Sibprompost.ru

Стройка и ремонт
1 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Тепловой ток p n перехода это 1

Тепловой ток p n перехода это 1

ОБРАТНЫЙ ТОК р-n ПЕРЕХОДА

Как было отмечено выше, при обратном смещении р-п перехода в нем проте­кает лишь небольшой ток, называемый обратным. Этот ток I и формирует обратную ветвь ВАХ р-п перехода (см. рис. 1.10). В общем случае I состоит из четырех составляющих: теплового тока, тока термогенерации, тока утечки и канального тока.

Тепловой ток обусловлен термогенерацией электронно-дырочных пар в об­ластях р- и n-типа, удаленных от i-области не далее чем на диффузионную дли­ну (рис. 1.12). Строго говоря, диффузионная длина для эмиттера и базы будет разной, но этот факт не играет принципиальной роли для качественного рас­смотрения теплового тока. Электроны и дырки, возникающие в структуре, будут сортироваться электрическим полем: электроны устремляются в n-область, а дырки — в p-область. Следует отметить, что если термогенерации носителей заряда произошла в каком-либо месте структуры, удаленном от i-области более чем на L, то эти носители не смогут уже дойти до i-области — они раньше рекомбинируют и, естественно, не примут участия в образовании теплового тока.

Поскольку тепловой ток обусловлен процессами термогенерации носителей заряда, то он довольно сильно возрастает при увеличении температуры. Обыч­но тепловой ток возрастает в 2 раза при увеличении температуры на каждые 10°С. Естественной представляется зависимость теплового тока от ширины запрещенной зоны полупроводника, из которого выполнен р-п переход. Чем больше ε3, тем меньше вероятность термогенерации при заданной температуре и, следовательно, меньше тепловой ток. Относительно теплового тока остается заметить, что он является основной составляющей обратного тока у германие­вых р-п переходов и слабо зависит от величины приложенного обратного на­пряжения.

Другой составляющей обратного тока является ток термогенерации, кото­рый обусловлен генерацией носителей заряда в i-области под действием тепла. Этот ток отличается от теплового только местом, где образуются подвижные носители заряда. Величина тока термогенерации пропорциональна объему обедненного слоя, т. е. ширине р-п перехода. Он растет при увеличении l, т. е. пропорционален √U .

Поскольку ток термогенерации, также как и тепловой ток образуется за счет термогенерации носителей заряда, то он, подобно тепловому, возрастает при увеличении температуры. Однако это возрастание происходит более интенсивно. Обычно ток термогенерации возрастает в 3 раза при увеличении температуры на каждые 10°С.

В германиевых р-п переходах ток термогенерации пренебрежимо мал в сравне­нии с тепловым, а для переходов из кремния и арсенида галлия может стать заметной частью I при высоких температурах.

Третьей составляющей обратного тока р-п перехода является ток утечки. Для р-п переходов, изготовленных из «достаточно широкозонных полупроводников, поверхностные утечки могут явиться основной составляющей, опреде­ляющей величину тока I. Ток утечки обусловлен многими факторами: поверх­ностными энергетическими уровнями, молекулярными и ионными пленками, различными загрязнениями и т. д. При повышении напряжения ток утечки возрастает по линейному закону или еще более круто. Влияние же температуры на ток утечки выражено сравнительно слабо. Отметим, что характерной осо­бенностью тока утечки является его временная нестабильность. Образование тока утечки, как правило, связано с несовершенством технологии изготовле­ния. Примером р-п перехода, у которого ток утечки является основной состав­ляющей обратного тока, является кремниевый переход, выполненный по сплавной технологии.

Четвертой составляющей обратного тока р-п перехода является канальный ток. Он является основной составляющей для кремниевых р-п переходов, вы­полненных по планарной технологии. Не вдаваясь здесь в особенности планарной технологии отметим, что при ее использовании поверхность кремниевых р-п переходов покрывается защитной пленкой SiO2. Это покрытие, с одной стороны, практически устраняет ток поверхностной утечки, но, с другой сторо­ны, порождает канальный ток. Канальный ток возникает за счет образования канала (очень тонкого слоя) n-типа в приповерхностной области р-типа, по­крытой пленкой SiO2. Отметим, что канальный ток очень маленький: десятые доли или единицы наноампер.

Заканчивая рассмотрение обратного тока отметим, что, хотя на его величи­ну и влияют многие факторы, все же можно считать, что он возрастает при уменьшении ширины запрещенной зоны полупроводника, из которого выпол­нен р-п переход. Так, обратный ток в германиевых р-п переходах обычно на три — четыре порядка выше, чем в кремниевых.

Тепловой ток p n перехода это 1

  • Главная
  • Общие сведения
  • Теоретические основы
  • Методические основы
  • Приложения
  • КИМы
  • Список литературы
  • Поиск
  • Введение
  • 1 Общие сведения об электроматериалах
    • 1.2 Особенности строения твердых тел
    • 1.3 Элементы зонной теории твердого тела
  • 2 Проводниковые материалы
    • 2.1 Виды электропроводности проводниковых материалов
    • 2.2 Основные свойства металлических проводников
    • 2.3 Металлы высокой проводимости
    • 2.4 Тугоплавкие металлы
    • 2.5 Благородные металлы
    • 2.6 Коррозионно-стойкие металлы
    • 2.7 Некоторые другие металлы
    • 2.8 Сплавы высокого сопротивления
    • 2.9 Сплавы для термопар
    • 2.10 Тензометрические сплавы
    • 2.11 Контактные материалы
    • 2.12 Припои и флюсы
    • 2.13 Неметаллические проводящие материалы
  • 3 Полупроводниковые материалы
    • 3.1 Электропроводность полупроводников
    • 3.2 Влияние внешних факторов на электропроводность полупроводников
    • 3.3 Термоэлектрические и электротермические эффекты в полупроводниках
    • 3.4 Гальваномагнитные эффекты в полупроводниках
    • 3.5 Оптические и фотоэлектрические эффекты в полупроводниках
    • 3.6 Электрические переходы
    • 3.7 Основные полупроводниковые материалы
  • 4 Диэлектрические материалы
    • 4.1 Поляризация диэлектриков
      • 4.1.1 Полярные и неполярные диэлектрики
      • 4.1.2 Механизмы поляризации
      • 4.1.3 Влияние различных факторов на относительную диэлектрическую проницаемость
    • 4.2 Электропроводность диэлектриков
      • 4.2.1 Электропроводность твердых диэлектриков
      • 4.2.2 Электропроводность жидких диэлектриков
      • 4.2.3 Электропроводность газов
    • 4.3 Диэлектрические потери
      • 4.3.1 Потери на электропроводность
      • 4.3.2 Релаксационные потери
      • 4.3.3 Резонансные потери
      • 4.3.4 Миграционные и ионизационные потери (потери от неоднородности структуры)
    • 4.4 Пробой диэлектриков
      • 4.4.1 Пробой газов
      • 4.4.2 Пробой жидкостей
      • 4.4.3 Пробой твердых диэлектриков
    • 4.5 Основные диэлектрические материалы
      • 4.5.1 Газообразные диэлектрики
      • 4.5.2 Жидкие диэлектрики
      • 4.5.3 Твердые диэлектрики
    • 4.6 Активные диэлектрики
      • 4.6.1 Сегнетоэлектрики
      • 4.6.2 Пьезоэлектрики
      • 4.6.3 Пироэлектрики
      • 4.6.4 Электреты
      • 4.6.5 Жидкие кристаллы
  • 5 Магнитные материалы
    • 5.1 Общие сведения о магнитных свойствах вещества
    • 5.2 Классификация веществ по магнитным свойствам
    • 5.3 Физическая сущность ферромагнетизма
      • 5.3.1 Доменное строение как основа ферромагнетизма
      • 5.3.2 Намагничивание ферромагнетиков
    • 5.4 Структура ферромагнетиков
    • 5.5 Основные свойства ферромагнетиков
      • 5.5.1 Магнитострикция и магнитоупругость
      • 5.5.2 Влияние температуры на магнитные свойства
      • 5.5.3 Магнитные потери
    • 5.6 Основные магнитные материалы и их использование
      • 5.6.1 Постоянные магниты
      • 5.6.2 Пермаллои
  • 6 Основные компоненты радиоэлектроаппаратуры
    • 6.1 Общие сведения о компонентах радиоэлектроаппаратуры
    • 6.2 Резисторы: классификация, основные параметры
      • 6.2.1 Классификация резисторов
      • 6.2.2 Основные параметры и свойства резисторов
      • 6.2.3 Основные виды проводящих элементов резисторов
      • 6.2.4 Магниторезисторы
      • 6.2.5 Фоторезисторы
    • 6.3 Конденсаторы
      • 6.3.1 Классификация конденсаторов
      • 6.3.2 Основные характеристики конденсаторов
      • 6.3.3 Нелинейные конденсаторы
    • 6.4 Полупроводниковые диоды
      • 6.4.1 Общие сведения и основные параметры
      • 6.4.2 Классификация диодов
      • 6.4.3 Условное графическое обозначение диодов в схемах
      • 6.4.4 Надежность и причины отказов полупроводниковых диодов
  • 7 Датчики физических величин на основе электроматериалов
    • 7.1 Краткие сведения о датчиках
    • 7.2 Термоэлектрический эффект Зеебека
    • 7.3 Электротермический эффект Пельтье
    • 7.4 Эффект Холла
    • 7.5 Магниторезистивный эффект (эффект Гаусса)
    • 7.6 Магнитоупругий эффект
    • 7.7 Фотоэффект
    • 7.8 Терморезистивный эффект
    • 7.9 Тензорезистивный эффект
    • 7.10 Пьезоэлектрический эффект
    • 7.11 Пироэлектрический эффект
Читайте так же:
Как подсоединить провода теплого пола

6.4 Полупроводниковые диоды

6.4.1 Общие сведения и основные параметры

Полупроводниковые диоды – элементы с одним p-n-переходом и двумя выводами, обладающие односторонней проводимостью тока.

К противоположным областям p-n-перехода привариваются или припаиваются металлические выводы, и вся система заключается в металлический, металлокерамический, стеклянный или пластмассовый корпус. Различные виды полупроводниковых диодов представлены на рисунке 6.25.

Рисунок 6.25 – Различные виды диодов

Область полупроводникового кристалла диода, имеющая более высокую концентрацию примесей (следовательно, и основных носителей заряда), называется эмиттером, а другая, с меньшей концентрацией – базой. По аналогии с электровакуумными диодами, ту сторону диода, к которой при прямом включении подключается отрицательный полюс источника питания, часто называют катодом, а другую – анодом.

Параметров у полупроводниковых диодов достаточно много, они определяются функцией, которую диод выполняет в конкретном устройстве. Например, в диодах, генерирующих СВЧ, колебания очень важным параметром является рабочая частота и та граничная частота, на которой происходит срыв генерации, в то время как для выпрямительных диодов этот параметр совершенно не важен. В импульсных и переключающих диодах важна скорость переключения и время восстановления, то есть скорость полного открытия диода и полного его закрытия. В мощных силовых диодах важна рассеиваемая мощность, для этого их монтируют на специальные радиаторы, а диоды, работающие в слаботочных устройствах, ни в каких радиаторах не нуждаются.

Но есть параметры, которые считаются важными для всех типов диодов. К ним относятся:

Ÿ Uпр. – допустимое напряжение на диоде при протекании через него тока в прямом направлении. Превышать это напряжение не стоит, так как это приведёт к порче диода;

Ÿ Uобр. – допустимое напряжение на диоде в закрытом состоянии. Его ещё называют напряжением пробоя (не путать с пробивным (пороговым) напряжением). В закрытом состоянии, когда через «p-n» переход не протекает ток, на выводах диода образуется так называемое обратное напряжение. Если оно превысит допустимое значение для диода, то это приведёт к «пробою» p-n перехода. В результате диод превратится в обычный проводник (сгорит). Очень чувствительны к превышению обратного напряжения диоды Шоттки, которые очень часто выходят из строя по этой причине. Обычные диоды более устойчивы к превышению обратного напряжения. При незначительном его превышении диод переходит в режим обратимого пробоя. Если кристалл диода не успевает перегреться из-за чрезмерного выделения тепла, то диод может работать ещё долгое время;

Ÿ Iпр.прямой ток диода. Это очень важный параметр, который стоит учитывать при замене диодов аналогами или при конструировании самодельных устройств. Величина прямого тока для разных модификаций диодов может достигать величин десятков и сотен ампер. Особо мощные диоды устанавливают на радиатор для отвода тепла, которое образуется из-за теплового действия тока. p-n переход в прямом включении также обладает небольшим сопротивлением. На небольших рабочих токах его действие незаметно, но вот при токах в единицы или десятки ампер кристалл диода ощутимо нагревается. Так, например, выпрямительный диодный мост в сварочном инверторном аппарате обязательно устанавливают на радиатор.

Ÿ Iобр.обратный ток диода. Обратный ток диода – это так называемый ток неосновных носителей. Он образуется, когда диод закрыт. Величина обратного тока очень мала и его в подавляющем числе случаев не учитывают.

Читайте так же:
Ток тепловой защиты что это

Ÿ Рд, Pпр, Pобр, Pсррассеиваемая мощность. Когда через диод проходит ток, при заданном напряжении на диоде выделяется мощность Pд=I U. При подаче на диод переменного напряжения общая мощность, рассеиваемая диодом, равна сумме мощностей, рассеиваемых при прохождении тока в прямом (Pпр) и обратном (Pобр) направлениях: Pд = Pпр + Pобр. Средняя рассеиваемая мощность (Pср) определяется как среднее за период значение мощности, рассеиваемой диодом при протекании прямого и обратного токов. Максимальное значение рассеиваемой мощности, при которой гарантируется долговременная и стабильная работа диода при заданных внешних условиях, называется максимальной допустимой мощностью рассеяния диода.

Ÿ Uстаб. – напряжение стабилизации (для стабилитронов).

Кроме того следует иметь в виду, что все эти параметры в технической литературе печатаются и со значком «max», т.е. указывается предельно допустимое значение данного параметра. Полный список общих параметров диодов и их принятых обозначений приведен в приложении В.

© ФГБОУ ВПО «Уфимский государственный нефтяной технический университет»
Редакционно-издательский центр
Отдел допечатной подготовки и программно-методического обеспечения
Уфа 2014

p-n-переход

p-n-перехо́д или электронно-дырочный переход — область соприкосновения двух полупроводников с разными типами проводимости — дырочной (p, от англ. positive — положительная) и электронной (n, от англ. negative — отрицательная). Электрические процессы в p-n-переходах являются основой работы полупроводниковых приборов с нелинейной вольт-амперной характеристикой (диодов, транзисторов и других ).

Содержание

  • 1 Области пространственного заряда
  • 2 Выпрямительные свойства
  • 3 Ёмкость
    • 3.1 Барьерная ёмкость
    • 3.2 Диффузионная ёмкость
  • 4 Воздействие радиации
  • 5 Методы формирования
    • 5.1 Вплавление примесей
    • 5.2 Диффузия примесей
    • 5.3 Эпитаксиальное наращивание
  • 6 Применение
  • 7 Историческая справка
  • 8 См. также
  • 9 Примечания
  • 10 Литература

Области пространственного заряда [ править | править код ]

В полупроводнике p-типа, который получается посредством акцепторной примеси, концентрация дырок намного превышает концентрацию электронов. В полупроводнике n-типа, который получается посредством донорной примеси, концентрация электронов намного превышает концентрацию дырок. Если между двумя такими полупроводниками установить контакт, то возникнет диффузионный ток — основные носители заряда (электроны и дырки) хаотично перетекают из той области, где их больше, в ту область, где их меньше, и рекомбинируют друг с другом. Как следствие, вблизи границы между областями практически не будет свободных (подвижных) основных носителей заряда, но останутся ионы примесей с некомпенсированными зарядами [1] . Область в полупроводнике p-типа, которая примыкает к границе, получает при этом отрицательный заряд, приносимый электронами, а пограничная область в полупроводнике n-типа получает положительный заряд, приносимый дырками (точнее, теряет уносимый электронами отрицательный заряд).

Таким образом, на границе полупроводников образуются два слоя с пространственными зарядами противоположного знака, порождающие в переходе электрическое поле. Это поле вызывает дрейфовый ток в направлении, противоположном диффузионному току. В конце концов, между диффузионным и дрейфовым токами устанавливается динамическое равновесие, и изменение пространственных зарядов прекращается. Обеднённые области с неподвижными пространственными зарядами и называют p-n-переходом [2] .

Выпрямительные свойства [ править | править код ]

Если к слоям полупроводника приложено внешнее напряжение так, что создаваемое им электрическое поле направлено противоположно существующему в переходе полю, то динамическое равновесие нарушается, и диффузионный ток преобладает над дрейфовым током, быстро нарастая с повышением напряжения. Такое подключение напряжения к p-n-переходу называется прямым смещением (на область p-типа подан положительный потенциал относительно области n-типа).

Если внешнее напряжение приложить так, чтобы созданное им поле было одного направления с полем в переходе, то это приведёт лишь к увеличению толщины слоёв пространственного заряда. Диффузионный ток уменьшится настолько, что преобладающим станет малый дрейфовый ток. Такое подключение напряжения к p-n-переходу называется обратным смещением (или запорным смещением), а протекающий при этом через переход суммарный ток, который определяется в основном тепловой или фотонной генерацией пар электрон-дырка, называется обратным током.

Ёмкость [ править | править код ]

Ёмкость p-n-перехода — это ёмкости объёмных зарядов, накопленных в полупроводниках на p-n-переходе и за его пределами. Ёмкость p-n-перехода нелинейна — она зависит от полярности и значения внешнего напряжения, приложенного к переходу. Различают два вида ёмкостей p-n-перехода: барьерная и диффузионная [3] .

Барьерная ёмкость [ править | править код ]

Барьерная (или зарядовая) ёмкость связана с изменением потенциального барьера в переходе и возникает при обратном смещении. Она эквивалентна ёмкости плоского конденсатора, в котором слоем диэлектрика служит запирающий слой, а обкладками — p и n-области перехода. Барьерная ёмкость зависит от площади перехода и относительной диэлектрической проницаемости полупроводника.

Диффузионная ёмкость [ править | править код ]

Диффузионная ёмкость обусловлена накоплением в области неосновных для неё носителей (электронов в p-области и дырок в n-области) при прямом смещении. Диффузионная ёмкость увеличивается с ростом прямого напряжения.

Воздействие радиации [ править | править код ]

Взаимодействие радиационного излучения с веществом — сложное явление. Условно принято рассматривать две стадии этого процесса: первичную и вторичную.

Читайте так же:
Как избавиться количество теплоты выделяемое проводником с током

Первичные или прямые эффекты состоят в смещении электронов (ионизации), смещении атомов из узлов решётки, в возбуждении атомов или электронов без смещения и в ядерных превращениях вследствие непосредственного взаимодействия атомов вещества (мишени) с потоком частиц.

Вторичные эффекты состоят в дальнейшем возбуждении и нарушении структуры выбитыми электронами и атомами.

Наибольшего внимания заслуживают возбуждение электронов с образованием электронно-дырочных пар и процессы смещения атомов кристалла из узлов решетки, так как это приводит к образованию дефектов кристаллической структуры. Если электронно-дырочные пары образуются в области пространственного заряда, это приводит к возникновению тока, на противоположных контактах полупроводниковой структуры. Этот эффект используется для создания беттавольтаических источников питания со сверхдолгим сроком службы (десятки лет).

Облучение заряженными частицами большой энергии всегда приводит к первичной ионизации и, в зависимости от условий, к первичному смещению атомов. При передаче высоких энергий электронам решетки образуются дельта-излучение, высокоэнергетические электроны, которые рассеиваются от ионного трека, а также фотоны и рентгеновские кванты. При передаче атомам кристаллической решетки меньших энергий происходит возбуждение электронов и их переход в более высокоэнергетическую зону, в которой электроны термолизируют энергию путем испускания фотонов и фононов (нагрев) различных энергий. Наиболее общим эффектом рассеяния электронов и фотонов является эффект Комптона.

Методы формирования [ править | править код ]

Вплавление примесей [ править | править код ]

При вплавлении монокристалл нагревают до температуры плавления примеси, после чего часть кристалла растворяется в расплаве примеси. При охлаждении происходит рекристаллизация монокристалла с материалом примеси. Такой переход называется сплавным.

Диффузия примесей [ править | править код ]

В основе технологии получения диффузионного перехода лежит метод фотолитографии. Для создания диффузного перехода на поверхность кристалла наносится фоторезист — фоточувствительное вещество, которое полимеризуется засвечиванием. Неполимеризованные области смываются, производится травление плёнки диоксида кремния, и в образовавшиеся окна производят диффузию примеси в пластину кремния. Такой переход называется планарным.

Эпитаксиальное наращивание [ править | править код ]

Сущность эпитаксиального наращивания состоит в разложении некоторых химических соединений с примесью легирующих веществ на кристалле. При этом образуется поверхностный слой, структура которого становится продолжением структуры исходного проводника. Такой переход называется эпитаксиальным [3] .

Применение [ править | править код ]

  • Диод
  • Транзистор
  • Тиристор
  • Варикап
  • Стабилитрон (диод Зенера)
  • Светодиод
  • Фотодиод
  • Стабистор
  • pin диод
  • Бетавольтаические источники питания

Историческая справка [ править | править код ]

Официально признано, что p-n-переход открыл в 1939 году американский физик Рассел Ол в Лаборатории Белла [4] . В 1941 году Вадимом Лашкарёвым был открыт p-n-переход на основе Cu 2 O >> и Ag 2 S >> в селеновых фотоэлементах и выпрямителях [5] .

Обратное включение pn-перехода

Обратное включение образуется, когда плюс источника питания подключается к n-области полупроводника, а минус — к p-области. Обратное включение , а также графики концентрации носителей заряда и потенциала показаны на рисунке 1.


Рисунок 1. Обратное включение

При включении в обратном направлении, внешнее напряжение Uобр создает электрическое поле, совпадающее по полярности с собственным полем , что приводит к росту потенциального барьера на величину внешнего напряжения Uобр и увеличению относительного смещения энергетических зон на . Энергетическая диаграмма при подаче открывающего напряжения показана на рисунке 2.


Рисунок 2. Энергетические зоны полупроводника в районе при подаче обратного напряжения

Увеличение контактной разности потенциалов на приводит к увеличению ширины запирающего слоя. Она может быть найдена из соотношения для подстановкой вместо контактного потенциала Uk суммарного напряжения . Формула для вычисления ширины δ примет следующий вид:

, (1)

Возрастание потенциального барьера уменьшает диффузионные токи основных носителей, так как меньшее их количество преодолеет увеличившийся потенциальный барьер. Для неосновных носителей поле в остается ускоряющим, поэтому дрейфовый ток не изменится по сравнению с прямым включением .

Уменьшение диффузионного тока приведет к нарушению условия равновесия, описываемого выражением (3) в статье «Электронно-дырочный переход в состоянии равновесия». Через переход будет протекать ток, определяемый в основном током дрейфа неосновных носителей.

Концентрация неосновных носителей у границ из-за уменьшения диффузионного перемещения основных носителей уменьшится до некоторых значений np1 и pn1. По мере удаления от концентрация неосновных носителей будет возрастать до равновесной. Значение концентрации неосновных носителей заряда на любом удалении x от границ можно рассчитать по следующим формулам, полученным при решении уравнения непрерывности для обратного включения :

, (2)
, (3)

Выводы. При обратном включении :

  • ширина увеличивается;
  • ток через него практически не протекает.
  • Для уменьшения обратного тока нужно использовать полупроводники с более широкой запрещённой зоной и увеличивать степень их очистки от примесей.

Дата последнего обновления файла 08.06.2020

Понравился материал? Поделись с друзьями!

  1. Электронные, квантовые приборы и микроэлектроника. Под редакцией Федорова Н. Д. — М.: Радио и связь, 1998. — 560 с.
  2. Электронные приборы. Под редакцией Шишкина Г.Г. — М.: Энергоатомиздат, 1989. — 496 с.
  3. Савиных В. Л. Физические основы электроники. Учебное пособие. — Новосибирск.: СибГУТИ, 2003. — 77 с.
  4. Глазачев А. В. Петрович В. П. Физические основы электроники. Конспект лекций — Томск: Томский политехнический университет, 2015.

Вместе со статьей «Обратное включение p-n перехода» читают:

Исследование характеристик и параметров электронно-дырочных переходов (стр. 2 )

Из за большого объема этот материал размещен на нескольких страницах:
1 2 3 4

Рис.11. Обратная ветвь ВАХ p-n перехода: 1 – идеальный переход; 2 – реальный переход

Обратный ток германиевого p-n перехода включает следующие составляющие: Iобр Ge » Iо + Iу, а обратный ток кремниевого p-n перехода —
Iобр Si » Iт/г + Iу. Для германиевых p-n переходов обратный ток в основном определяется током насыщения и имеет величину десятки микроампер. Ток термогенерации у них мал и им обычно пренебрегают. Незначительный наклон обратной ветви ВАХ германиевых p-n переходов обусловлен током утечки.

Обратный ток кремниевого p-n перехода примерно на три — четыре порядка меньше обратного тока германиевого перехода и определяется током термогенерации, т. е дрейфовым током неосновных носителей, возникающих в результате тепловой генерации в самом p-n переходе. Iт/г увеличивается с ростом обратного напряжения, так как происходит расширение p-n перехода, в соответствии с соотношением (9). Ток термогенерации невелик из-за малого объема p-n перехода, ток утечки при современной технологии изготовления p-n перехода имеет незначительную величину. Отсюда в целом обратный ток кремниевого p-n перехода имеет небольшое значение, по сравнению с обратным током германиевых p-n переходов.

3. ВИДЫ ПРОБОЕВ P-N ПЕРЕХОДА

3.1. Общая характеристика пробоя p-n перехода

Обратное напряжение, приложенное к диоду, падает на выпрямляющем электрическом переходе. При больших обратных напряжениях происходит пробой электрического перехода. Пробой p-n перехода – это явление резкого уменьшения дифференциального сопротивления p-n перехода, сопровождающееся резким увеличением обратного тока, при достижении обратным напряжением критического для данного прибора значения.

Пробой приводит к выходу p-n перехода из строя лишь в том случае, когда возникает чрезмерный разогрев перехода, и происходят необратимые изменения его структуры. Если же мощность, выделяющаяся в p-n переходе, не превышает максимально допустимую, он сохраняет работоспособность и после пробоя. Поэтому для некоторых типов переходов пробой является основным рабочим режимом.

Напряжение, при котором наступает пробой перехода, зависит от типа p-n перехода и может иметь величину от единиц до сотен вольт.

В зависимости от физических явлений, приводящих к пробою, различают тепловой, лавинный и полевой пробои. Два последних вида пробоя p-n перехода относятся к электрическому пробою. Резкий рост обратного тока p-n перехода в режиме пробоя происходит за счет увеличения числа носителей заряда в переходе. При тепловом пробое число носителей заряда в переходе возрастает за счет термической ионизации атомов, при электрическом пробое – под действием сильного электрического поля и ударной ионизации атомов решетки.

3.2. Тепловой пробой p-n перехода

Тепловой пробой характерен для широких p-n переходов, у которых база слабо легирована примесями. Данный тип пробоя обусловлен перегревом p-n перехода при протекании через него обратного тока. В режиме постоянного тока мощность, выделяемая в p-n переходе, определяется соотношением

PВЫД = IОБР UОБР.

Отводимая от p-n перехода мощность в результате теплопроводности и дальнейшего рассеяния теплоты в окружающую среду пропорциональна перегреву p-n перехода (ТП — ТОКР) и обратно пропорциональна тепловому сопротивлению конструкции диода RТ:

РОТВ = .

В установившемся режиме мощность, выделяющаяся на p-n переходе, и мощность, отводимая от него, должны быть равны:

Если количество тепла, выделяемого на p-n переходе, превышает количество тепла, отводимого от p-n перехода в окружающую среду, то температура перехода начинает расти и возникает тепловой пробой.

Вид обратной ветви вольт-амперной характеристики p-n перехода с тепловым пробоем представлен на рис.12.

Рис.12. Обратная ветвь ВАХ p-n перехода с тепловым пробоем

В точке А обратное напряжение на p-n переходе достигает значения напряжения теплового пробоя UПР1, при котором начинается быстрый рост IОБР.

ВАХ p-n перехода с тепловым пробоем имеет участок АВ, на котором дифференциальное сопротивление отрицательно:

rДИФ = dUОБР / dIОБР UПРОБ рост обратного тока происходит по экспоненциальному закону. Это объясняется увеличением напряженности электрического поля и степени перекрытия валентной зоны полупроводника p-типа и зоны проводимости полупроводника n-типа.

Обратная ветвь ВАХ p-n перехода для случая полевого пробоя представлена на рис.14.

Зависимость 1 рис.14 изображена для значения температуры окружающей среды T1 = +20°C. При увеличении температуры окружающей среды до значения T2 = +50°С ВАХ p-n перехода видоизменяется, и на рис.14 это изменение нашло отражение в зависимости 2.

При увеличении температуры обратный ток p-n перехода возрастает в связи с ростом концентрации неосновных носителей заряда по экспоненциальному закону. Такое изменение обратного тока наблюдается при регулировании обратного напряжения в диапазоне от нуля до напряжения пробоя.

С увеличением температуры напряжение пробоя уменьшается и становится равным UПРОБ2 (зависимость 2 рис.14). Это обусловлено тем, что при увеличении температуры возрастает амплитуда тепловых колебаний атомов полупроводника в узлах кристаллической решетки, энергия электронов также растет, величина контактной разности потенциалов p-n перехода jК снижается, ширина p-n перехода lОБР уменьшается, а напряженность электрического поля в p-n переходе увеличивается, критическое значение напряженности поля ЕКР достигается при меньшем значении UОБР, растет количество туннельных переходов и, следовательно, резко возрастает обратный ток.

Рис.14. Обратная ветвь ВАХ p-n перехода при полевом пробое

Таким образом, температурный коэффициент напряжения при полевом пробое имеет отрицательное значение:

ТКНПОЛ = DUПРОБ / DТ > l.

С ростом UОБР увеличивается ширина p-n перехода и напряженность электрического поля в нем, электроны разгоняются сильнее, резко возрастает число ионизаций, совершаемых каждым электроном, и ток p-n перехода лавинообразно растет.

Рис.15. Обратная ветвь ВАХ p-n перехода с лавинным пробоем

Напряжение лавинного пробоя определяется из эмпирического соотношения

где rб — удельное электрическое сопротивление базы диода; А, В — коэффициенты, зависящие от материала и типа электропроводности полупроводника.

Обратная ветвь ВАХ p-n перехода с лавинным пробоем представлена на рис.15.

Зависимость 1 рис.15 соответствует температуре окружающей среды
T1 = +20°С. С увеличением температуры окружающей среды лавиннный пробой наступает при большем напряжении (½UПРОБ2½ > ½UПРОБ1½). Это объясняется тем, что с ростом температуры увеличивается амплитуда колебаний атомов кристаллической решетки полупроводника и уменьшается длина свободного пробега носителей заряда l, а значит, и энергия, которую носитель заряда может приобрести на длине свободного пробега в электрическом поле. Поэтому для получения энергии, необходимой для ударной ионизации нейтральных атомов, требуется бо¢льшая напряженность электрического поля в p-n переходе, и, следовательно, напряжение лавинного пробоя возрастает.

С другой стороны, при увеличении температуры уменьшается подвижность носителей заряда полупроводника, растет удельное электрическое сопротивление базы p-n перехода, а в соответствии с соотношением

напряжение лавинного пробоя также возрастает.

На рис.15 зависимость 2 изображена для температуры окружающей среды
T2 = +50°С. Таким образом, температурный коэффициент напряжения при лавинном пробое имеет положительное значение:

ТКНЛАВ = DUПРОБ / DТ > 0,

где DUПРОБ = UПРОБ2 – UПРОБ1 — изменение напряжения пробоя при изменении температуры на величину DТ.

Лавинный пробой характерен для p-n переходов с напряжением пробоя более 7 В.

4. СХЕМЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

При проведении экспериментальных исследований снимаются вольт-амперные характеристики маломощных германиевого и кремниевого электронно-дырочных переходов, причем лабораторная установка позволяет исследовать как прямые ветви, так и обратные ветви вольт-амперных характеристик электронно-дырочных переходов (рис.16, 17).

При снятии прямой ветви ВАХ электронно-дырочного перехода (см. рис.16) задаются значениями прямого тока и измеряют напряжение на диоде, соответствующее заданному значению тока. Напряжение регулируется с помощью источника входного напряжения, которое может изменяться в диапазоне от 0 до 5 В.

Рис. 16. Схема лабораторной установки для снятия прямой ветви ВАХ электронно-дырочного перехода

Рис.17. Схема лабораторной установки для снятия обратной ветви ВАХ электронно-дырочного перехода

При снятии обратной ветви ВАХ электронно-дырочного перехода (см. рис.17) задаются значениями обратного напряжения и измеряют величину обратного тока, соответствующую данному значению напряжения. Напряжение регулируется с помощью источника напряжения, которое может изменяться в диапазоне от 0 до 30 В.

При экспериментальных исследованиях электронно-дырочных переходов в режиме электрического пробоя снимаются вольт-амперные характеристики для разных значений рабочих температур. Причем лабораторная установка позволяет исследовать электронно-дырочные переходы с полевым и лавинным пробоем, исследовать прямые и обратные ветви вольтамперной характеристики. При снятии прямой ветви ВАХ электронно-дырочного перехода (см. рис.16) задаются значениями прямого тока и измеряют напряжение на электронно-дырочном переходе, соответствующее заданному значению тока. напряжение регулируется с помощью источника входного напряжения, которое может изменяться в диапазоне от 0 до 5 В.

При снятии обратной ветви ВАХ электронно-дырочного перехода, работающего в режиме электрического пробоя, (рис.18) между источником входного напряжения и стабилитроном включается резистор RБ, значение которого определяется наибольшим входным напряжением UВХ МАКС и макси-мальным током стабилизации IСТ МАКС. При проведении экспериментальных исследований необходимо задаваться значениями обратного тока электронно-дырочного перехода, при этом измеряя значения напряжения на переходе.

Рис.18. Схема лабораторной установки для снятия обратной ветви ВАХ электронно-дырочного перехода, работающего в режиме электрического пробоя

Миллиамперметр (мА) измеряет ток, протекающий через обратносмещенный электронно-дырочный переход, вольтметр (V) служит для измерения напряжения на переходе, вольтметр(V1) — для измерения напряжения, получаемого от источника напряжения, а RБ — резистор, величина сопротивления которого определяет исходное положение рабочей точки на вольт-амперной характеристике электронно-дырочного перехода.

5. ЛАБОРАТОРНЫЕ ЗАДАНИЯ

5.1. Лабораторное задание N 1: Исследование характеристик и параметров электронно-дырочных переходов

1. Записать параметры исследуемых электронно-дырочных переходов (см.
прил. 2,3 или [14-17]).

2. Собрать схему измерений для снятия прямой ветви ВАХ германиевого электронно-дырочного перехода (см. рис.16).

3. Снять прямую ветвь ВАХ германиевого перехода Uпрям = f(Iпрям), изменяя прямой ток в пределах от 0 до 100 мА.

При снятии прямой ветви ВАХ задаются значением
прямого тока, а не напряжения, как следует из
Это важно! определения понятия прямой ветви ВАХ, так как ВАХ
имеет экспоненциальный характер и в области больших
прямых токов малым изменениям напряжения
соответствуют значительные изменения прямого тока.

Результаты измерений свести в табл. 1.

Пример оформления экспериментальных данных при снятии прямой ветви ВАХ

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector