Электроника. 1. Полупроводники. Основные положения теории электропроводимости. Собственная и примесная проводимость полупроводника
 Скачать 1.1 Mb.
|
2 . p-n переход. Электрические процессы в p-n переходе. ВАХ идеального p-n перехода.p  -n переход – область соприкосновения двух полупроводников с разными типами проводимости –дырочной(Анодная часть)- p и электронной (катодная часть)-n Ширина обедненной области определяет сопротивление протеканию тока через p-n переход Прямой P-N переходКогда P-N переход прямой (с прямым смещением), то тогда на анод подается положительный потенциал, а на катод — отрицательный. Результатом этого процесса является сужение обедненной области, что уменьшает сопротивление движению тока через P-N переход. Е  сли потенциал увеличивается, то обедненная область будет продолжать уменьшаться, тем самым еще больше понижая сопротивление протеканию тока. В конце концов, если подаваемое напряжение окажется достаточно велико, то обедненная область сузится до точки минимального сопротивления и через P-N переход, а вместе с ним и через весь прибор, будет проходить максимальный ток. Когда P-N переход имеет соответствующее прямое смещение, то он обеспечивает минимальное сопротивление проходящему через него потоку тока.Обратный P-N переход К  огда P-N переход обратный (с обратным смещением), то отрицательный потенциал подается на анод, а положительный — на катод.Это приводит к тому, что в результате обедненная область расширяется, а это вызывает увеличение сопротивления протеканию тока. Когда на P-N переходе создается обратное смещение, то имеет место максимальное сопротивление протеканию тока, а данный переход действует в основном как разомкнутая цепь. Обратный P-N переход При определенном критическом значении напряжения обратного смещения сопротивление протеканию тока, которое возникает в обедненной области, оказывается преодоленным и происходит стремительное нарастание тока. Значение напряжения обратного смещения, при котором ток быстро нарастает, называется пробивным напряжением. П  од вольтамперной характеристикой (ВАХ) p-n перехода понимается зависимость тока p-n перехода от значения приложенного к нему напряжения – I = f(U).0.6В -0.7 В для Кремния 0.2 В для Германия Если к полупроводнику приложено прямое смещение (как показано на рисунке (a) выше), при увеличении напряжения от 0 В ток будет медленно возрастать. В случае с кремниевым полупроводником протекающий ток можно будет измерить, когда напряжение приблизится к 0,6 В (рисунок (c) выше). При увеличении напряжения выше 0,6 В ток после изгиба на графике начнет резко возрастать. Увеличение напряжения выше 0,7 В может привести к току, достаточно большому, чтобы вывести полупроводник из строя. Прямое напряжение Uпр является одной из характеристик полупроводников: 0,6–0,7 В для кремния, 0,2 В для германия, несколько вольт для светоизлучающих диодов. Прямой ток может находиться в диапазоне от нескольких мА для точечных полупроводников до 100 мА для слаботочных полупроводников и до десятков и тысяч ампер для силовых полупроводников. Е  сли диод смещен в обратном направлении, то протекает только ток утечки собственного полупроводника. Это изображено на графике слева от начала координат (рисунок (c) выше). Для кремниевых полупроводников этот ток в самых экстремальных условиях будет составлять примерно 1 мкА. Это ток при росте напряжения обратного смещения увеличивается незаметно, пока диод не будет пробит. При пробое ток увеличивается настолько сильно, что диод выходит из строя, если последовательно не включено сопротивление, ограничивающее этот ток. Обычно мы выбираем диод с обратным напряжением, превышающим напряжения, которые могут быть приложены при работе схемы, чтобы предотвратить пробой диода. Как правило, кремниевые диоды доступны с напряжениями пробоя 50, 100, 200, 400, 800 вольт и выше.3.Пробой p-n перехода. Виды пробоев и их применениеПробоем называют резкое увеличение обратного тока p-n-перехода при некотором обратном напряжении, превышающем напряжение пробоя  . Различают электрический и тепловой пробои. Существуют три основных вида электрического пробоя: лавинный, туннельный и поверхностный.Л  авинный пробой вызывается ударной ионизацией нейтральных атомов кристаллической решётки полупроводника в обеднённом слое под действием сильного электрического поля. При обратном напряжении ток в p-n-переходе создаётся дрейфовым движением неосновных носителей заряда, приходящих из нейтральных p и n-областей. В обеднённом слое эти носители ускоряются и при напряжении, превышающем некоторое критическое значение, приобретают на длине свободного пробега кинетическую энергию, достаточную для того, чтобы при соударении с нейтральным атомом полупроводника произвести его ионизацию, т.е. создать новую пару носителей заряда – электрон и дырку. Вновь образовавшиеся носители будут ускоряться полем и могут также вызвать ионизацию. При этом может начинаться и начинается лавинообразный процесс роста количества носителей заряда. Соответственно нарастает обратный ток p-n-перехода.Туннельный пробой – это электрический пробой p-n-перехода, вызванный туннельным эффектом. Он происходит в результате непосредственного отрыва валентных электронов от атомов кристаллической решетки полупроводника сильным электрическим полем.  Рис. 2.6. Энергетическая диаграмма, иллюстрирующая туннельный пробой Туннельный пробой возникает обычно в приборах с узким p-n-переходом, где при сравнительно невысоком обратном напряжении (до 7 В) создается большая напряженность электрического поля. При этом возможен туннельный эффект, заключающийся в переходе электронов валентной зоны р-области непосредственно в зону проводимости n-области. Объясняется такое явление тем, что при большой напряженности электрического поля на границе двух областей с разными типами электропроводности энергетические зоны искривляются так, что энергия валентных электронов р-области становится такой же, как энергия свободных электронов n-области (рис. 2.6). Электроны переходят на энергетической диаграмме (см. рис. 2.6) как бы по горизонтали из заполненной зоны в находящуюся на том же уровне свободную зону соседней области, а в полупроводниковом приборе, соответственно, через p-n-переход. В результате перехода дополнительных неосновных носителей заряда возникает туннельный ток, превышающий обратный ток нормального режима в десятки раз. Напряжение на p-n-переходе при туннельном пробое остается постоянным Поверхностный пробой — является наименее изученным. Явление поверхностного пробоя заключается в следующем. Поверхностный заряд, имеющийся практически всегда на поверхности полупроводника в месте выхода p-n- перехода на поверхность, может в сильной степени искажать картину поля в переходе, повышая или понижая напряженность поля в переходе. Это приводит к увеличению или уменьшению ширины перехода в области выхода перехода на поверхность полупроводника. Большое значение имеют при этом также диэлектрические свойства среды, граничащей с поверхностью полупроводника. Такой средой могут являться, в первую очередь, защитные покрытия, наносимые на полупроводниковый прибор для предохранения его от действия влаги и загрязнений. Ширина перехода будет определяться в основном той областью полупроводника, которая имеет большее удельное сопротивление. Выше были приведены электрические виды пробоя. А так как разрушения электронно-дырочного перехода при них не происходит, то эти процессы обратимые и используются, например в стабилитронах. Тепловой пробой. Если количество тепла, выделяющегося в р-n-переходе, превышает количество тепла, отводимого от него, то разогрев перехода приводит к росту процесса генерации носителей и, следовательно, к увеличению силы тока, текущего через переход, что в свою очередь ведет к дальнейшему повышению температуры и т. д. В итоге такого лавинообразно развивающегося перегрева сила тока продолжает возрастать и при уменьшении напряжения; наступает разрушение материала полупроводника. Тепловой пробой может возникнуть самостоятельно, но может оказаться и следствием развивающегося электрического пробоя. Поэтому обычно в цепь р-n-перехода последовательно включают ограничительный резистор, сопротивление которого подбирается так, чтобы сила тока не превосходила допустимого значения. |