Тема: Электронно-дырочный переход и его свойства

Электронно-дырочный переход – это тонкий слой между двумя областями кристалла с разными типами электропроводимости: электронной и дырочной.

Технологии изготовления: сплавление, диффузия одного кристалла в другой, эпитаксия – ориентированный рост одного кристалла на поверхности другого.

По конструкции p-n переходы: резкий или плавный, симметричный или несимметричный и т.д.

Основное свойство p-n перехода – несимметричная электропроводность. P-n переходы используются в большинстве полупроводниковых приборов. Получение двухслойной структуры с областями p и n типа, один из слоев имеет большую концентрацию, чем другой.

Электронные процессы в p-n переходе в отсутствии внешнего напряжения.

Рассмотрим два находящихся в контакте образца германия с дырочной и электронной проводимостями. Граница раздела образцов плоская, в месте соединения контакт идеальный. Кроме основных носителей заряда существуют неосновные, которые воссоздаются путем перехода из основного состояния валентной зоны в зону проводимости. Концентрация неосновных носителей N_p=10^-9 см^-3, P_n=10¹³ см^-3.Из-за разности концентраций основных носителей зарядов из области высокой в область низкой концентрации.

I_диф =I_{диф р} +I_{диф п} ≈I_{диф р} P_p>>N_n

В результате диффузии основных носителей происходит перераспределение заряда, прилегающий к контакту слой дырочной области полупроводника возникает отрицательный пространственный заряд, ионизированный акцептор, который не скомпенсирован зарядом дырок; в электронной области возникает положительный пространственный заряд. Наличие объемного заряда – главная особенность p-n перехода.

За счет ухода основных носителей из первого слоя и их рекомбинацией в другом, возникает область объединения подвижными основными носителями заряда и обладающим высоким сопротивлением. Эта область называется запирающий слой.

Электрическое поле, возникшее внутри запирающего слоя вызывает направленное движение носителей через переход. Диффузия носителей приводит к росту электрического поля и величины перепадов потенциала (потенциального барьера). В p-n переходе при этом растет дрейфовый ток. Рост тока прекращается, когда суммарный ток равен 0.

I_диф =-I_др

I_а =I_диф –I_др =I_{диф р} +I_{диф п} –I_{др п} –I_{др р} =0

Равенство состояний тока создается установление соответствующего потенциального барьера. Высота контактной разности потенциалов зависит от соотношения концентраций носителей заряда одного знака по обе стороны перехода, а определяется:

Фо=Фт*ln(Pp/Pn)= Фт*ln(Nn/Np), Фт=k*T/q

Высота барьера зависит от температуры.

Тема: Процессы в p-n переходе при наличии внешнего напряжения.

Если двухслойный полупроводник включить в цепь и приложить к нему прямое напряжение U_a, то напряжение практически все оказывается приложенным к участку с наименьшим сопротивлением. Из-за встречного направления внутреннего и внешнего полей результирующая напряженность поля в запирающем слое снижается и высота потенциального барьера становится равной 0: Ф=Ф₀-U_a.

В результате возрастает количество носителей, обладающих энергией достаточной для преодоления потенциального барьера и увеличивается диффузионный ток через переход. Дрейфовый ток, создаваемый потоками неосновных носителей заряда, подходящих из приграничных слоев к p-n переходу остается без изменения. Разность диффузионного и дрейфового токов определяют результирующий прямой ток: I=I _диф -I _др

Уменьшение потенциального барьера облегчает переход основных носителей заряда под действием диффузии через границу раздела в соседние области, что приводит к увеличению диффузионного тока через переход. Потенциальный барьер измеряется долями вольта, поэтому для протекания прямого тока достаточно приложить напряжение в доли вольта. Результирующее напряжение приводит к уменьшению объемного заряда и снижению запирающего слоя.

При подключении к p-n переходу источника внешнего напряжения в обратном направлении, потенциальный барьер увеличивается на величину приложенного напряжения U_в и становится равным: Ф=Ф₀+U_В.

При этом увеличивается объемный заряд в p-n переходе и его ширина. Возросший потенциальный барьер затрудняет прохождение через переход основных носителей заряда, впоследствии чего диффузионный ток уменьшается, а дрейфовый можно считать неизменным. Однако теперь он превышает диффузионный ток. Ток через переход протекает в обратном направлении.

При обратном подключении преобладающую роль имеет дрейфовый ток. Он имеет небольшую величину, так как создается неосновных носителями заряда. Этот ток называется обратным:

I=I _др-I _диф.

Величина обратного тока практически не зависит от приложенного напряжения. Для неосновных носителей потенциальный барьер отсутствует. Неосновные носители втягиваются полем в переход и быстро преодолевают его (явление экстракции).

Увеличение обратного тока наблюдается за счет уменьшения диффузионной составляющей тока. Основные носители заряда не способны преодолеть потенциальный барьер в связи с чем Iдиф=0. Этим объясняется отсутствие роста обратного тока при увеличении Uобр.

Составляющая дрейфового тока создается неосновными носителями. Обратный ток, создаваемый неосновными носителями заряда зависит от их концентрации в p и n слоях, а так же рабочей поверхности p-n перехода. Поскольку концентрация неосновных носителей заряда является функцией, зависящей от температуры, обратный ток диода также зависит от температуры, поэтому его иногда называют тепловым.

Таким образом при протекании прямого тока через p-n переход из электронной области в дырочную происходит инжекция электронов, а из дырочной области инжекция дырок. Диффузионный ток зависит от высоты потенциального барьера и по мере его снижения увеличивается экспоненциально:

Кроме диффузионного тока, прямой ток содержит ток проводимости, протекающий в обратном направлении:

Полупроводник имеет емкость, которая в общем случае определяется как отношение приращения заряда к приращению падения напряжения на нем: C=dQ/dU

Емкость перехода зависит от значения полярности внешнего приложенного напряжения. При обратном напряжении при переходе эта емкость называется барьерной и определяется как:

Теоретически барьерная емкость может существовать и при прямом переходе, однака она шунтируется низким дифференциальным сопротивлением. При прямом смещении значительно большее влияние оказывает дифференциальная емкость, которая зависит от значения прямого напряжения и жизни неосновных носителей:

Эта емкость не связана с током обратного смещения, но дает такой же сдвиг фазы между током и напряжения, как и обычный ток. Полная емкость: С=Сдиф+Сбар. Для обратного смещения Сдиф отсутствует. С=Сбар.

Тема: Полупроводниковый диод.

Полупроводниковый диод – это прибор, имеющий два выхода и один p-n переход.

Диоды бывают: выпрямительные, специальные.

В зависимости от величины и формы переменного напряжения, они делятся на ВЧ, НЧ, импульсные и др.

Конструктивно выпрямительные диоды делятся на плоскостные и точечные.

Материалом для диодов служит кремний и оксид бария, германий применяют редко.

Силовые диоды характеризуются набором статических и динамических характеристик.

Статические параметры: падение напряжения при некотором значении прямого тока, обратный ток при некотором значении обратного напряжения, среднее значение прямого тока.

Динамические параметры – это его временные характеристики: время нарастания прямого тока – tнар, время восстановления обратного напряжения – tвос, предельная частота диода – fmax.

Tвос – основной параметр диода, характеризующий их инерционные свойства. Оно определяется переходом диода с заданного прямого тока на заданное обратное напряжение.

Напряжение на выходе в момент времени =0 скачком приобретает положительное значение максимального напряжения. Из-за инерционности диффузионного процесса ток в диоде появляется не мгновенно, а нарастает в течении времени tнар. Совместно с нарастанием тока, в диоде снижается напряжение, которое после tнар становится равным Uпр. В момент времени t1 в цепи устанавливается стационарный режим, при котором ток диода определяется: i=Iи≈Um/Rn

Это сохраняется до t2, когда полярность напряжения меняется. Однако заряды накопленные на границе p-n перехода какое-то время поддерживаю диод открытым, но направление тока диоде меняется на противоположное. После времени рассасывания начинается процесс выключения диода, то есть процесс восстановления его запирающих свойств.

К моменту t3, напряжение на диоде =0, и в дальнейшем приобретает отрицательное значение. Процесс восстановления запирающих свойств диода продолжаентся до t4. К этому времени ток в диоде =0, а напряжение достигает –Umax. Таким образом время tвос считают от перехода напряжения через 0 до достижения тока диода нулевого значения. Процесс выключения диода не является идеальным квантилем и в определенных условиях обладает проводимостью обратного направления.

Время рассасывания:

Время восстановления обратного напряжения на диоде:

Мощность на диоде резко увеличивается при его включении и особенно при его выключении, следовательно, потери в диоде увеличиваются с повышением частоты. При работе диода при низкой частоте и гармонической форме напряжения питания импульсы тока большой амплитуды отсутствуют, и потери в диоде снижаются.

При изменении температуры корпуса диода, меняются его параметры, что необходимо учитывать при разработке оборудования. Наиболее сильно зависят обратный ток и прямое напряжения. ТКН (температурный коэффициент напряжения) имеет отрицательное значение, так как при увеличении температуры, напряжение на диоде падает. Обратный ток имеет прямую зависимость и имеет положительный коэффициент.

Потери в выпрямительных диодах6

Дата добавления: 2014-01-04