Е.А. Москатов - Электронная техника, страница 2

Электроны, приходящие в pобласть, рекомбинируют с дырками, и возникают некомпенсированные заряды отрицательных ионов акцепторной примеси. Ширина p-n перехода – десятые доли микрона. На границе раздела возникает внутреннее электрическое поле p-n перехода, которое будет тормозящим для основных носителей заряда и будет их отбрасывать от границы раздела.Е. А. Москатов. Стр. 9nРSiSiВSi-+SiSi-SiSi+РSiРис. 13Для неосновных носителей заряда поле будет ускоряющим и будет переносить их в область,где они будут основными. Максимум напряжённости электрического поля – на границе раздела.+-p-++++++nExкxРис. 14Распределение потенциала по ширине полупроводника называется потенциальной диаграммой.

Разность потенциалов на p-n переходе называется контактной разностью потенциаловили потенциальным барьером. Для того, чтобы основной носитель заряда смог преодолеть p-nпереход, его энергия должна быть достаточной для преодоления потенциального барьера.2) Прямое и обратное включение p-n перехода.Приложим внешнее напряжение плюсом к p-области. Внешнее электрическое поле направлено навстречу внутреннему полю p-n перехода, что приводит к уменьшению потенциальногобарьера. Основные носители зарядов легко смогут преодолеть потенциальный барьер, и поэтому через p-n переход будет протекать сравнительно большой ток, вызванный основными носителями заряда.Е. А.

Москатов. Стр. 10E в н.p+++++-E p -n.npxnx xР ис . 1 5E p -n.ккк+++++к-E в н. x'Р ис . 1 6Такое включение p-n перехода называется прямым, и ток через p-n переход, вызванныйосновными носителями заряда, также называется прямым током. Считается, что при прямомвключении p-n переход открыт. Если подключить внешнее напряжение минусом на p-область,а плюсом на n-область, то возникает внешнее электрическое поле, линии напряжённости которого совпадают с внутренним полем p-n перехода. В результате это приведёт к увеличению потенциального барьера и ширины p-n перехода.

Основные носители заряда не смогут преодолеть p-n переход, и считается, что p-n переход закрыт. Оба поля – и внутреннее и внешнее - являются ускоряющими для неосновных носителей заряда, поэтому неосновные носители зарядабудут проходить через p-n переход, образуя очень маленький ток, который называется обратным током. Такое включение p-n перехода также называется обратным.3) Свойства p-n перехода. К основным свойствам p-n перехода относятся:свойство односторонней проводимости;температурные свойства p-n перехода;частотные свойства p-n перехода;пробой p-n перехода.Свойство односторонней проводимости p-n перехода нетрудно рассмотреть на вольтампернойхарактеристике.

Вольтамперной характеристикой (ВАХ) называется графически выраженнаязависимость величины протекающего через p-n переход тока от величины приложенногонапряжения. I=f(U).Будем считать прямое напряжение положительным, обратное – отрицательным. Ток через p-nпереход может быть определён следующим образом:e '⋅U,I = I 0 ⋅e k⋅T −1 где I0 – ток, вызванный прохождением собственных носителей заряда;e – основание натурального логарифма;e’ – заряд электрона;Т – температура;U – напряжение, приложенное к p-n переходу;k – постоянная Больцмана.При прямом включении:Е.

А. Москатов. Стр. 11e '⋅Uk⋅TIпр= I 0 ⋅e −1 e'=const=ck⋅TI = f U Iпр= I 0 ⋅e c⋅U −1 c⋅Ue ≫1Iпр= I 0 ⋅e c⋅UПри увеличении прямого напряжения прямой ток изменяется по экспоненциальному закону.При обратном включении:Iобр= I 0 ⋅e−c⋅U −1 e−c⋅U ≪1Iобр=−I 0t 2o>t1oUобрIоIпрUпрIобрРис.

17Так как величина обратного тока во много раз меньше, чем прямого, то обратным током можно пренебречь и считать, что p-n переход проводит ток только в одну сторону.Температурное свойство p-n перехода показывает, как изменяется работа p-n перехода при изменении температуры. На p-n переход в значительной степени влияет нагрев, в очень малойстепени – охлаждение. При увеличении температуры увеличивается термогенерация носителей заряда, что приводит к увеличению как прямого, так и обратного тока.Частотные свойства p-n перехода показывают, как работает p-n переход при подаче на негопеременного напряжения высокой частоты.

Частотные свойства p-n перехода определяютсядвумя видами ёмкости перехода.-+++Sp-nnPХРис. 18Первый вид ёмкости – это ёмкость, обусловленная неподвижными зарядами ионов донорнойи акцепторной примеси. Она называется зарядной, или барьерной ёмкостью.ε⋅ε ⋅SC= 0dε⋅ε 0⋅Sp−nC=xЕ. А. Москатов. Стр.

12Второй тип ёмкости – это диффузионная ёмкость, обусловленная диффузией подвижных носителей заряда через p-n переход при прямом включении.QCдиф=UnpQ – суммарный заряд, протекающий через p-n переход.RiСiCp-n = Cбарьерн.+Сдиф.Рис. 19Ri – внутреннее сопротивление p-n перехода.Ri очень мало при прямом включении [Ri = (n∙1 ÷ n∙10) Ом] и будет велико при обратномвключении [Riобр = (n∙100 кОм ÷ n∙1 МОм)].1x c=⋅cU++tРис. 20Если на p-n переход подавать переменное напряжение, то ёмкостное сопротивление p-n перехода будет уменьшаться с увеличением частоты, и при некоторых больших частотах ёмкостное сопротивление может сравняться с внутренним сопротивлением p-n перехода при прямом включении.

В этом случае при обратном включении через эту ёмкость потечёт достаточнобольшой обратный ток, и p-n переход потеряет свойство односторонней проводимости.Вывод: чем меньше величина ёмкости p-n перехода, тем на более высоких частотах он можетработать.На частотные свойства основное влияние оказывает барьерная ёмкость, т. к. диффузионнаяёмкость имеет место при прямом включении, когда внутреннее сопротивление p-n переходамало.Пробой p-n перехода. Iобр = - IoIоIпрUпрUобрУч ас т окэ лек т р и ч е с к о гоп р обо яУч ас т окт е п ло в о гоп р о бо яIобрР ис. 21При увеличении обратного напряжения энергия электрического поля становится достаточнойдля генерации носителей заряда.

Это приводит к сильному увеличению обратного тока.Явление сильного увеличения обратного тока при определённом обратном напряжении называется электрическим пробоем p-n перехода.Е. А. Москатов. Стр. 13Электрический пробой – это обратимый пробой, т. е. при уменьшении обратного напряженияp-n переход восстанавливает свойство односторонней проводимости. Если обратное напряжение не уменьшить, то полупроводник сильно нагреется за счёт теплового действия тока и p-nпереход сгорает. Такое явление называется тепловым пробоем p-n перехода.

Тепловой пробойнеобратим.Переход Шоттки1) Образование перехода Шоттки2) Прямое и обратное включение диодов Шоттки1) Образование перехода Шоттки. Переход Шоттки возникает на границе раздела металла и полупроводника n-типа, причём металл должен иметь работу выхода электронабольшую, чем полупроводник.А м>А n.прМ---------++++-Ешn+Eвн+Р ис.

22При контакте двух материалов с разной работой выхода электронов электрон проходит из материала с меньшей работой выхода в материал с большей работой выхода, и ни при какихусловиях - наоборот. Электроны из приграничного слоя полупроводника переходят в металл, ана их месте остаются некомпенсированные положительные заряды ионов донорной примеси.В металле большое количество свободных электронов, и, следовательно, на границе металлполупроводник возникает электрическое поле и потенциальный барьер.

Возникшее поле будеттормозящим для электронов полупроводника и будет отбрасывать их от границы раздела. Граница раздела металла и полупроводника со слоем положительных зарядов ионов донорнойпримеси называется переходом Шоттки (открыт в 1934 году).2) Прямое и обратное включение диодов Шоттки.Если приложить внешнее напряжение плюсом на металл, а минусом на полупроводник,возникает внешнее электрическое поле, направленное навстречу полю перехода Шоттки.Это внешнее поле компенсирует поле перехода Шоттки и будет являться ускоряющим дляэлектронов полупроводника. Электроны будут переходить из полупроводника в металл,образуя сравнительно большой прямой ток. Такое включение называется прямым.При подаче минуса на металл, а плюса на полупроводник возникает внешнее электрическое поле, сонаправленное с полем перехода Шоттки.

Оба этих поля будут тормозящимидля электронов полупроводника, и будут отбрасывать их от границы раздела. Оба этихполя будут ускоряющими для электронов металла, но они через границу раздела не пройдут, так как у металла больше работа выхода электрона. Такое включение перехода Шоттки называется обратным.Обратный ток через переход Шоттки будет полностью отсутствовать, так как в металле не существует неосновных носителей зарядов.Достоинства перехода Шоттки:- отсутствие обратного тока;- переход Шоттки может работать на СВЧ;- высокое быстродействие при переключении из прямого состояния в обратное и наоборот.Е. А. Москатов. Стр. 14Недостаток – стоимость. В качестве металла обычно применяют золото.Некоторые эффекты полупроводника1)2)3)1)Тоннельный эффектЭффект ГанаЭффект ХоллаТоннельный эффект. Тоннельный эффект (открыт в 1958 году в Японии) проявляется наp-n переходе в вырожденных полупроводниках.Вырожденный полупроводник – это полупроводник с очень высокой концентрацией донорной или акцепторной примеси.

(Концентрация – 1024 атомов примеси на 1 куб. см. полупроводника).В вырожденных полупроводниках очень тонкий p-n переход: его ширина составляет сотыедоли микрона, а напряжённость внутреннего поля p-n перехода составляет Ep-n ≈ 108 B/м, чтообеспечивает очень высокий потенциальный барьер.

Основные носители заряда не могутпреодолеть этот потенциальный барьер, но за счёт малой его ширины как бы механическипробивают в нём тоннели, через которые проходят другие носители зарядов.Следовательно, свойство односторонней проводимости на p-n переходе при тоннельном эффекте отсутствует, а ток через p-n переход будет иметь три составляющие:I = Iт.пр. – Iт.обр. + Iпр.,где Iт.пр. – прямой тоннельный ток, за счёт прохождения зарядов через тоннели при прямомвключении;Iт.обр. – обратный тоннельный ток, тот же самый, что и прямой, но при обратном включении;Iпр. – прямой ток проводимости.