и может достигать . Обкладки – р и n области, диэлектрик – p-n -переход. Использование барьерной емкости позволяет создавать конденсаторы с переменной емкостью, управляемой обратным напряжением. Такие приборы называются варикапами. Соотношение минимальной и максимальной емкостей может составлять 1:5.

C

с

Коэффициент перекрытия по ёмкости

Диффузионная ёмкость обусловлена накоплением заряда неосновных носителей при прямом смещении и рассасыванию его при обратном смещении. При прямом смещении ток в р-n - переходе в начальный момент представляет собой в основном ток заряда ёмкости С_диф. При обратном включении - обратный ток в начальный момент времени - ток перезаряда С_диф. С_диф оказывает существенное негативное влияние на быстродействие, является причиной появления сквозных токов в выпрямителях. Значение С_диф существенно больше, чем С_бар, но использовать её не удаётся, т.к. она зашунтирована малым прямым сопротивлением самого диода.

Полупроводниковые диоды. Принцип действия. Классификация, параметры. Выпрямительные диоды и мосты. Параллельное и последовательное соединения диодов. Стабилитроны и стабисторы. Варикапы. Диоды Гана, Шотки, туннельные, обращенные, лавинно-пролетные

Диодом называется полупроводниковый прибор с одним p-n -переходом и 2-мя выводами, с помощью которых он соединяется с внешней электрической цепью.

В основе классификации диодов лежат различные признаки:

· Вид электрического перехода (точечный, плоскостной);

· Физические процессы в переходе (туннельный, лавинно-пролетный);

· Характер преобразования энергии сигнала (фотодиод, светодиод, магнитодиод и т.д.);

· Диапазон рабочих частот (низкочастотные, высокочастотные, СВЧ диоды);

· Конструктивно-технологические особенности (диффузионные, эпитаксиальные, Шотки и т.д.);

В курсе изучения электроники основное внимание будем уделять изучению диодов с точки зрения:

· Применяемого исходного материала для изготовления диодов: кремниевые, германиевые, селеновые и т.д.;

· Использованию нелинейных свойств p-n -перехода: выпрямительные, стабилитроны, варикапы, импульсные.

На электронных схемах диоды обозначаются следующим образом:

Выпрямительный

Туннельный

Обращенный

Диоды являются полупроводниковыми приборами, которые пропускают ток в одном направлении. При прикладывании к диоду прямого напряжения («+» к аноду, а «-» к катоду), резко возрастает значение прямого тока, который во много раз больше обратного . Диоды не имеют диффузионной емкости, что обуславливает их высокое быстродействие; а также присутствуют высокие обратные токи, а следовательно низкое максимальное обратное напряжение и малое U_{пр max}.

К основным статистическим параметрам диода относят прямое падение напряжения при заданном прямом токе , и постоянный обратный ток при заданном обратном напряжении .

Дифференциальное сопротивление диода характеризует динамические параметры и влияет на крутизну вольтамперной характеристики диода, т.е. само дифференциальное сопротивление зависит от приложенного напряжения и протекающего тока

1. I_{пр max} ↑ ≤30 А

2. U_{пр max} ↓ ≤1.2 В

3. U_{обр max} ≤1600

4. I_{обр max} <100мА

Падение напряжения на отдельном диоде зависит от величины прямого тока и температуры и применяется в диапазоне для германиевых диодов, и для кремниевых .

Обратный ток , протекающий через диод, сильно зависит от температуры, и при некотором значении приближается к некоторому постоянному значению (с увеличением температуры происходит увеличение обратного тока).

Предельное значение температуры для германиевых диодов составляет ; кремниевых диодов .

В электрических схемах диоды включаются в цепь в прямом направлении. Е – напряжение источника питания. В практических схемах в цепь диода всегда включается какая-либо нагрузка, например, резистор. Такой режим работы диода называется рабочим. Его расчет производится по известным значениям и ВАХ диода. Расчет производится по формуле .

В формуле две неизвестных . Решение производится графически. На ВАХ диода накладывается прямая нагрузка, которая строится по 2-м точкам на осях координат при:

, т. А на рисунке.

, что соответствует т. Б.

Через эти точки проводим прямую, которая и является линией нагрузки. Координаты т. Т определяют рабочий режим диода.

Рабочий режим характеризуется следующими параметрами: - максимально допустимая мощность, рассеиваемая диодом; температурные параметры.

Рассмотрим группу полупроводниковых диодов, особенность работы которых связана с использованием нелинейных свойств p-n -перехода.

Выпрямительные диоды предназначены для преобразования переменного напряжения низкой частоты () в постоянное. Они подразделяются на диоды

• малой ,
• средней
• большой мощности.

Основными параметрами, характеризующими выпрямительные диоды, являются:

• Обратный ток при некотором значении обратного напряжения;
• Падение напряжения на диоде при некотором значении прямого тока через диод;
• Барьерная емкость диода при подаче на него обратного напряжения некоторой величины;
• Диапазон частот, в котором возможна работа диода без существенного снижения выпрямленного тока;
• Рабочий диапазон температур.

В рабочем режиме через диод протекает ток, и в его электрическом переходе выделяется мощность, вследствие чего температура перехода повышается. В установившемся режиме подводимая к переходу мощность и отводимая от него должны быть равны и не превышать максимально допустимой мощности , рассеиваемой диодом, т.е. . В противном случае наступает тепловой пробой диода.

Качество теплоотвода в диоде характеризуется параметром эксплуатационного режима – тепловым сопротивлением под которым подразумевается отношение разности температур электрического перехода и корпуса диода к мощности рассеиваемой на диоде установившемся режиме. Уменьшение позволяет при заданном значении увеличивать рабочую температуру перехода или при известном перепаде температур повышать прямые и обратные токи и напряжения диода. Это достигается применением специальных теплоотводов-радиаторов.

Для выпрямления высоких обратных напряжений применяются выпрямительные столбы, в которых диоды включаются последовательно.

Последовательное соединение диодов используется, если максимально допустимое обратное напряжение одного диода меньше напряжения, которое нужно выпрямить.

, где - число диодов; , - действующее значение; - коэффициент нагрузки.

, где 1.1 –коэффициент, учитывающий 10% разброс значений сопротивления по напряжению .

Из-за разброса этого параметра с тем, чтобы обратное напряжение более равномерно распределялось между диодами, диоды шунтируются резисторами с одинаковыми значениями сопротивлений, каждое из которых значительно наименьшего из обратных сопротивлений диодов, но достаточно большим, чтобы не вызвать рост обратного тока. Обычно это значение выбирается в пределах от нескольких десятков до сотен кОМ.

Например, U_н = 624В, а диод имеет следующие справочные данные: U_{обр max} = 400В, I_{обр max} = 5μА. Это параметры, которым должны удовлетворять все диоды данного типа, то есть наихудшие. Более качественный диод данного типа вполне может иметь меньший обратный ток (например, 1μА). Рассчитаем величину обратных соединений диодов:

R_{1 обр} = 80МОм

R_{2 обр} = 400Мом, при этом U_{1 обр} = 104В, U_{2 обр} = 520В> U_{обр max}, то есть второго, лучший диод выходит из строя.

Рассчитав по формуле = 8МОм и включив параллельно каждому из диодов резисторы, рассчитанного сопротивления, получим R^\_обр = 727Мом, при U^\_{1 обр} = 301В, U^\_{2 обр} = 323В< U_{обр max}.

Иногда в электрических схемах применяют параллельное соединение диодов для получения прямого тока, значение которого больше предельного значения тока одного диода.

Из-за разброса ВАХ диоды по току получают различную нагрузку. Поэтому для выравнивания значений токов, протекающих через них, применяют уравнительные добавочные резисторы, на которые падает излишнее напряжение. Практически параллельное соединение более 3-х диодов не применяется.

, где - среднее падение напряжения на диоде с прямым включением; Необходим ток для компенсации напряжения на втором диоде.

Например, есть диоды со следующими данными, взятыми из справочника.

Рассчитываем

Для другого, лучшего диода этого типа (на переходе падает 0,6В и 0,07 на p и n областях), а значит .

Получаем: и лучший диод выходит из строя.

и получаем . При этом

Используется редко из-за большой потери мощности и относительно невысокого КПД.

Стабилитроны – полупроводниковые диоды, работающие на обратной ветви ВАХ в области, где изменение напряжения электрического пробоя слабо зависит от значения обратного тока и применяется для стабилизации напряжения.

Односторонний стабилитрон

Двусторонний стабилитрон

Основными параметрами стабилитронов являются:

U_ст - напряжение стабилизации при номинальном значении тока;

I_{ст min} - минимальный ток стабилизации, при котором возникает устойчивый пробой;

I_{ст max} максимальный ток стабилизации, при котором мощность, рассеиваемая на стабилитроне, не превышает допустимого значения;

R_ст - дифференциальное сопротивление, характеризующее изменение напряжения стабилизации при изменении тока: R_ст =DU/DI

При рассмотрении ВАХ стабилитрона видно, что в области электрического пробоя имеется участок, который может быть использован для стабилизации напряжения. Такой участок у кремниевых плоскостных диодов соответствует изменениям обратного тока в широких пределах. При этом до наступления пробоя обратный ток очень мал, а в режиме пробоя, в данном случае в режиме стабилизации, он становится такого же порядка, как и прямой ток. Стабилитроны изготавливаются исключительно из кремния, их также еще называют опорными диодами, т. к. в ряде случаев получаемое от них стабильное напряжение используется в качестве опорного. При обратном токе напряжение стабилизации меняется незначительно. Стабилитрон работает при обратном напряжении.

Принцип работы поясняет схема параметрического стабилизатора напряжения. Нагрузка включена параллельно стабилитрону, поэтому в режиме стабилизации, когда напряжение на стабилитроне постоянно, такое же напряжение будет и на нагрузке. Все изменение входного напряжения будет поглощаться резистором R_огр, которое еще называют балластным. Сопротивление этого резистора должно быть определенного значения и его обычно рассчитывают для средней точки. Если входное напряжение будет изменяться, то будет изменяться ток стабилитрона, но напряжение на нем, следовательно, и на нагрузке, будет оставаться постоянным.

При напряжениях меньше 7В имеет место полевой (туннельный) пробой, больше 15В - лавинный пробой, от 7 до 15В - смешанный пробой. Пробои в стабилитронах обратимы.

В схемах со стабилитроном должен быть ограничивающий резистор.

Динамическое сопротивление, определяющее качество стабилитрона: (чем меньше, тем лучше)

Статическое сопротивление:

Коэффициент качества: =0,01 – 0,05

Температурный коэффициент напряжения: ТКН = (0,2 – 0,4%)/°С

Недостаток стабилитрона: при малых токах стабилизации <3 мА увеличивается и существенную роль играют шумы.

Стабисторы - это полупроводниковые диоды, аналоги стабилитронов, но в отличие от последних у стабисторов используется не обратное напряжение, а прямое. Значение этого напряжение мало зависит от тока в некоторых пределах. Напряжение стабилизации стабисторов обычно не более 2 вольт, чаще всего 0,7 В при токе до нескольких десятков мА. Особенность стабисторов - отрицательный температурный коэффициент напряжения, т. е. напряжение стабилизации с повышением температуры уменьшается. Поэтому стабисторы применяют также в качестве термокомпенсирующих элементов, соединяя их с обычными стабилитронами, имеющими положительный ТКН при условии непревышения тока самого слаботочного из них

Напряжения при этом складываются. Согласное параллельное включение не используется. Встречное параллельное и последовательное включение позволяет получить при необходимости разные уровни ограничиваемого напряжения для разных полярностей переменного тока, протекающего через нагрузку.

Варикапы - п/п нелинейный управляемый конденсатор, сконструированный таким образом, чтобы потери в диапазоне рабочих частот были минимальными. В варикапах используется свойство p – n перехода изменять свою барьерную емкость под действием внешнего запирающего нарпяжения. Диффузионная ёмкость в связи с её зависимостью от температуры и частоты, а главное с тем, что она шунтирована низким сопротивлением прямосмещённого р-n перехода использовать не представляет возможным. Барьерная ёмкость при обратном смещении р-n перехода широко используется. В качестве варикапов можно использовать стабилитроны с напряжением ниже напряжения стабилизации, когда обратный ток еще очень мал, а обратное сопротивление очень велико.

Добротность:

Применяют в электронных устройствах для настройки частоты параллельных колебательных контуров, в избирательных усилителях и генераторах (например, с целью выбора телевизионных и радиопрограмм).

Туннельные диоды – диоды, в основе которых использован туннельный эффект. Любой двухполюсник, имеющий на ВАХ участок отрицательного дифференциального сопротивления, может использоваться как усилитель или генератор, но не оправдали надежд, так как подвержены временной деградации.

Обращенные диоды – разновидность туннельных, не имеющие на ВАХ участки отрицательного дифференциального сопротивления, используются для выпрямления малых сигналов (за счет большой крутизны обратной диодной характеристики).

Диод Шотки – диод, полученный путём металлизации p-проводника. У него отсутствует С_диф, что позволяет увеличить быстродействие диода на порядок, имеет малое прямое напряжение
(U_пр < 0,3В), но имеет большие обратные токи (сотни мА) и малое пробивное напряжение (<200В).

В качестве генераторных и усилительных диодов на СВЧ могут так же использоваться лавинно-пролетные диоды и диоды Гана, которые в последнее время были вытеснены арсенид галлиевыми СВЧ полевыми транзисторами за счет их лучших шумовых и усилительных характеристик.

Дата добавления: 2015-05-06