А.Н. Матвеев - Атомная физика (1120551), страница 98

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 98)

Наиболее распространенными материалами для создания р-и-переходов являются германий и кремний. У германия концентрация основных носителей больше, чем у кремния; подвижность носителей также больше. Вследствие этого проводимость р-и-переходов в германии в проходном направлении значительно больше, чем у кремния, но зато и обратный ток больше. Преимушеством кремния является возможность эксплуатации при более высоких температурах. Вольт-амперная характеристика, показанная на рис.

123, хорошо описывает р-и-переходы в германии. Однако р-и-переходы в кремнии имеют вольт-амперную характеристику, отличную от изображенной на рис. 123. Для них вольт-амперная характеристика показана на рис. !24. Возможной причиной такой вольт-амперной характеристики является очень малая концентрация неосновиых носителей в кремнии. Поэтому при малых внешних напряжениях плотность тока не- основных носителей чрезвычайно мала и лишь при достижении 0,6 В сила тока начинает экспоненциально расти, как это происходит в германии начиная практически с нулевой разнос~и потенциалов. Наличие сдвига 0,6 В в сторону положительных напряжений в вольт-амперной характеристике кремния очень важно принимать во внимание в кремниевых транзисторах.

Для их удовлетворительного функционирования разность потенциалов между базой и эмиттером должна быть установлена примерно равной 0,6 В. Емкость р-и-перехода. Как видно 69, р-н-Переходы и транзисторы 361 на рис. 120, по разные стороны от границы между р- и п-областями имеются противоположные заряды и имеется разность потенциалов между ними.

Это означает, что р-п-переход обладает определенной емкостью. Емкость зависит от напряжения, которое прилагается к переходу в запорном направлении. В большинстве твердотельных устройств поперечная площадь р-л-перехода обычно много меньше 1 ммз, и тем не менее они имеют емкости, ненамного меньшие 50 пФ. Наличие емкости у р-л-перехода сказывается на его работе при высоких часто гах, поскольку перестройка плотности заряда несколько отстает от изменений приложенной разности потенциалов. Для уменыпения емкосги приходи~ся использовать различныс приемы, на которых мы не останавливаемся. Диод. Переход, обладая односторонней проводимостью, действует как диод (рис.

125,а; стрелка показывает направление, в котором диод проводи г ток). Включение диода в проходном направлении приведено на рис. 125,б. Резистор сопротивлением !т включен в цепь для ограничения силы тока. Включение диода в запорном направлении изображено на рис. 125,в. Твердотельные диоды при надлежащем охлаждении удается использовать даже при очень больших токах порядка 1 кА.

Туииельиый диод. При сильном легировании, когда концентрация примесных атомов становится достаточно большой, происходит расширение примесных уровней и они перекрывают границу между зонами, в результате чего уровень Ферми попадает внутрь зоны (либо проводящей, либо валентной).

При этом на переходе возникает ситуация, изображенная на рис. 126,а. Как обычно, в отсутствие внешнего напряжения энергии Ферми по разные стороны перехода одинаковы, При сильном легировании переход узок и концентрация неосновных носителей мала, При наложении внешнего напряжения в проходном направлении возникает обычный диодный небольшой ток.

Однако ввиду того что по разные стороны перехода, разделенного потенциальным барьером, энергии носителей одинаковы, возникает туннельный эффект (см. 9 29), в результате которого носители проникают через потенциальный барьер на другую сторону от перехода без изменения энергии. Благодаря этому через переход течет более значительный ток.

При дальнейшем увеличении разности потенциалов энергия электронов в п-области у перехода увеличивается, а в р-области — уменьшается (рис. 126,6) и область перекрытия примссных уровней начинае~ уменьшаться. В результате этого сила тока начинает уменьшаться. Максимум силы тока достигается при наиболее полном перекрытии зон (рис, 126,а). Когда примссиые зоны сдвигаются друг относительно друга настолько, что каждой из них на другой стороне перехода противостоит запрещенная зона (рис. 126,6), туннелирование становится невозможным и сила тока через переход уменьшается. При достаточно больших разностях потенциалов зоны проводимости и- и р-областей оказываются поч~и на одном уровне (рис. 126, в) и становится возможным возникновение обычного диодного тока.

Сила тока начинает снова возрастать. Вольт-амперная характеристика туннельного диода показана на рис. 127. В интервале напряжений от первого максимума кривой до следующего за 362 13 Электронные свойства твердых тел !27 Вольт-аылерная характеристика туннельного диода: 1-туинельный ток, у .отрицательное сопротивление; 3-обычный диодиый ток 128 Выпрямление тока в двуктактном выпрямителе 129 Напряткение на нагрузке после выпрямления тока ним минимума туннельный диод проявляет эффект отрицательного сопротивления, когда увеличение разности потенциалов приводит к уменьшению силы тока. Полезность этого эффекта состоит в том, что другие элементы электронной цепи имею~ положительное сопротивление.

Если использовать туннельный диод в резонансном кон~уре, то его отрицательное сопротивление может компенсировать положительное сопротивление остальных элементов контура и процессы происходят так, как будто бы контур нс имеет сопротивления. Благодаря э~ому он будет осуществлять колебания тока точно на резонансной частоте и используется в высокочастотных усилителях и генераторах.

Существование области отрицательного сопротивления нс связано с тепловым возбуждением носителей, поэтому туннельный диод успешно функционирует и при гелиевых температурах. Вынрямление тока. Схема включения диодов для осуществления двухтактного выпрямителя показана на рис. 128. Емкость С служит для сглаживания пульсаций выпрямленного тока. График напряжения на нагрузке после выпря мления показан на рис. 129. Детектирование.

Высокочастотный радиосигнал модулируется по амплитуде для передачи информации. Частота модуляции много меньше частоты радиосигнала. Поэтому для дешифровки информации необходимо произвести детектирование сигнала путем выделения огибающей амплитуды высокочастотного сигнала. Это достигается с помощью диода, включенного по схеме однотактного выпрямителя тока (рис. 130). Величины й 69 р-и-Переходы и транзисторы 363 Я, С подбираются так, чтобы радио- частота достаточно хорошо выпрямилась, а частота модуляции сохранилась, т.е. временная константа ЯС- контура должна быть велика по сравнению с периодом радиочас~о~ного сигнала, но мала по сравнению с периодом модуляции. Детекторы также используются в схемах преобразования частот, частотной модуляции и др. Стабилитрои.

Если напряжение приложено в запорном направлении диода, то через него ~счет постоянный ток, практически не зависящий от напряжения 1рис. ! 23). Для германия плотность э~ого тока составляет примерно 0,1 мкА/мз, а для кремния— 0,001 мкА/мз.

Если обратное напряжение превосходит некоторое критическое значение, то ток лавинообразно достигает очень больших значений. Вольт-амперная характеристика этого явления показана на рис. 131. При этом, по-видимому, осуществляются два процесса. При достаточно большом электрическом поле электроны и дырки в переходе успевают ускориться до таких энергий, что в состоянии вызвать ионизацию атомов и породить другие пары электронов и дырок. В результате начинается лавинный процесс образования носителей, приводящий к росту силы тока.

Второй фактор связан с туннельным эффектом, позволяющим микрочастицам преодолевать потенциальные барьеры, имея недостаточную для этого энергию. Это чисто квантовый эффект, о котором уже говорилось в связи с туннельным диодом. Образование лавины происходит при вполне определенной критической разности потенциалов, характерной для диода и зависящей от ширины р-л-перехода, температуры и т.д. 130 Включение диода для детектирования сигнала 131 Вольттамперная характеристика стабилитрона Уясрляг 132 Включение стабилитрона в сеть для обеспечения на иагрузочном сопротивлении постоянной разности потенпиалов Критическая разность потенциалов может быть порядка 100 В.

При критической разнос~и потенциалов ток возрастает очень быстро, но падение потенциала на диоде остается практически постоянным. Поэтому такой режим работы может быть использован для получения пос1оянного опорного потенциала или для контроля потенциала в цепи, в которой он не может превосходить определенного значения.

На рис. 132 364 33. Знектронные свойства твердых ген и и р п) б) )33 Бинолирные транзисторы; и-прп-трапзпстор; 6 — рпр-трапзнстпр прп рпр Обозначение транзисторов бй 7п Включение транзистора по схеме с общим эмнттером показано включение стабилитрона в цепь, чтобы обеспечить на нагрузочном сопротивлении Л постоянную разность потенциалов. На этой же схеме дан и симол для обозначения стабилитрона. Светонзлучающий диод. При рекомбинации электронов и дырок при определенных условиях происходит непускание квантов излучения. Для осугцествления этого процесса необходимо создать избыток концентрации электронов в зоне проводимости по сравнению с концентрацией в условиях термодинамического равновесия, т.е.

создать инверсную заселенность энергетических уровней в полупроводнике. При этом условии частота переходов электронов из зоны проводимости в валентную зону больше частоты переходов в обратном направлении и осуществляется непускание квантов излучения. Нетрудно видеть, что инверсная заселенность уровней возникает вблизи р-л-перехода, включенного в проходном направлении. При соответствующих характеристиках р-л-перехода протекающий сквозь него ток возбуждает непускание света.

Характеристики

Список файлов книги