zadachnik (534929), страница 2

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

Текст из файла (страница 2)

К числу дифференциальных параметров относится емкость p-n перехода

(1.12)

где Q – заряд, который может быть связанным или накопленным.

Связанный заряд обусловлен ионизированными атомами примеси, расположенными по обе стороны от металлургической границы перехода, причем . Изменение приложенного к переходу напряжения влечет за собой изменение ширины перехода l_p-n и Q_связ. Связь между этими величинами позволяет рассчитать емкость, называемую барьерной:

(1.13)

(1.14)

(1.15)

где ₀ – энергетическая постоянная;  - относительная диэлектрическая постоянная полупроводникового материала; _крп - контактная разность потенциалов; N_б – концентрация примесей в базе. Соотношения (1.13) и (1.15) соответствуют несимметричному p-n переходу, для которого N_A>>N_D=N_б или N_D>>N_A=N_б.

Помимо связанного, при изменении приложенного напряжения может изменяться накопленный заряд Q_нак. Существование последнего для несимметричного перехода обусловлено непрерывной инжекцией подвижных носителей из эмиттера в базу. В результате возникает неравновесный заряд инжектированных носителей, вместе с которым в базе сосредотачивается дополнительный заряд основных носителей, что в целом обеспечивает ее электронейтральность: . Увеличение прямого напряжения приводит к возрастанию числа инжектированных носителей, т.е. Q_нак, что соответствует существованию емкости, называемой диффузионной. Для несимметричного перехода

(1.16)

Обе компоненты емкости существуют независимо друг от друга и поэтому при расчетах суммарной емкости могут складываться. Очевидно, что при обратных смещениях перехода диффузионная емкость практически отсутствует.

1.2. Задачи

1. Рассчитать токи через кремниевый p-n переход при температурах 20 и 50^о С и при напряжении 0,45 В. Принять, что тепловой ток при температуре 25^оС равен 10^-10 А.

2. Рассчитать напряжения на кремниевом p-n переходе при температурах 25 и 75^о С и при токе 10 мА. Принять, что тепловой ток при температуре 25^о С составляет 10^-12А.

3. Рассчитать дифференциальные сопротивления кремниевого p-n перехода при температурах 0 и 50^о С и при нулевом приложенном напряжении. Принять, что тепловой ток при температуре 25^о С составляет 10^-11 А.

4. Рассчитать дифференциальные сопротивления p-n перехода при температурах 0 и 50^о С и при токе через переход 5 мА. Принять, что тепловой ток при температуре 25^о С составляет 210^-11 А.

5. Рассчитать дифференциальное сопротивление кремниевого p-n перехода при приложенных напряжениях 0,45 и минус 0,45 В и при температуре 25^о С. Принять, что тепловой ток при температуре 20^о С составляет 310^-10 А.

6. Рассчитать контактную разность потенциалов для кремниевого и германиевого p-n переходов при температуре 20^о С. Принять концентрации легирующих примесей в p и n – областях равными соответственно 310¹⁶ и 10¹⁵ см^-3.

7. Рассчитать контактную разность потенциалов и сопротивление базы диода на основе кремниевого p-n перехода при температуре 300 К. Принять, что концентрация легирующих примесей в p и n-областях составляет соответственно 310¹⁶ и 10¹⁵ см^-3, площадь перехода – 0,1 см², толщина базы – 0,2 см.

8. Рассчитать контактную разность потенциалов и сопротивление базы диода на основе кремниевого p-n перехода при температуре 250 К. Принять, что концентрация легирующих примесей в p- и n – областях составляет соответственно 210¹⁵ см^-3 и 410¹⁶ см^-3, площадь перехода – 0,2 см², толщина базы – 0,3 см.

9. Рассчитать напряжение на клеммах кремниевого диода при токе 10 мА и температуре 300 К в соответствии с условием задачи 1.8. Принять, что тепловой ток при этой температуре равен 10^-11А.

10. Рассчитать напряжение на клеммах кремниевого диода при токе 15 мА и температуре 300 К в соответствии с условиями задачи 1.7. Принять, что тепловой ток при этой температуре составляет 10^-10А.

11. Кремниевый p-n переход включен в цепь, содержащую последовательно соединенные резистор номиналом 1 кОм и источник напряжения 5 В. Рассчитать ток, протекающий через переход при температуре 50^о С, если тепловой ток при температуре 25^о С составляет 10^-11 А. Сопротивлением базы пренебречь. Принять, что p-n переход смещен в прямом направлении.

12. Кремниевый p-n переход включен в цепь, содержащую последовательно соединенные резистор номиналом 0,5 кОм и источник напряжения 0,6 В. Рассчитать ток, протекающий через переход при температуре минус 20^о С, если тепловой ток при температуре 25^оС составляет 10^-10 А. Сопротивлением базы пренебречь. Принять, что p-n переход смещен в обратном направлении.

13. К двум последовательно соединенным p-n переходам подсоединен источник напряжения 1,0 В. Тепловой ток переходов при температуре 300 К составляет соответственно 10^-10 и 310^-10 А. Определить ток, протекающий в цепи при этой температуре, и напряжение на каждом переходе. Принять, что оба перехода смещены в прямом направлении. Сопротивлением базы пренебречь.

14. К двум последовательно и встречно соединенным p-n переходам подсоединен источник напряжения 2,0 В. Тепловой ток переходов при температуре 300 К составляет 10^-10 А для перехода, смещенного в прямом направлении, и 310^-10 А – для перехода, смещенного в обратном направлении. Определить ток, протекающий в цепи при этой температуре, и напряжение на каждом переходе. Сопротивлением базы пренебречь.

15. Рассчитать емкость кремниевого p-n перехода при нулевом приложенном напряжении и температуре 20^о С. Принять, что концентрация примесей в p- и n - областях составляет 10¹⁶ и 10¹⁵ см^-3 соответственно. Площадь перехода равна 0,1 см².

16. Рассчитать емкость кремниевого p-n перехода при напряжении 0,56 В и температуре 300 К. Принять, что концентрация примесей в p- и n- областях составляет соответственно 310¹⁶ и 10¹⁵ см^-3. Время жизни носителей в базе принять равным 0,001 с, площадь перехода – 0,1 см².

17. Рассчитать, насколько изменится емкость кремниевого p-n перехода при уменьшении приложенного напряжения от минус 0,5 до минус 0,9 В. Концентрация примесей в p- и n- областях равна 10¹⁵ и 210¹⁶ см^-3 соответственно. Температуру принять равной 300 К.

18. Определить, насколько изменится емкость кремниевого p-n перехода, если температура увеличится от 30^о до 50^о С при постоянном приложенном напряжении минус 0,5 В. Концентрация примесей в p- и n- областях составляет соответственно 410¹⁶ и 210¹⁵ см^-3.

19. Рассчитать, насколько изменится емкость кремниевого p-n перехода, если температура увеличится от 27^о до 50^о С при постоянном приложенном напряжении 0,57 В. Концентрация примесей в p- и n – областях составляет соответственно 210¹⁶ и 10¹⁵ см^-3, площадь перехода – 0,1 см². Время жизни неравновесных носителей считать не зависящим от температуры и равным 0,001 с.

20. В параллельном колебательном контуре в качестве конденсатора используется обратно смещенный кремниевый p-n переход. Рассчитать, как изменится резонансная частота колебательного контура, если обратное смещение снизить от минус 0,2 В до минус 0,7 В, а индуктивность составляет 2 мкГн. Концентрация примесей в p- и n – областях перехода равна соответственно 10¹⁵ и 10¹⁶ см^-3, площадь перехода – 0,1 см², температура – 300 К.

21. Рассчитать, насколько необходимо изменить температуру кремниевого p-n перехода по отношению к 300 К для того, чтобы тепловой ток увеличился в 2 раза.

22. К кремниевому p-n переходу приложено обратное напряжение 0,2 В. Рассчитать, насколько необходимо изменить напряжение для того, чтобы уменьшить ширину перехода в 2 раза. Концентрация примесей в p- и n – областях равна соответственно 10¹⁵ и 310¹⁶ см^-3.

23. Кремниевый p-n переход последовательно включен в цепь, содержащую резистор номиналом 100 кОм и источник напряжения 3 В. Переход смещен в обратном направлении. Определить, насколько изменится напряжение на клеммах резистора при увеличении температуры относительно 20^о С на один градус. Тепловой ток при температуре 300 К считать равным 10^-10 А.

24. Кремниевый p-n переход последовательно включен в цепь, содержащую резистор номиналом 1 кОм и источник напряжения 5 В. Переход смещен в прямом направлении. Определить, насколько изменится напряжение на переходе при изменении температуры (20^о С) на один градус. Тепловой ток при температуре 300 К считать равным 10^-10 А.

25. Кремниевый p-n переход последовательно включен в цепь, содержащую резистор номиналом 2 кОм и источник напряжения 8 В. Переход смещен в прямом направлении. Определить, насколько изменится напряжение на переходе при увеличении напряжения источника на 1 В. Температуру принять равной 300 К, тепловой ток при этой температуре равен 10^-11 А.

26. Рассчитать амплитуду тока в цепи кремниевого диода, если к диоду подключен источник синусоидального напряжения с действующим значением 10 мВ и частотой 100 кГц. Концентрация примесей в p- и n – областях равна соответственно 210¹⁵ и 310¹⁶ см^-3, площадь перехода – 0,1 см², ширина базы – 0,2 см, температура – 300 К.

27. Определить сопротивление базы кремниевого диода на основе p-n перехода, если при приложении обратного напряжения 2 В ток равен 10^-12 А, а при приложении прямого напряжения 0,8 В ток равен 20 мА. Температуру принять равной 20^о С.

28. Обратный ток p-n перехода при напряжении 2 В и температуре 20^о С составляет 10^-12 А, а при увеличении температуры до 40^о С возрастает до 10^-11 А. Определить обратный ток перехода при температуре 60^о С.

29. Емкость кремниевого p-n перехода при напряжении минус 0,2 В равна 10^-8 Ф, а при напряжении минус 0,8 В равна 710^-9 Ф. Рассчитать емкость перехода при нулевом напряжении на переходе, если концентрация примесей в p- и n – областях составляет соответственно 210¹⁵ и 310¹⁶ см^-3.

30. р-n переход включен последовательно в цепь, содержащую резистор номиналом 100 кОм и источник напряжения. Переход смещен в обратном направлении. Определить величину напряжения источника, при котором обратный ток отличается от теплового на 1, если тепловой ток составляет 10^-7 А. Температуру принять равной 20⁰ С.

31. р-n переход, зашунтированный резистором номиналом 50 Ом, включен в цепь, содержащую последовательно включенный резистор 100 Ом и источник напряжения 5 В. Определить ток, потребляемый от источника, если переход смещен в прямом направлении, а тепловой ток равен 10^-8 А. Температура равна 300 К.

32. Диод на основе p-n перехода имеет сопротивление базы 30 Ом, тепловой ток 10^-10 А, сопротивление утечки 10⁸ Ом. Рассчитать токи через диод при приложении напряжения 1 В и минус 1 В. Температуру принять равной 20^о С, сопротивление утечки считать не зависящим от приложенного напряжения.

33. Прямой ток через p-n переход при температуре 20^о С составляет 1 мА, а при температуре 40^о С увеличивается до 1,2 мА. Приложенное к переходу напряжение при этом остается постоянным и составляет 0,55 В. Определить ширину запрещенной зоны полупроводникового материала, из которого изготовлен переход. Сопротивление базы принять равным нулю.

1.3.Вопросы

1. Показать, как перемещаются носители заряда через p-n переход при нулевом, прямом и обратном напряжениях. Объяснить, почему p-n переход обладает вентильными свойствами.

2. Объяснить, что такое ширина p-n перехода и как она зависит от приложенного к переходу напряжения.

3. Начертить энергетические диаграммы p-n перехода при нулевом, прямом и обратном напряжениях и дать соответствующие объяснения для каждой из них.

4. Начертить вольт-амперную характеристику p-n перехода и показать, какое влияние на нее оказывает полупроводниковый материал, из которого изготовлен переход (например, кремний и германий).

5. Начертить вольт-амперную характеристику p-n перехода и показать, как определяется дифференциальное сопротивление в рабочей точке. Начертить зависимость дифференциального сопротивления от напряжения на переходе.

6. Объяснить, что такое эмиттер и база диода и какое влияние эти области оказывают на ход его вольт-амперной характеристики.

7. Объяснить механизм возникновения и степень влияния на вольт-амперную характеристику p-n перехода токов генерации и рекомбинации в области пространственного заряда.

8. Показать, как изменяются прямой и обратный токи p-n перехода при увеличении температуры, и объяснить эти изменения.

9. Объяснить, что такое тепловой ток p-n перехода и как он зависит от приложенного к переходу напряжения и температуры.

10. Начертить вольт-амперные характеристики p-n перехода при наличии электрического пробоя. Объянить, какие физические явления в переходе приводят к возникновению пробоя, как влияет температура на напряжение пробоя и указать диапазоны численных значений напряжений пробоя.

11. Начертить вольт-амперную характеристику p-n перехода при наличии теплового пробоя. Объяснить, какие физические явления приводят к возникновению пробоя, как влияет температура на напряжение пробоя и указать диапазон численных значений напряжений пробоя.

12. Начертить на одном графике вольт-амперные характеристики p-n переходов, изготовленных на основе кремния и германия, и объяснить существующие различия.

13. Показать и объяснить, как реагирует диод на основе p-n перехода на подключение и отключение источников тока различной величины.

14. Показать и объяснить, как реагирует диод на переключение источника напряжения смещения от прямого на обратное.

15. Объяснить, какие физические процессы приводят к появлению барьерной емкости p-n перехода, как зависит эта емкость от приложенного напряжения и в каких случаях использование этой емкости в схемотехнических расчетах является правомерным.

16. Объяснить, какие физические процессы приводят к появлению диффузионной емкости p-n перехода, как зависит эта емкость от приложенного напряжения и в каких случаях использование этой емкости в схемотехнических расчетах является правомерным.

17. Перечислить основные электрические параметры и предельные эксплуатационные данные для низкочастотных выпрямительных диодов с объяснениями и иллюстрациями на графиках.

18. Перечислить основные электрические параметры и предельные эксплуатационные данные для высокочастотных выпрямительных диодов с объяснениями и иллюстрациями на графиках.

19. Начертить простейшую схему включения стабилитрона и объяснить эффект стабилизации входного напряжения.

20. Перечислить основные электрические параметры и предельные эксплуатационные данные для стабилитронов с указанием диапазонов численных значений. Объяснить, как влияет температура на напряжение стабилизации и какими способами можно снизить это влияние.

21. Объяснить принцип работы варикапов, перечислить основные электрические параметры, указать основные области их использования и начертить простейшую схему включения.

1.4.Задание на моделирование и расчет характеристик диодов

Моделирование характеристик диодов производится при помощи программы Electronic Workbench (EWB), версии 5.0а, 5.0с, 5.12. Каждый пункт задания помимо моделирования включает аналитический расчет тех же характеристик, осуществляемый с целью определения согласования между результатами моделирования и расчета.

1. Построить на одном графике прямые ветви вольт-амперных характеристик (ВАХ) диода заданного типа при двух различных температурах, полученные путем моделирования. На этом же графике нанести ВАХ, полученные в результате аналитического расчета при тех же условиях.

Условия

Характеристики

Список файлов книги