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

31399. Учет заявок на страхование 62.02 KB
  Дано: Справочник страховщиков Заявка от клиента. Для обновления такого рода информации нам потребуются следующие входные документы: Справочник страховщиков Заявка от клиента. Данные документы приходят из отдела персонала и отдела по работе с клиентами. Мы собираем все имеющиеся данные обо всех заявках клиентах и объектах.
31400. Формирование доходов и политика их перераспределения в современной экономике 86.73 KB
  Социальная направленность реформирования российской экономики находит практическое проявление в социальной политике государства. Государственная социальная политика - это целенаправленная деятельность государства, ставящая своей целью ослабление дифференциации доходов
31401. Расчет предварительной стоимости объекта страхования без учета рисков 60.54 KB
  Требуется: Вывести ведомость предварительной стоимости объекта страхования. Стоимость рассчитывается по следующей формуле СВ=ГСВ 12n Где Св ≈Стоимость; Страхового взноса ГСВ размер годового страхового полисаруб; n срок действия договора страхования в месяцах. Периодичность и область применения: Ведомость предварительной стоимости объекта страхования на момент запроса составляется при поступлении заявки.
31402. Захист прав інтелектуальної власності 96 KB
  Захист прав інтелектуальної власності. Система захисту прав інтелектуальної власності і її призначення. Причини, що приводять до порушення прав. Призначення системи захисту прав інтелектуальної власності.
31403. Понятие о системе «человек и машина» (СЧМ) 909 KB
  В современном производстве, на транспорте, в системах связи, в строительстве и сельском хозяйстве все шире применяются автоматы и вычислительная техника; происходит автоматизация многих производственных процессов.
31404. Дослiдження лiнiйного та нелiнiйного елементу 60.5 KB
  Обладнання: Стенд з регульованою напругою опiр дiод вольтамперметр блок живлення постiйного струму 6В. Вимикач S1 знаходиться у замкненому станi пiд час вимiру напруг E1 UD UR розимикаючись лише для вимiру струму в розривi кола. Виконати вимiри напруг i струму поступово зменшуючи напругу E1 вiд 5В до 0В контролючи зменшення струму. Перемкнути вимiрювальний прилад на вимiр струму.
31405. Дослiдження послiдовного RCL контуру 242 KB
  Змiнним опiром у верхнiй по схемi гiлцi з iндуктивнiстю L i ємнiстю C виставити максимальну напругу E1 гнiзда 1011. На iнших гiлках з опiрами виставити E2=E3=E4=E5=0 гнiзда 2021 3031 4041 5051. Вимiряти напругу Us на послiдовнозєднаних iндуктивностi L i опорi R2 гнiзда 1121. Вимiряти напругу UL на iндуктивностi L гнiзда 1112.
31406. Дослiдження ємнiстi у колi змiнного струму 60 KB
  Вдосконалити навики побудови векторних дiаграм напруг i струму. Обладнання: Стенд вiдомi опiри невiдома ємнiсть вольтметр змiнного струму блок живлення змiнного струму 10В 50Гц. Накреслити векторну дiаграму струму I та напруг UR Uc i сумарної напруги Us для вимipiв з мiнiмальним опiром 1 Вольт 1 клiтинка.
31407. Дослiдження сiнхронного двигуна змiнного струму 84.5 KB
  Дослiдити вплив зсуву фаз додоткової обмотки збудження статора на напрямок обертання ротора двигуна. Обладнання: Стенд з сiнхронного двигуна змiнного струму з постійним магнiтом в якостi ротора обладнаний понижуючим фрікціонним редуктором обертiв та регулятором напруги. Використана у стенді модель двигуна має дві незалежні обмотки статорів.