р- n - переход

р-n - переход

Автор Останин Б.П. Конец слайда

p-n переход Слайд 1. Всего 29

Структура p-n перехода

Дырки диффундируют из слоя р в слой n (их концентрация в слое р значительно выше, чем в слое n).

Электроны диффундируют из слоя n в слой p (их концентрация в слое n значительно выше, чем в слое p).

_ +_

_

_

_

_

_

_

_

_ _

_

_

_

_

_

_

_ +

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

_

_

_

+

+

+

Е

p-n переход

p n

Автор Останин Б.П. Конец слайда

p-n переход Слайд 2. Всего 29

В приграничных областях слоёв p и n возникает слой, обеднённый подвижными носителями заряда. Возникает электрическое поле с напряжённостью Е. Это поле препятствует переходу дырок из слоя р в слой n и переходу электронов из слоя n в слой р. Зато помогает переходу дырок из слоя n в слой р и переходу электронов из слоя р в слой n (возникает дрейфовый ток). В установившемся режиме дрейфовый ток равен диффузионному току.

Возникает потенциальный барьер. Для кремния 0,75 В. Для германия 0,2 В.

Автор Останин Б.П. Конец слайда

p-n переход Слайд 3. Всего 29

х0

np

Автор Останин Б.П. Конец слайда

p-n переход Слайд 4. Всего 29

Симметричный р-n переход

Несимметричный р-n переход

np

p-n переход

np

p-n переход

Автор Останин Б.П. Конец слайда

p-n переход Слайд 5. Всего 29

А К

Область p-n перехода

Невыпрямляющие контакты

р n

р-n переход под внешним напряжением

Автор Останин Б.П. Конец слайда

p-n переход Слайд 6. Всего 29

0 х

Автор Останин Б.П. Конец слайда

p-n переход Слайд 7. Всего 29

А Кр n

U

U

0 х

Прямое включение

Автор Останин Б.П. Конец слайда

p-n переход Слайд 8. Всего 29

А Кр n

U

U

0 х

Обратное включение

Автор Останин Б.П. Конец слайда

p-n переход Слайд 9. Всего 29

Для идеального р-n перехода

)1( T

u

s eii

q

kTT - температурный потенциал,

при температуре 20С (эта температура называется комнатной в отечественной литературе) Т = 0,025 В,при температуре 27С (эта температура называется комнатной в зарубежной литературе) Т = 0,026 В,

is - ток насыщения (тепловой ток), индекс s от английского saturation current, для кремниевых р-n переходов обычно is = 10-15…10-13 А;k - постоянная Больцмана,

Т - абсолютная температура, Кq - элементарный заряд, q = 1,610-19 Кл.

Автор Останин Б.П. Конец слайдаАвтор Останин Б.П.

p-n переход Слайд 10. Всего 29

К

эВ

К

Джk 523 1062,81038,1

is

i

0 u

)1( T

u

s eii

Автор Останин Б.П. Конец слайдаАвтор Останин Б.П.

p-n переход Слайд 11. Всего 29

Полезно отметить, что, как следует из приведённого выражения, чем меньше ток is, тем больше напряжение u при заданном прямом токе. У кремния ток is меньше, чем у германия.

u

Sii

0

Ge

Автор Останин Б.П. Конец слайдаАвтор Останин Б.П.

p-n переход Слайд 12. Всего 29

)1( T

u

s eii

Uпр

Iпр

Uобр 0

1

Iобр

2

3

4

5

Автор Останин Б.П. Конец слайда

p-n переход Слайд 13. Всего 29

Пробой p-n перехода

Пробой это резкое изменение режима работы перехода находящегося под обратным напряжением. Резко уменьшается дифференциальное сопротивление.

di

durДИФ

Автор Останин Б.П. Конец слайда

p-n переход Слайд 14. Всего 29

Uпр

Iпр

Uобр 0

1

Iобр

2

3

4

5 0di

durДИФ

rДИФ резко уменьшается

В основе пробоя лежат три физических явления

1. туннельный эффект;2. лавинный пробой;3. тепловой пробой.

Туннельный пробой – электрический пробойЛавинный пробой – тоже электрический пробой.

Тепловой пробой – это пробой, разрушающий переход.

Автор Останин Б.П. Конец слайда

p-n переход Слайд 15. Всего 29

Туннельный пробой

з

р

n

Автор Останин Б.П. Конец слайда

p-n переход Слайд 16. Всего 29

Туннельный пробой

Лавинный пробой

После электрического пробоя p-n переход не изменяет своих свойств.

Тепловой пробой разрушает p-n преход

Автор Останин Б.П. Конец слайда

p-n переход Слайд 17. Всего 29

з

р n

Туннелирование

Ёмкость p-n перехода

np

Q-Q

IОБР

UОБР

Барьерная ёмкость

U

Q

0

Автор Останин Б.П. Конец слайда

p-n переход Слайд 18. Всего 29

На постоянном токе U

QСБАР

На переменном токе dU

dQСБАР

U

СБАР

0

Автор Останин Б.П. Конец слайда

p-n переход Слайд 19. Всего 29

Барьерная ёмкость вредно влияет на выпрямление переменного тока (особенно на высоких частотах), так как шунтирует диод.

Диффузионная ёмкость

np

Q -Q

IПР

UПР

dU

dQС ДИФ

Автор Останин Б.П. Конец слайда

p-n переход Слайд 20. Всего 29

Ёмкость называют диффузионной, так как рассматриваемый заряд Q лежит в основе диффузии носителей в базе. СДИФ удобно и принято описывать не как функцию напряжения U, а как функцию тока перехода.

Сам заряд Q прямо пропорционален току I. Ток

экспоненциально зависит от напряжения u: . Поэтому производная также прямо пропорциональна току. Отсюда следует, что ёмкость СДИФ прямо пропорциональна току I

)1( T

u

s eii

dU

dI

TДИФ

IС

Автор Останин Б.П. Конец слайда

p-n переход Слайд 21. Всего 29

I

Q

0

TДИФ

IС

- среднее время пролёта (для тонкой базы), или время жизни (для толстой базы).

Среднее время пролёта – это время, за которое инжектируемые носители заряда проходят базу. Время жизни – это время от инжекции носителя заряда в базу до рекомбинации.

Автор Останин Б.П. Конец слайда

p-n переход Слайд 22. Всего 29

CДИФ

I0

Диффузионная ёмкость значительно больше барьерной, но использовать её не удаётся, так как она зашунтирована малым прямым сопротивлением самого диода.

Автор Останин Б.П. Конец слайда

p-n переход Слайд 23. Всего 29

Общая ёмкость p-n перехода

ДИФБАРПЕР ССС

При обратном смещении перехода (U < 0) диффузионная ёмкость практически равна нулю. При прямом смещении обычно

БАРДИФ СС

Автор Останин Б.П. Конец слайда

p-n переход Слайд 24. Всего 29

Температурные свойства

У германиевых p-n-переходов обратный ток увеличивается в 2 раза на каждые 10 С. Это можно выразить формулой

10

20

)20(2

t

СОБРОБР II

Например, если температура перехода возросла с 20 С до 70 С, то обратный ток возрастёт в 25, т.е. в 32 раза.

Кроме того у германиевых переходов снижается напряжение электрического пробоя.

Автор Останин Б.П. Конец слайда

p-n переход Слайд 25. Всего 29

У кремниевых p-n-переходов обратный ток увеличивается в 2,5 раза на каждые 10 С.

10

20

)20(5,2

t

СОБРОБР II

У кремниевых p-n-переходов напряжение электрического пробоя при повышении температуры сначала несколько возрастает, а затем уменьшается.

Автор Останин Б.П. Конец слайда

p-n переход Слайд 26. Всего 29

134 10...10 КТКЕ

С повышением температуры как у германиевых, так и у кремниевых p-n-переходов несколько возрастает барьерная ёмкость.

Uпр

Iпр

Uобр0

Iобр

20 С50 С

20 С

50 С

Автор Останин Б.П. Конец слайда

p-n переход Слайд 27. Всего 29

Контрольные вопросы 1

7. Поясните процессы, происходящие про соприкосновении полупроводников типа р и типа n.

9. Диффузионный ток это ток обусловленный …

10. Дрейфовый ток это ток обусловленный …

11. В установившемся режиме дрейфовый ток и диффузионный токи ...

12. Поясните, как сделать р-n переход несимметричным.

Автор Останин Б.П. Конец слайда

p-n переход Слайд 28. Всего 29

8. Укажите сколько вольт составляет потенциальный барьер у германия и у кремния.

1. Поясните как возникает проводимость в чистом полупроводнике.

2. Поясните как возникает проводимость в полупроводнике n типа.

3. Поясните как возникает проводимость в полупроводнике р типа.

4. Перечислите носители заряда в полупроводнике i типа.

5. Перечислите носители заряда в полупроводнике n типа.

6. Перечислите носители заряда в полупроводнике р типа.

Контрольные вопросы 2

13. Поясните, как ведёт себя р-n переход при прямом включении.

14. Поясните, как ведёт себя р-n переход при обратном включении.

15. Укажите область электрического пробоя на ВАХ диода.

16. Поясните, как отличаются масштабы прямой и обратной ветвей р-n перехода.

17. Поясните, что представляет собой барьерная ёмкость р-n перехода.

18. Поясните, что представляет собой диффузионная ёмкость р-n перехода.

19. Поясните, почему диффузионную ёмкость можно не учитывать в расчётах схем.

20. Поясните, почему обратный ток быстро растёт с ростом температуры.

Автор Останин Б.П. Конец слайда

p-n переход Слайд 29. Всего 29