Шпоры по электронике!!! (Шпоры к экзамену), страница 3

1. Неравновесные носители в полупроводниках

Под влиянием различных внешних воздействий концентрация свободных носителей может превысить равновесное значение. Неравновесные носители могут возникать под действием внешнего электромагнитного излучения, вызывающего переброс электронов из валентной зоны в зону проводимости. Этот переброс может быть как одноступенчатым (непосредственно из зоны в зону), так и многоступенчатым — через уровни в запрещенной зоне, соответствующие ловушкам или центрам генерации. Внешнее излучение может быть световым (световая генерация электронно-дырочных пар), рентгеновским или γ-излучением. Аналогичный эффект дает воздействие ионизирующих частиц (например, α-частиц). Другим механизмом возникновения неравновесных носителей является ударная ионизация. Электрон или дырка, ускоряясь в сильном электрическом поле и соударяясь с атомом, вызывает его ионизацию и рождение электронно-дырочной пары. Такой тип генерации неравновесных носителей возникает при пробое p-n-переходов в большинстве полупроводниковых приборов. Одним из наиболее распространенных механизмов создания неравновесных носителей является введение (инжекция) их в данную область полупроводника извне, из другой, соседней области (например, инжекция электронов из области n-типа в область p-типа в p-n-переходе). Концентрации в неравновесном состоянии будем обозначать n_n, p_n для полупроводника n-типа и n_p, p_p — для полупроводника p-типа, а в равновесном n_n0, p_n0, n_p0 и p_p0 соответственно. Разности между неравновесной и равновесной концентрациями будем называть избыточными концентрациями электронов и дырок Δn, Δp. Одним из главных принципов, лежащих в основе многих физических процессов, является принцип электрической нейтральности полупроводника, заключающийся в том, что в состоянии равновесия суммарный заряд в полупроводнике равен нулю. В частности, для однородного полупроводника он выражается уравнением нейтральности p+N_Д⁺=n+N_А^-, где N_Д⁺, N_А^- - концентрации ионов доноров и акцепторов. В неравновесном состоянии уравнение нейтральности может нарушиться. В этом случае возникают объемный заряд и сильное электрическое поле, способствующее восстановлению нейтральности. Время, в течение которого восстанавливается нейтральность τ_рел, называется временем диэлектрической релаксации. Оно очень мало и определяется по формуле τ_рел = ρε₀ε_П. Если избыточные концентрации носителей малы по сравнению с равновесными концентрациями основных носителей, то изменение избыточных концентраций в n-полупроводнике описывается дифференциальным уравнением генерации — рекомбинации d(Δp_n)/dt = -(Δp_n/τ_p) + G, где τ_p — параметр, называемый временем жизни неравновесных неосновных носителей; G — скорость генерации, задаваемая внешним воздействием, т. е. число неравновесных носителей, возникающих в единицу времени. Время жизни неравновесных неосновных носителей представляет собой

1. Выпрямительные диоды

Принцип работы выпрямительных диодов основан на использовании односторонней проводимости (вентильных свойств) электрического перехода для преобразования переменного тока в однополярный пульсирующий. Выпрямительные диоды широко применяют в цепях управления и коммутации РЭА, источниках питания, ограничителях выбросов напряжений. Наибольшее использование в РЭА нашли кремниевые, германиевые диоды, диоды с барьером Шотки, а в аппаратуре специального назначения и измерительной аппаратуре, работающей в условиях высокой температуры окружающей среды, — селеновые и титановые выпрямители. В высоковольтных источниках питания часто применяют выпрямительные столбы и блоки. Выпрямительные столбы представляют собой последовательное соединение выпрямительных диодов, объединенных в одном корпусе или расположенных на одной конструкционной несущей. Выпрямительные блоки являются конструктивно завершенными устройствами, содержащими соединенные определенным образом (например, по мостовой схеме) выпрямительные диоды. К основным статическим параметрам относятся прямое падение напряжения U_пр при заданном прямом токе I_пр, постоянный обратный ток I_обр при заданном обратном напряжении U_обр. К основным динам и ческим параметрам относятся I_вп.ср — среднее за период значение выпрямленного тока; U_пр.ср — среднее значение прямого падения напряжения при заданном среднем значении прямого тока; I_обр.ср— среднее значение обратного тока или среднее за период значение тока в обратном направлении при заданном значении обратного напряжения; U_обр.ср — среднее за период значение обратного напряжения; f_гр — граничная частота, на которой выпрямленный ток диода уменьшается до установленного уровня. Частота f_гр зависит от площади перехода и времени жизни носителей. К параметрам электрического режима относятся дифференциальное сопротивление диода r_диф, емкость диода С_д, включающая емкости электрического перехода и корпуса, если последний существует. В рабочем положении через диод протекает ток, и в его электрическом переходе выделяется мощность, температура перехода T_пер повышается. Выделяемая в переходе теплота рассеивается в окружающую среду за счет теплопроводности полупроводникового материала перехода, корпуса прибора и переходных теплопроводящих слоев между корпусом прибора и кристаллом. Отводимая от электрического перехода мощность прямо пропорциональна разности температур перехода и окружающей среды. В установившемся режиме подводимая к переходу Р_подв и отводимая от него Р_отв мощности должны быть равны и не превышать максимально допустимой мощности Р_макс, рассеиваемой диодом. В противном случае, когда рассеиваемая диодом мощность превышает Р_макс, тепловой режим прибора неустойчив и в его электрическом переходе возникает тепловой пробой. Выпрямительные диоды делят на низкочастотные, или силовые, используемые в основном

1. Импульсные диоды

И мпульсные диоды в основном предназначены для работы в быстродействующих импульсных схемах. Они имеют ряд конструктивно-технологических особенностей, обеспечивающих импульсный режим работы. Барьерная емкость и накопленный заряд носителей вблизи перехода — два фактора, определяющих инерционность диодов. Основными отличительными признаками импульсных диодов являются малые площадь электрического перехода и время жизни неравновесных носителей заряда в базе. Различают импульсные диоды с p-n-переходом (точечные, сплавные, микросплавные, диффузионные, мезадиффузионные, эпитаксиально-планарные и др.) и с барьером Шотки. В качестве исходного материала при изготовлении диодов используют германий, кремний, арсенид галлия. Отечественной промышленностью выпускаются также диодные сборки и матрицы. К импульсным диодам относят также диоды с накоплением заряда (ДНЗ). Различают параметры импульсных диодов, сборок и матриц: статические, параметры предельно допустимых эксплуатационных режимов и импульсные параметры. К статическим параметрам диодов относят постоянный обратный ток I_oбр при заданном U_обр, постоянное прямое напряжение U_пр при заданном I_пр. Для диодных сборок и матриц U_пр указываются для двух значений тока I'_пр и I''_пр, соответствующих областям малых и больших прямых токов на ВАХ. Из параметров предельно допустимого режима отметим U_{обр.макс}, I_{пр.макс} и максимально допустимый прямой импульсный ток I_{пр.и.макс.} Эквивалентная схема импульсного диода приведена на рисунке. В отличие от эквивалентных малосигнальных схем других диодов здесь параметры схемы— интегральные величины, зависящие от перепада тока или напряжения и записываемые через общепринятые параметры импульсного диода. На схеме конденсатор С_корп характеризует емкость корпуса диода; конденсаторы С_бар и С_дф моделируют соответственно усредненную барьерную и диффузионную емкости р-n-перехода; резистор R_p-n — сопротивление, зависящее от значения и полярности напряжения на переходе; L_экв и R_экв — эквивалент индуктивности и резистор, характеризующие процесс модуляции комплексного сопротивления базы в зависимости от уровня инжекции носителей в базу; резистор R_Б0 моделирует сопротивление базы при малом уровне инжекции. На обороте изображена ВАХ импульсного диода.

1. Варикапы

В арикап предназначен для использования в качестве электрически управляемой емкости. Принцип работы варикапа основан на использовании зависимости емкости электрического перехода от напряжения. Электрический переход варикапов имеет сложную структуру типа р-n-n⁺, p-i-n, МДП и др. Варикапы применяют в устройствах управления частотой колебательного контура, в параметрических схемах усиления, деления и умножения частоты, в схемах частотной модуляции, управляемых фазовращателях и др. В этих устройствах предпочтение отдается варикапам на основе барьерной емкости p-n-перехода. Исходным материалом для варикапов является кремний, а в последнее время — арсенид галлия. В сплавных варикапах электрический переход резкий, распределение примесей вдоль перехода по координате х, отсчитываемой от его металлургической границы, приблизительно равномерное для р⁺- и n-области, в диффузионных — плавное. Этим распределениям соответствуют зависимости C_в = f(U) — вольт-фарадные характеристики (ВФХ) варикапа (кривые 1 и 2 на рисунке). Эти ВФХ аппроксимируются выражением С_в = С_в0[φ₀/(φ₀-U_обр)]^m, где m — коэффициент нелинейности ВФХ (m = 0,5 для сплавных и m = 0,3 для диффузионных); С_в0— емкость варикапа при внешнем напряжении U_обр=0. Для получения более резкой зависимости C_B = f(U_обр) в эпитаксиальных варикапах используются переходы со структурой р⁺-n-n⁺ и обратным градиентом распределения примесей в базе (кривая 3 на рисунке). Параметрами варикапа являются: С_н — номинальная емкость, т. е. емкость между выводами варикапа при номинальном напряжении смещения; С_макс — максимальная емкость — емкость варикапа при заданном минимальном напряжении смещения; С_мин — минимальная емкость — емкость варикапа при заданном максимальном напряжении смещения; К_с = = С_макс /С_мин — коэффициент перекрытия по емкости; ТК C=dC/(C_нdT) — температурный коэффициент емкости — относительное изменение емкости варикапа при изменении температуры окружающей среды на 1 К в рабочем интервале температур при заданном напряжении смещения; Q_B — номинальная добротность варикапа — отношение реактивного сопротивления варикапа к полному сопротивлению потерь при номинальном напряжении смещения на заданной частоте, ТК Q_в = = dQ_в/(Q_вdT) — температурный коэффициент добротности.

в выпрямителях источников питания, и маломощные высокочастотные. Силовые диоды работают на частотах до f_ГР = 50 кГц. По силе выпрямленного тока различают диоды малой (I_пр<300 мА), средней (I_пр<10 А) и большой (I_пр>10 А) мощности. Высокочастотные диоды предназначены для преобразования радиосигналов на частотах в несколько десятков и сотен мегагерц. Вольт-амперная характеристика кремниевого диода для различных температур окружающей среды приведена на рисунке.

среднее время от момента появления неравновесного носителя до его рекомбинации. После прекращения внешнего воздействия скорость генерации G обращается в нуль, и дальнейший процесс описывается уравнением рекомбинации d(Δp_n)/dt = -(Δp_n/τ_p). Пусть в момент окончания внешнего воздействия (при t=0) избыточная концентрация дырок равна Δp_n(0). При этом начальном условии получим следующее решение уравнения рекомбинации: Δp_n(t) = Δp_n(0)exp[-t/τ_p]. Пусть, например, Δp_n(0) = -p_n0, т.е. начальная концентрация дырок равна нулю p_n(0)=0. Тогда неравновесная концентрация изменяется как p_n(t) = = p_n0[1-exp(-t/τ_p)]. Концентрация дырок нарастает от нуля до установившегося значения p_n0; τ_p определяет скорость нарастания.

Предположим, что в начальный момент Δp_n(0) = 0, и начал действовать внешний источник, задающий скорость генерации G. Тогда, решая уравнение генерации-рекомбинации получаем Δp_n(t) = Gτ_p[1-exp(-t/τ_p)]. Величина τ_p в данном случае характеризует скорость нарастания избыточной концентрации, а также определяет ее конечную установившуюся величину, равную G_τp.

М алосигнальная эквивалентная схема варикапа приведена на рисунке. В схеме L_B — элементы индуктивности выводов прибора (порядка нескольких микрогенри); конденсатор С_корп ≤ 1,5 пФ учитывает емкость корпуса; резистор r_s=r_Э+r_Б моделирует омическое сопротивление базы r_Б с сопротивлением омического контакта и сопротивление эмиттерной области r_Э с аналогичным контактом; резисторы r_диф, R_y учитывают дифференциальное сопротивление и сопротивление утечки перехода; конденсатор С_пер (C_бар) — эквивалент емкости перехода (барьерной емкости). На частотах до нескольких десятков мегагерц параметрами схемы L_B и С_корп можно пренебречь ввиду их малости и ограничиться упрощенной схемой (на рисунке обведена штриховой линией). Сопротивление перехода при обратном напряжении на варикапе определяется сопротивлением утечки R_y. Типовое значение R_у > 1 МОм. Добротность варикапа уменьшается с повышением температуры, так как при этом возрастает сопротивление r_s. С увеличением обратного смещения емкость С_бар и сопротивление r_s уменьшаются, а добротность соответственно растет. Уменьшение r_s в последнем случае объясняется расширением перехода и уменьшением толщины базы в n-области структуры варикапа.

В АХ импульсного диода.