11-04-2020-МГТУ-P-N-ПЕРЕХОД-ВАХ-ВЫПР-ДИОД-ЧАСТЬ2Б (1171913)
Текст из файла
P-N ПЕРЕХОДТЕХНОЛОГИИ ИЗГОТОВЛЕНИЯВАХ P-N ПЕРЕХОДАВЫПРЯМИТЕЛЬНЫЙ ДИОД(лекционные материалы часть2Б)•ОБРАТНОЕ ВКЛЮЧЕНИЕ P – N - ПЕРЕХОДА• Подключим p- область кристалла к отрицательномузажиму, а n- область – к положительному зажимуисточника напряжения. Такое включение называетсяобратным включение p-n- перехода.
При такомвключении источника внешнее электрическое полесовпадает по знаку с контактной разностьюпотенциалов, и результирующее напряжение напереходе возрастает и станет равным• − = + обр .(9)• При этом увеличится и ширина перехода, которуюможно определить, заменив в выражении (8)результирующее напряжение (9):•Обратное включение p n - перехода•ОБРАТНОЕ ВКЛЮЧЕНИЕ P – N - ПЕРЕХОДА• = ( + Д )( +обр ) Д.(10)• Увеличение высоты потенциального барьера в p-nпереходе уменьшает возможность проникновениячерез него основных носителей зарядов (электронов изn-области в p- область и дырок из p – области в nобласть), а неосновные носители зарядов легкопроходят через p-n переход также, как и в состоянииравновесия на p-n переходе, потому что для нихсохраняется ускоряющее электрическое поле.ОБРАТНОЕ ВКЛЮЧЕНИЕ P – N - ПЕРЕХОДА• С увеличением внешнего обратного напряжения обрвсе меньше и меньше основных носителей можетпреодолеть возрастающий потенциальный барьер, икогда напряжение достигает определенного значениядиффузионная составляющая тока прекращается.• Таким образом, при обратном включении внешнегонапряжения нарушается равновесие между дрейфовыми диффузионным токами.• Результирующий ток через p-n – переход оказываетсяне равным нулю:ОБРАТНОЕ ВКЛЮЧЕНИЕ P – N - ПЕРЕХОДА• обр = − диф +− дрейф ≠ 0; причем• − др > − диф .• При таком включении внешнее напряжение являетсяобратным напряжением, а ток, вызванныйдействиемобратного напряжения называется обратным током.• Обратный ток создается перемещением через p-n переходнеосновных носителей зарядов.• Так как концентрация неосновных носителей в кристаллахмала, то и ток, обусловленный их движением, такжеоказывается малым.•ОБРАТНОЕ ВКЛЮЧЕНИЕ P – N - ПЕРЕХОДА•Процесс перехода носителей заряда под действиемускоряющего электрического поля из области, в которойони являются неосновными, в область, в которой онистановятсяосновными,называетсяэкстракциейнеосновных носителей заряда.• Экстракция, как и инжекция, не нарушает электрическойнейтральности p- и n- областей полупроводника.• На рисунке 6 показана диаграмма энергетических зонперехода при обратном включении.Рисунок 6 – энергетическая диаграмма приобратном смещении p n - перехода•ОБРАТНОЕ ВКЛЮЧЕНИЕ P – N - ПЕРЕХОДАВнешнеенапряжениеувеличиваетвысотуэнергетического барьера на величину обр .
Всеэнергетические уровни n- области, в том числе и уровеньФерми окажутся различными для p-n областейполупроводника.• Из-за различия уровней Ферми через p-n –переходосуществляется направленное движение неосновныхносителей (электронов из области p в n- область идырок из области n в p-область).•Обратное смещение pn- перехода•ВОЛЬТ – АМПЕРНАЯ ХАРАКТЕРИСТИКАP-N - ПЕРЕХОДА• Изэнергетических диаграмм видно, что ток,проходящий через p-n переход, зависит от величины иполярности приложенного напряжения.
Аналитическиэта зависимость выражается следующим уравнением:• = − ,(11)• где I – ток через p-n переход;• − обратный ток, называемый током насыщения илитепловым током;• U – внешнее напряжение;Рисунок 7 ВАХ p n – перехода,построенного по уравнению 11•••••••••••ВОЛЬТ – АМПЕРНАЯ ХАРАКТЕРИСТИКАP-N - ПЕРЕХОДА• k – постоянная Больцмана;• T – температура.• Вольт – амперная характеристика p-n – перехода, построенная повыражению (11), показана на рисунке 7.• Из выражения (11) видно, что ток через p-n переход зависит нетолько от приложенного напряжения, но и от температуры.
Прикомнатной температуре• отношениеравно В.ВОЛЬТ – АМПЕРНАЯ ХАРАКТЕРИСТИКАP-N - ПЕРЕХОДА• Поэтому уже при небольших напряжениях (десятые доливольта) отношение и значение тока можно определить извыражений:•пр≫ ,пр• пр ≃ .(12)• При обратных напряжениях в пределах 0,1В – 0,2Вотношением и экспоненциальным членом можнопренебречь. Тогда ≃ .ВОЛЬТ – АМПЕРНАЯ ХАРАКТЕРИСТИКАP-N - ПЕРЕХОДА• Асимметричный характер ВАХ p-n – перехода на рисунке7 свидетельствует• о важнейшем свойстве p-n – перехода • свойстве односторонней проводимости:• пр ≫ обр .МОДЕЛЬ И ПАРАМЕТРЫ P-N - ПЕРЕХОДА• Эквивалентная схема p-n – перехода по переменному токуприведена на рисунке 8.• Схема содержит:• дифференциальное сопротивление p-n перехода диф ,• сопротивление объема p- и n- областей• Б = + ,• диффузионную емкость диф ,• барьерную емкость СБ .Рисунок 8-Модель p n – перехода попеременному току•МОДЕЛЬ И ПАРАМЕТРЫ P-N - ПЕРЕХОДА• Дифференциальное сопротивление p-n- перехода можноопределить из выражения (12), путем дифференцирования поаргументу U:•диф== =I.(13)• Учитывая, что при комнатной температуре отношение•≃ 0,26 В,• и если в выражение подставить значение тока вмиллиамперах, то сопротивление диф выразится в омах;МОДЕЛЬ И ПАРАМЕТРЫ P-N - ПЕРЕХОДА• Б - сопротивление объема p- и n- областей полупроводника –зависит от концентрации подвижных носителей зарядов.• диф =, (мА)м.(14)• Барьерная емкость p-n перехода (СБ ) на рисунке 8• образована неподвижными ионами – донорами и ионами –акцепторами.• Эти пространственные объемные заряды, возникающие награнице электронно – дырочного перехода, придают переходуемкостные свойства.МОДЕЛЬ И ПАРАМЕТРЫ P-N - ПЕРЕХОДА• Междуэтими зарядами имеется слой, обедненныйносителями зарядов, близкий по своим свойствам к свойствамдиэлектрика.• Изменение внешнего напряжения приводит к изменениюширины запирающего слоя и величины заряда.• Отношение изменения величины заряда к вызвавшему егоизменению напряжения называется барьерной емкостью p-nперехода:• СБ =,• где Q – величина объемного заряда по одну сторону границыМОДЕЛЬ И ПАРАМЕТРЫ P-N - ПЕРЕХОДА• раздела p- и n- областей.• Из курса физики известно, что емкость плоскогоконденсатора определяется уравнением:•С= ,(15)• где ε - диэлектрическая проницаемость среды;• S – поверхность пластины;• d – расстояние между пластинами.МОДЕЛЬ И ПАРАМЕТРЫ P-N - ПЕРЕХОДА• Величину барьерной емкости можно получить, заменив ввыражении емкости плоского конденсатора расстояние междупластинами d шириной запирающего слоя l:• СБ ==S,( +)(16)• где l- ширина запирающего слоя.• Значение барьерной емкости для узких переходов лежит впределах 300 -600 пФ (емкость от изменения напряженияможет измениться в 3-4 раза).МОДЕЛЬ И ПАРАМЕТРЫ P-N - ПЕРЕХОДА• В отличие от плоского конденсатора, где расстояниемежду пластинами d является постоянной величиной и независит от напряжения, в p-n – переходе шириназапирающего слоя является переменной величиной,зависящей от величины и знака приложенного внешнегонапряжения.
Зависимость барьерной емкости отприложенного напряжения представлена на рисунке 9.• Другим реактивным параметромp-n – переходаявляется диффузионная емкость(Сдиф ).Рисунок 9 – Зависимость барьернойемкости от напряжения СБ = f(U)МОДЕЛЬ И ПАРАМЕТРЫ P-N - ПЕРЕХОДАПри увеличении прямого напряжения, приложенного кp-n переходу, увеличивается прямой ток, что ведет кизбыточной концентрации неосновных носителей пообе стороны перехода.Изменение прямого напряжения приводит кизменению величины накопленного заряда.
Этоявление сходно с процессами, происходящими вконденсаторе, изменение зарядов на обкладкахкоторогопропорциональноприложенномунапряжению.МОДЕЛЬ И ПАРАМЕТРЫ P-N - ПЕРЕХОДА• Относительнаявеличинанакопленногозарядаизбыточных подвижных носителей к изменениюприложенного напряжения называется диффузионнойемкостью:• Сдиф =изб.пр(17)• Диффузионная емкость зависит от величины прямоготока и от времени жизни носителей заряда в кристаллеи может быть подсчитана по формуле:МОДЕЛЬ И ПАРАМЕТРЫ P-N - ПЕРЕХОДАпр• диф == диф ,(18)• где τ – время жизни неосновных носителей;• диф - дифференциальное сопротивление p-n – перехода.• Величина диффузионной емкости может достигатьнесколько десятков тысяч пикофарад.• Однако диффузионная емкость шунтируется малымпрямым сопротивлением p-n – перехода и на низкихчастотах практического влияния не работу p-n –перехода не оказывает.МОДЕЛЬ И ПАРАМЕТРЫ P-N - ПЕРЕХОДА• Влияние этой емкости нужно учитывать при работе наотносительно высоких частотах , так как Сдиф влияет навремя задержки сигнала.•Рисунок 8- Модель p n – перехода припостоянном токе•Зависимость барьерной(а) и диффузионной(б) емкостей p n – перехода от напряжения•а)б)Емкости p n - перехода• При включении p n – перехода в прямомнаправлении преобладает диффузионная емкость,а в обратном – барьерная.ВАХ прямая ветвь кремниевого диода•ВАХ•рабочие токи ВАХ диода•ПРОБОЙ P-N - ПЕРЕХОДА• При увеличении обратного напряжения до некоторогокритического значения проб обратный ток через p-nпереход начинает лавинообразно возрастать (рисунок 10,а).Это резкое возрастание тока называется электрическимпробоем p-n- перехода.• Величина напряжения пробоя зависит от• тока p-n- перехода,• удельного сопротивления полупроводника,• подвижности носителей,ПРОБОЙ P-N - ПЕРЕХОДА• условий отвода тепла• и других факторов.• Различают два основных вида пробоя p-n перехода(рисунок 10 а, б):• электрический,• тепловой.• Электрический пробой происходит под действиемсильного электрического поля и ударной ионизацииатомов решетки и сопровождается резким увеличениемтока, протекающего через p-n- переход.Рисунок 10- основные виды пробоя p nперехода•ПРОБОЙ P-N - ПЕРЕХОДА• Однако электрический пробойне вызываетнеобратимых изменений в кристаллической структурематериала полупроводника.• При уменьшении обр ниже критического, свойства p-nперехода восстанавливаются.• По физической природе электрический пробой можетбыть двух видов:• лавинный,• туннельный.••ПРОБОЙ P-N - ПЕРЕХОДА• 1.Лавинный пробой возникает вследствие ударнойионизации движущимися носителями нейтральных атомовкристаллической решетки.• Неосновные носители, создающие обратный ток, прибольшом обратном напряжении приобретают энергию,достаточную для ударной ионизации нейтральных атомов иобразования пар носителей заряда электронов и дырок,которые, двигаясь в электрическом поле перехода, пристолкновении образуют новые пары носителей и т.д.
Характеристики
Тип файла PDF
PDF-формат наиболее широко используется для просмотра любого типа файлов на любом устройстве. В него можно сохранить документ, таблицы, презентацию, текст, чертежи, вычисления, графики и всё остальное, что можно показать на экране любого устройства. Именно его лучше всего использовать для печати.
Например, если Вам нужно распечатать чертёж из автокада, Вы сохраните чертёж на флешку, но будет ли автокад в пункте печати? А если будет, то нужная версия с нужными библиотеками? Именно для этого и нужен формат PDF - в нём точно будет показано верно вне зависимости от того, в какой программе создали PDF-файл и есть ли нужная программа для его просмотра.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
