электроника. 2воп. При подаче на pnпереход переменного напряжения проявляются емкостные свойства

• Название: 2воп. При подаче на pnпереход переменного напряжения проявляются емкостные свойства
• Дата: 11.04.2023
• Размер: 385.89 Kb.
• Имя файла: электроника.docx
• Тип: Документы; #1054803

1 билет

2воп. При подаче на p-n-переход переменного напряжения проявляются емкостные свойства.

Образование p-n-перехода связано с возникновением пространственного заряда, создаваемого неподвижными ионами атомов доноров и акцепторов. Приложенное к p-n-переходу внешнее напряжение изменяет величину пространственного заряда в переходе. Следовательно, p-n переход ведет себя как своеобразный плоский конденсатор, обкладками которого служат области n- и p-типа вне перехода, а изолятором является область пространственного заряда, обедненная носителями заряда и имеющая большое сопротивление.

17

Такая емкость p-n-перехода называется барьерной. Барьерная емкость C_Б может быть рассчитана по формуле

,

где

S - площадь p-n-перехода;  ·₀ - относительная () и абсолютная (₀) диэлектрические проницаемости;  - ширина p-n-перехода.

Особенностью барьерной емкости является ее зависимость от внешнего приложенного напряжения. С учетом (2.2) барьерная емкость для резкого перехода рассчитывается по формуле:

  

2билет Различают собственные и примесные полупроводники. К числу собственных относятся чистые полупроводники (т.е полупроводники без примесей или с концентрацией примеси настолько малой, что она не оказывает существенного влияния на удельную проводимость полупроводника). Проводимостьтаких чистых полупроводников называетсясобственной.

В примесных полупроводниках электрические свойства определяются примесями, вводимыми искусственно в очень малых количествах. Например, введение в кремний всего лишь 0,001% бора увеличивает его проводимость при комнатной температуре примерно в 1000 раз.

Проводимость полупроводников, обусловленная примесями, называется примесной проводимостью.

2воп. Пробой p-n перехода

Р езкое возрастание обратного тока, наступающее даже при незначительном увеличении обратного напряжения сверх определенного значения, называют пробоем перехода. Природа пробоя может быть различной: он может быть электрическим, при котором p n-переход не разрушается и сохраняет работоспособность, и тепловым, при котором разрушается кристаллическая структура полупроводника.

Электрический пробой связан со значительным увеличением напряжённости электрического поля в p-n переходе (более 7…10 В/см). Наблюдаются два типа электрического пробоя.

В полупроводниках с узким p-n переходом (что обеспечивается высокой концентрацией примесей) возникает туннельный пробой, связанный с туннельным эффектом, когда под воздействием очень сильного поля носители заряда могут переходить из одной области в другую через p-n переход без затраты энергии. Туннельный пробой наблюдается при обратном напряжении порядка нескольких вольт (до 10 В).

В полупроводниках с широким p-n переходом может произойти лавинный пробой. Его механизм состоит в том, что в сильном электрическом поле может возникнуть ударная ионизация атомов p-n перехода; носители заряда на длине свободного пробега приобретают кинетическую энергию, достаточную для того, чтобы при столкновении с атомом кристаллической решётки полупроводника выбить электроны из ковалентных связей. Образовавшаяся при этом пара свободных носителей заряда (электрон – дырка) тоже примет участие в ударной ионизации. Процесс нарастает лавинообразно и приводит к значительному возрастанию обратного тока. Пробивное напряжение лавинного пробоя составляет десятки и сотни вольт.

Тепловой пробой возникает тогда, когда энергия, выделяемая в p-n переходе при прохождении через него обратного тока, превышает энергию, которую способен рассеять p-n переход. Происходит значительный перегрев перехода, и обратный ток, который является тепловым, резко возрастает, а перегрев увеличивается. Это приводит к лавинообразному увеличению тока, в результате чего и возникает тепловой пробой p-n перехода.

3 билет Диэлектрики

• 
  электроны полностью заполняют валентную зону, а зона проводимости пуста, там электронов нет, поэтому зона проводимости ток не проводит,
  
• 
  Валентная зона может ток проводить, но не проводит, потому что все состояния электронов в точности симметричны, и если есть состояние (хаотическое движение) .с импульсом р, то найдётся и состояние с импульсом -р,
  
• 
  каждое из этих состояний переносит ток, но направления этих токов противоположны, и в сумме переносимый ток равен нулю.
  

Рис.3.8 а

Металлы

• 
  электроны заполняют валентную зону только наполовину. При нулевой температуре (по Кельвину, т.е. –273^оС) все нижние уровни заполнены электронами, а все верхние – пустые.
  
• 
  расстояния между уровнями очень малы, и малейшее возмущение системы, например, приложение маленького напряжения может вызвать смещение электронов из равновесного состояния, и нарушить симметрию в распределении электронов по скоростям.
  

Таким образом довольно легко возникает электрический ток, т.е. имеется электропроводность.

2воп. Стабилитрон или диод Зенера

Самым простым стабилизатором напряжения в электронике является радиоэлемент стабилитрон. Иногда его еще называют диодом Зенера. На схемах стабилитроны обозначаются примерно так:



В схемах стабилитрон включается последовательно с резистором:



где Uвх — входное напряжение, Uвых.ст.  — выходное стабилизированное напряжение

Если внимательно глянуть на схему, мы получили ни что иное, как Делитель напряжения.  Здесь все элементарно и просто:

Uвх=Uвых.стаб +Uрезистора

Или словами: входное напряжение равняется сумме напряжений на стабилитроне и на резисторе.

Эта схема называется параметрический стабилизатор на одном стабилитроне

Вольт-амперная характеристика стабилитрона

Думаю, не помешало бы рассмотреть Вольт амперную характеристику (ВАХ) стабилитрона. Выглядит она примерно как-то так:



где

Iпр — прямой ток, А

Uпр  — прямое напряжение, В

Эти два параметра в стабилитроне не используются

Uобр — обратное напряжение, В

Uст — номинальное напряжение стабилизации, В

Iст — номинальный ток стабилизации, А

Номинальный — это значит нормальный параметр, при котором  возможна долгосрочная работа радиоэлемента.

Imax — максимальный ток стабилитрона, А

Imin — минимальный ток стабилитрона, А

Iст, Imax, Imin — это  сила тока, которая течет через стабилитрон при его работе.

Так как стабилитрон работает именно в обратной полярности, в отличие от диода (стабилитрон подключают катодом к плюсу, а  диод катодом к минусу), то и рабочая область будет именно та, что отмечена красным прямоугольником.



Как мы видим, при каком-то напряжении Uобр  у нас график начинает падать вниз. В это время в стабилитроне происходит  такая интересная штука,  как пробой. Короче говоря,  он не может больше наращивать на себе напряжение, и в это время начинается возрастать сила тока  в стабилитроне. Самое  главное — не переборщить силу тока, больше чем Imax, иначе стабилитрону придет кердык. Самым лучшим рабочим режимом стабилитрона считается режим,  при котором сила тока через стабилитрон  находится где-то в середине между максимальным и минимальным его значением.  На графике это и будет рабочей точкой рабочего режима стабилитрона (пометил красным кружком).
4билет.
5билет Ток, обусловленный внешним электрическим полем, получил название дрейфового тока.

Ток, возникающий в результате диффузии носителей из области, где их концентрация повышена, в направлении области с более низкой концентрацией, называется диффузным бездрейфовым током.

Механизм возникновения диффузного тока можно объяснить так. Пусть по каким-либо причинам концентрация электронов в различных точках полупроводника неодинакова. Очевидно, что вероятность столкновения электронов друг с другом больше там, где концентрация их выше. Поэтому электрон, совершая хаотическое тепловое движение, в соответствии с общими законами теплового движения будет стремиться перейти в область меньших столкновений. В результате носители заряда, совершающие тепловое движение, будут смещаться из области с большей концентрацией в область с меньшей концентрацией их, что приведет к возникновению диффузного тока.

2воп



6билет. В каждом полупроводнике носители имеют некоторое среднее время жизни τ, так как генерируемые носители заряда могут рекомбинировать, встречаясь между собой и с различными дефектами решетки, τ характеризует время жизни неосновных (и неравновесных) носителей заряда, появляющихся, например, при воздействии на образец светом (условие равновесия np = ni2 - характеризует равновесные носители заряда при данной температуре). Время жизни определяется по формуле
τ = 1/υт N S (11)
где υт - тепловая скорость носителей, S - сечение захвата, N - концентрация ловушек.
Значения τn и τp могут находиться в зависимости от типа полупроводника, носителей, температуры и др. факторов в диапазоне от 10-16 до 10-2 с.

2воп. Стабилизаторы бывают параметрическими и компенсационными. Принцип действия параметрических состоит в том, что в них используются особенные свойства элементов, параметры которых, а именно сопротивление, изменяются так, что стабилизация становится возможной

7билет. Типы диодов по назначению
Править
Выпрямительные диоды предназначены для преобразования переменного тока в постоянный.
Импульсные диоды имеют малую длительность переходных процессов, предназначены для применения в импульсных режимах работы.
Детекторные диоды предназначены для детектирования сигнала
Смесительные диоды предназначены для преобразования высокочастотных сигналов в сигнал промежуточной частоты.
Переключательные диоды предназначены для применения в устройствах управления уровнем сверхвысокочастотной мощности.
Параметрические
Ограничительные диоды предназначены для защиты радио и бытовой аппаратуры от повышения сетевого напряжения.

2 воп.

8билет. иффузией называется процесс взаимного проникновения молекул одного вещества между молекулами другого. Диффузия наблюдается в газах, в жидкостях и даже в твердых телах. При контакте газов диффузия происходит всегда. Жидкости неограниченно диффундируют лишь при их хорошей растворимости друг в друге, например, керосин и растительное масло, вода и спирт.

Рассмотрим смесь двух газов, концентрации которых в разных точках сосуда различны. Вследствие теплового движения, начинается процесс выравнивания концентрации. Если плотность газа меняется в направлении оси ОХ и изменение плотности на расстоянии   равно  , то говорят, что в газе имеется градиент плотности  .

Закон диффузии выводится из молекулярно-кинетической теории. Запишем его без вывода:

, (15.8)

где   ‑ масса вещества, переносимого через площадку площадью S; D – коэффициент диффузии;   ‑ градиент плотности;   ‑ время диффузии.

Таким образом, масса продиффундированного вещества пропорциональна градиенту плотности, площади площадки S, через которую происходит диффузия, и времени диффузии. Введя плотность потока массы   ‑ величину, определяемую массой вещества, диффундирующего в единицу времени через единичную площадку, перпендикулярную от x, получим закон диффузии – закон Фика:

. (15.9)

Закон диффузии справедлив как для газов, так и для жидкостей. Знак минус в выражении (15.9) указывает на то, что диффузия происходит в направлении уменьшения плотности вещества.

Для газов коэффициенты диффузии связан со средней длиной свободного пробега   и средней скоростью   теплового движения молекул соотношением

В дырочном полупроводнике в равновесном состоянии скорость тепловой генерации равна скорости рекомбинации:

R=G=γn_pp_p,

где γ-коэффициент рекомбинации.

При инжекции в дырочный полупроводник электронов в нем практически мгновенно происходит увеличение концентрации электронов и дырок. Они становятся равными

n=n_p+n_изб.р

p=p_p+p_изб.р.

Это ведет к увеличению скорости рекомбинации, она становится равной R¹=γ(n_p+n_изб)(p_p+p_изб). Соответственно увеличивается скорость возникновения носителей заряда G¹. Они теперь появляются не только за счет тепловой генерации, но и за счет инжекции. Если инжекция происходит непрерывно, то полная концентрация электронов и дырок с течением времени сохраняется постоянной, то есть, выполняется условиеG¹=R¹. При этом с увеличением концентрации дырок можно не считаться, поскольку избыточная концентрация дырок во много раз меньше их равновесной концентрации. После прекращения инжекции скорость рекомбинации останется прежней, так как избыточные носители заряда не могут исчезнуть мгновенно, а скорость возникновения носителей заряда становится равнойG, так как теперь они появляются только за счет тепловой генерации. Следовательно, будет выполняться условиеR¹>G, в результате чего концентрации электронов и дырок начнут уменьшаться. Учтем, что равновесные концентрации электронов и дырок с течением времени не меняются. Следовательно, можно рассматривать только скорость изменения концентрации неравновесных носителей заряда, которая пропорциональна разности скоростей рекомбинации и генерации. Избыточная концентрация электронов изменяется со скоростью



Вследствие условия электрической нейтральности с такой же скоростью происходит изменение избыточной концентрации дырок.

Считая n_изб(t) ≈p_изб(t), получаем:

, (6.1)

где n_p— вероятность рекомбинации дырки;

p_p— вероятность рекомбинации электрона.

Величина, обратная вероятности рекомбинации, есть не что иное, как время жизни избыточных носителей заряда. Следовательно,

. (6.2)

Результирующее время жизни определяется соотношением

(6.3)

Тогда скорость рекомбинации можно записать следующим образом:

. (6.4)

Решая полученное уравнение относительно n_изб(t), получаем:

, (6.5)

где n_изб(t₀) —величина избыточной концентрации в момент прекращения инжекции.

Из уравнения (6.57) следует, что время жизни избыточных носителей зарядаравно интервалу времени, в течение которого избыточная концентрация уменьшается вeраз (е=2,73). Аналогичным образом изменяется избыточная концентрация дырок.

В электронном полупроводнике n_n>>p_n, следовательно,_p; в дырочном полупроводникеp_p>>n_p, следовательно,. Значит, время жизни избыточных (неравновесных) носителей

заряда определяется временем жизни неосновных носителей заряда.

2воп. Рассмотрим структуру биполярных плоскостных транзисторов, у которых оба перехода - плоскостные. Упрощенные структуры плоскостных p-n-p и n-p-n типов показаны на рис.5.1.

Биполярный транзистор имеет области: эмиттер, база и коллектор – два p-n-перехода. Эмиттерный переход (на границе областей эмиттер-база) и коллекторный (на границе областей база-коллектор). Базовая область (база Б) – область, в которую инжектируются неосновные для этой области носители заряда. Эмиттерная область (эмиттер Э) – область, назначение которой – инжекция носителей в базовую область. Коллекторная область (коллектор К) предназначена для экстракции носителей из базовой области. Принцип работы транзисторов p-n-p и n-p-n-типов одинаков, но в транзисторе со структурой типа p-n-p основной ток, текущий через базу, создается дырками, инжектируемыми из эмиттера, а в транзисторах со структурой n-p-n-типа - электронами.



Рис.5.1. Схематическое изображение биполярного плоскостного транзистора и его условное изображение: а) p-n-p-типа; б) n-p-n-типа; в) распределение концентраций основных носителей заряда вдоль структуры транзистора в равновесном состоянии; W- толщина базы

На условных обозначениях эмиттер изображается в виде стрелки, которая указывает прямое направление тока эмиттерного перехода (т.е. от «плюса» к «минусу»).

Если бы эмиттерный и коллекторный переходы находились на большом расстоянии друг от друга, т.е. толщина базы W была бы значительно больше диффузионной длины неосновных носителей в базе, то носители, инжектируемые эмиттером, не доходили бы до коллектора, т.к. рекомбинировали бы в базе. В этом случае каждый из переходов можно рассматривать в отдельности, не учитывая их взаимодействия, причем вольт-амперная характеристика эмиттерного перехода представляла бы прямую ветвь характеристики диода, а коллекторного перехода - обратную ветвь.

Основная особенность биполярного транзистора заключается во взаимном влиянии переходов друг на друга. В биполярных плоскостных транзисторах для эффективного влияния эмиттерного перехода на коллекторный необходимо выполнение следующих требований:

1. Толщина базы транзистора W должна быть много меньше диффузионной длины инжектируемых в нее носителей Lб, т.е. W= 1,5 - 25 мкм < Lб.

2. Концентрация основных носителей в базе должна быть много меньше концентрации основных носителей в области эмиттера.

3. Концентрация основных носителей в области коллектора должна быть несколько меньшей, чем в области эмиттера.

4. Площадь коллекторного перехода должна быть в несколько раз больше площади эмиттерного перехода.

9билет. Соотношение Эйнштейна позволяет связать параметры дрейфового и диффузионного движения:

Где
D - коэффициент диффузии;
μ - подвижность частиц;
φT - температурный потенциал;
Данные соотношения строго выполняются только для невырожденных полупроводников.
Соотношение Эйнштейна имеет простой физический смысл: независимо от причины, вызвавшей направленное движение, свободные носители встречают на своем пути одни и те же неоднородности (препятствия), при взаимодействии с которыми происходит рассеяние. Поэтому между основными параметрами дрейфового и диффузионного движений μ и D существует некая пропорциональность. Коэффициент пропорциональности φ=kT/q имеет размерность потенциала (вольт) и называется тепловым потенциалом.

2воп. 2.2 Принцип работы биполярного транзистора
Принцип работы транзистора заключается в том, что прямое напряжение эмиттерного перехода, то есть участка база – эмиттер (uб-э), существенно влияет на токи эмиттера и коллектора: чем больше это напряжение, тем больше токи эмиттера и коллектора.

10билет. Электронно-дырочный переход (или n–p-переход) – это область контакта двух полупроводников с разными типами проводимости. В полупроводнике n-типа основными носителями свободного заряда являются электроны; их концентрация значительно превышает концентрацию дырок (nn » np).

2воп. Биполя́рный транзи́стор — трёхэлектродный полупроводниковый прибор, один из типов транзисторов. В полупроводниковой структуре сформированы два p-n-перехода, перенос заряда через которые осуществляется носителями двух полярностей — электронами и дырками. Именно поэтому прибор получил название «биполярный», в отличие от полевого (униполярного) транзистора.