69004

ФІЗИЧНІ ПРОЦЕСИ В р-n ПЕРЕХОДІ ПРИ ДІЇ ЗОВНІШНЬОЇ ЕЛЕКТРИЧНОЇ НАПРУГИ

Лекция

Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

Оскільки концентрація рухомих носіїв заряду в рп переході менша ніж в областях п та р напівпровідника опір рп переходу буде більший ніж опір області п та р тому можна вважати що вся напруга прикладається до рп переходу При дії зовнішньої напруги порушується рівновага між дифузійним і дрейфовим струмами в рп переході...

Украинкский

2014-09-28

105.5 KB

2 чел.

ФІЗИЧНІ ПРОЦЕСИ В р-n ПЕРЕХОДІ ПРИ ДІЇ ЗОВНІШНЬОЇ ЕЛЕКТРИЧНОЇ НАПРУГИ.

4.1. Процеси в р-п переході при прямій напрузі. Інжекція.

При роботі н/п прибору до областей р та п подається зовнішня напруга U.

Оскільки концентрація рухомих носіїв заряду в р-п переході менша, ніж в областях п та р напівпровідника, опір р-п переходу буде більший, ніж опір області п та р, тому можна вважати, що вся напруга прикладається до р-п переходу

При дії зовнішньої напруги порушується рівновага між дифузійним і дрейфовим струмами в р-п переході і крізь нього буде проходити електричний струм. Полярність і рівень прикладеної напруги визначають властивості р-п переходу

Зовнішня напруга може бути прямою Uпр і зворотньою Uзв. При прямому гбдютючєнні зовнішня напруга Uщ прикладається плюсом до р-області, мінусом до п-області. Вона буде протилежною за знаком до контактної різниці потенціалів < (рис. 4.1).

Рис. 4.1. Прикладання прямої напруги до р-п переходу

У цьому випадку сумарна напруга р-п переходу %де дорівнювати різниці
(%-^ЛІрХ що зменшує потенціальний бар'єр, який перешкоджає руху
неосновних носіїв заряду (дірок в ю-область та електронів в ^область). Основні
носії заряду змішуються вглиб переходу, перехід звужується (зменшується
область нескомпенсованого заряду) (рис. 4.2,
а). / - / .,


Рис. 4.2>Р-п перехід під дією прямої напруги: а - структура; б -розподіл потенціалу;^ -розподіл кпнцедтршну-

\ Звуження пфеходу Іфїізводнть др зменшеьшя його опору.


Умовно взявши потенціал діркової області за О, можеш зобразити розподіл Штенціалу вздовж напівпровідника (рис. 4.2, б). Розподш "Копцеїгграцц: носіїв Ітрів€яеисгіїарис:4;%*в.

Зменшення потенціального бар'єру призводить до збільшення дифузії основних носіїв заряду в області, де вони є неосновними (діркяі^в я-область, ешктронйг- в р-область). Цей процес звуть іююекцією носіїв.

Інжекція - це процес переносу основних носіїв заряду крізь перехід при-

ЧИЩЕННІ ВИШТИ П^Т^ЇЇ1ІПТЇЇІТТПГ^ ^Пр?пру * п^тпгп. т^я^^щ^вІТТНУУ3: --Я*-*^-****

стаю^тнсосновш^ш.    ; -       ;   ^^ ^^^м^! ь<?т-*'-з]**ь v  ^-^;.

Область напівпровідника, що інжектує дірки, називається емітером, а обдасть, куди вони інжеасіуються - базою.

При інжекції зростає дифузійний струм, а дрейфовий струм, який визначається концентрацією неосновних носив, майже не зміниться. Цр порушує рівновагу між цими струмами: /даф>/др. При цьому з'являється сумарний струм, котрий має назву прямого( с ^ у ч^у е ^г 0 ^ ^ ^ ^ 7^

•чір~~ •'диф"' -'дрт^

-Чф~Лдаф

Визначимо, як зміниться густина струму ежктронів с/даф^ та дірок с/ДИф ^ в         ^
, р-п^пфеході при прямій напрузі. , ,

Як відомо сД ф:,^ои^ иХ     С^/'^1 " „Г^ °(< Сч/ \
"
^ ф [ ^ ЛІ

т — /7/}        . •     Г &Т)    

о/ДИф^-6^   ^'^ДНф*-^^

Т     \   ,ч,^» и;0 9У*£ . Ш^- „ -

-^ш знйхбджшЕШ густини струмів треба знайти закон зміни концентрації носив в областях н/п.

На рис 4.2, в показано розподіл концентрації дірок та електронів вздовж структури для Л/а » Л^д. Концентрація електронів на межі р-п переходу визначається формулою

Одз

«о-^'т; ^ Л

а концентрація електронів в іржйма/т-юбласіібуде   з^^ои^^ -е^сі/^^/

_£^ .і ^ ^   -^ ^   -   '

й^=^«   "

Аналогічно для дірок

^ -е<&

Р*=РпЄ*Т >Рп = РрЄ   *Т _^0

Е^иріст концентрації дірок (гртЩенг концентрації дірок) в «області з межі переходам до рівнярп буде

еЦщ> Ґ   Цу        Ч

&Р=Р*-Рп=РпЄ*Т   ~Рп = Рп   **Т 

V /

Тоді на відстані Лс *шк м^жою пдреуо^ х=$ дсу/?^уй? де концентрація дірок
зменшується в
е разів, буде   гусаче* 9и9Ц/^^^' ^ио«- о   ^ ,   /к^


г V /

де£р - дифузійна довжина дірок в «-області (відстань» на якій концентрація дірок зменшується в е разів). Ьх=сЬс.

Аналогічно, густина прямого струму в ^-області для електронів з я0 ДО пп буде (рис. 4.3)

X  N.

Рис. 4.3 Закон зміни густини електронного та діркового струмів Сумарна густина прямого струму визначається за формулою

^4^^РМ-

р \   т         т    \\

V ьр        ь«  А )

Цж Л^»^ густина струму електронів в /т-області незначна (/„«Ц,), а в області велика в

4.2     Процеси вр-п переході при зворотній напрузі. Екстракція

Зворотнє підключення виникає при ^икшданні зовнішньої напруги плюсом до я-області, мінусом до /м^шспх^В цьому випадку вона буде збігатись за напрямом з контактною різницею потенціалів. Цр призводить до зростання потенціального бар'єру на переході.

^=^»+Рк


Рис. 4д. Р-п перехід під зворотньою напругою: а - структура, б - розподіл потенціалу.

При зворотній напрузі <^дювш неш веднтов>у<УІьс^ вщ перетоку, що збільшує^ в ньому об'ємний нескомпенсований заряд нерухоих іонів. 1£ збільшує йвіх) товщину. ***•** ^? °?

<у = [2І£(Л + І/ )

^ли^к    зв'

т^         - - * • /

Юлькість  основних носив  з^дпу,   здатних здйнжх проходиш крізь  ^ потенціальний бар'єр, різко зменшується, кількість неосновних носіїв заряду, що проходять крізь перехід, збільшується, але їх мало. 1^ явище називається екстракцією носив.

Екстракція - це явище руху неосновних носіїв заряду крізь перехід при дії на нього зворотньої напруги.

При зворотній напрузі дифузійний струм переходу буде менший за

ДреЙфоВИЙ /Др>/диф.

Нзницю /др-/диф прийнято називати зворотнім струмом (струмом екстракції)/

^Лв=4р-4иф^о

* Лв~4р


Він має напрямок, протилежний прямому струму, аж набагато менший за нього, тому що кількість неосновних носіїв заряду через перехід дуже мала;

Лв<</™.

Струм екстракції обумовлений носіями зарядів, які виникають завдяки термогенерації. Тому його ще називають тепловим струмом /о.

4г=/о

Висновок:   елжтронно-дірковий перехід має несиметричну провідність - у прямому напрямку його провідність значно більша., ніж у зворотньому.

4.3     Вольт-амперна характеристика р-п переходу

Зв'язок між струмом і напругою І=$(Ц) р-п переходу визначається вояьт-амперною характеристикою (ВАХ). її рівняння знаходиться з рівняння для густини повного прямого струму

/д,д. дярУД  '

су   — С- І II   ^ •»•

\ *•>   м   ;

ДЄ ф   = ТвШЮВИИ ПОТеНШдЛ. ^ гч й а ,/

/^       £І- ч&уч>,\\*   ^^Хл^Л^Ї/)'^    ^®   ?/мЬг''^/і-

7  ГЬмйоживпїи праву1 частину цьо^о виразу на площу пффізу переходу 5, знайдемо вираз для струму та напруги

( —    \
1 = 1,
^-1. ^ (^

\ )

де /0 = 5а    ^ я +   * р   - зворотній струм (тепловий). Тоді

{ ьр      Ь" ) _

ч^КН ~

Рівняння (1) і є рівнянням ВАХпереходу. Графік ВАХ зображено нарис. 4.Д


Рис. 4.}Вольт-амперна характеристика переходу

£~

^Рреф^В/^ез^шу^Щю орщ^шуіірш^кл^ переиоду,;

Т^Л'\7"         ,      ,-ц  .^-«^ -ут . — \ТС'' -пга.т.І.гит -^т  " -г»     " А*»»

огл^л. рса;.ІьиОІО //-/і ІІсрс^ОдуТвід|^і^±Іл^:І±АлІ Бщ іДетльКОГО. ьОНа, ІІрОХОдп.І±>

нижче, що відповідає більшому зворотньому та меншому прямому струму. Менший нахил прямої гілки пояснюється наявністю падіння частини напруга на опорі областей н/п, прилеглих до переходу, та контактах Іщх областей з виводами, а також наявністю струму рекомбінації носіїв в переході (рис. 4.$). ^

•   "'"'•         ІЇ -.>/ ' ; і V '•л' с -'    /X,        • /;- ; ' * :;;'         ' ч»/-  Й :> Є> і^/чГ''ГГ/•> -- ^

Рис. 4.§ Схема заміщенняр-я переходу

. -     ,:- ..'•.••    ..v    v   ^ '/•  -/»^; • - •.> , :оо

Тоді прикщцена до р-п переходу напруга V буце сжщцатися з напруги, яка падає на переході Ц~ та на інших опорах Ц^

^=с/^ + с/гть(І+І1+/5,

Ч^о     )

№явнісіь другої складової призводить до того, що реальна характеристика буде проходити нижче. <^с< ^Д/ ч^, о^% 6^ч^€ /ЬІ^^ ^

Єтр>м рекомбінації в переході Являється завдяки появі в ньому при прямій напрузі основних носіїв заряду,, щ»зшс впливає па ВЛХ

лг -Іг_/ л.     *-\/^ ^

При зворотній напрузі  з'являється зворотній  струм.   Його значення

\ Г«л*гС»>С І

визначається   концентрацією   неосновних   носив   заряду^ тдариною   зони заборони, термогенерацією зарядів в переході /т, слрумб/'поверхневого витоку

/ВТ-

^      /„=*0+/т+/вт

Г|)и досягненні напруги Цв „акс зворотній струм робгаь стрибок. Цг явище називається пробоєм переходу.

* Цробій  може  бути  зворотним  і  незворотним.   Нгзворотййй пробій с^ї^жоджується Ікре^явом і незворотжмІІ процесами.

Таким чином, ВАХ підтверджує характф зміни струцу переходу Іфи зміні напруги: при прямих напругах струм великий, при зворотній - малий, 76^! ь

Півпдінка ВАХ залежить від типу напівпровідника ЬЬ рис. 4$ наведено /
дві ВАХ - германію і силіцію.
^^

^^.  .^;,...


Рис. 4.І>   ВАХ германію та силіцію

У силіцію прямий та зворотній струми меннгі^ ніж у германію. Наприклад, зворотній струм силіцієвого переходу /озі у тисячі разів менший струму германієвого переходу /Оое. цр визначається тим, що силіцій має меншу за германій рухомість носіїв заряду і їх концентрацію, і тому більший у 1,5 - 2 рази питомий опір бази, тобто більше пряме падіння напруги і менші прямий і зворотній струми.

Крім того, силіцій має низький частотний діапазон, аж більшу допустиму робочу напругу (1000 - 1500 В) ніж германій (100 - 400 В), а також більшу максимальну температуру (до +150РС) ніж германій (до -Ь85°ІС). Л >,

Дві останні властивості визначаються тим, що снліціЗД притаманна більша,; зон$ заборони, ніж германід тобто його валентні електрони міцніше зв'язані з атомами, тому для їх відриву потрібна більша енергія іонізації.

4.4     Основні вл асти вості /ьл переходу

Кожна властивість переходу лежить в основі роботи напівпровідникових діодів різних типів:

однобічна провідність - випрямних діодів,

оборотний (електричний)^,обш — стабілітронів,

залежність ємності переходу від напруга - варікапів,

тунельний ефект - тунельних діодів,

випромінювання світла - світлодіодів,

поява провідності при освітлюванні - фотодіодів,

поява провідності при дії магнітного поля - магттодіодів,

ефект ІІЬтткі - діодів ІІЬтткі і т. інш.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

69864. УГОЛОВНОЕ ПРАВО 1.23 MB
  Понятие предмет метод система и источники уголовного права; уголовный закон; понятие и признаки преступления; классификация категории преступлений; состав преступления; объект преступления; объективная сторона преступления; субъект преступления субъективная сторона преступления...
69866. Гражданский процесс: Учебно-методический комплекс 848.5 KB
  Государственные требования к минимуму содержания дисциплины Формы защиты гражданских прав; понятие гражданского процесса источники гражданского процессуального права процессуальная форма; принципы российского гражданского процессуального права; гражданские процессуальные отношения...
69867. ГРАЖДАНСКОЕ ПРАВО 1.42 MB
  Понятие, предмет, метод, система и источники гражданского права; понятие, элементы, виды и основания гражданских правоотношений; субъекты гражданского права; правоспособность и дееспособность граждан, её содержание, возникновение и прекращение; понятия...
69868. ИНОСТРАННЫЙ ЯЗЫК: УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКС 791 KB
  Теория и практика перевода Адекватная передача понятого текста выбор нужного слова или лексического варианта правильное построение предложения при переводе. Теория и практика перевода Виды перевода: перевод научной и общественно-политической литературы перевод юридических документов...
69869. КОНСТИТУЦИОННОЕ ПРАВО: УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКС 479 KB
  Понятие, предмет, метод и источники конституционного права; Конституция Российской Федерации; основные этапы конституционного развития России; основы конституционного строя; конституционный статус личности в РФ; избирательная система в РФ; федеративное государство; Президент РФ...
69870. АНГЛИЙСКИЙ ЯЗЫК: БАЗОВЫЙ КУРС ДЛЯ НЕЛИНГВИСТОВ 27.12 MB
  Считается общепризнанным, что грамматика наряду с фонетикой и лексикологией входит в науку о языке. Сама грамматика состоит из двух разделов: морфологии (исследование внутренней структуры слова, а также рассмотрение слова как части речи) и синтаксиса (раздел, изучающий сочетание слов как членов предложения).
69872. Анатомия центральной нервной системы 3.94 MB
  Рассмотрены основные структурные единицы организма (клетки, ткани, органы, системы органов). Центральным объектом изучения является строение структурных элементов нервной ткани, отношения между нейронами и соседними клетками, механизмы функционирования и регуляции деятельности...