Дифференциальное сопротивление p-n перехода

Стр 1 из 7Следующая ⇒

17.02.2012

Флёров А.Н. курс “Физические основы микроэлектроники”

Для самостоятельного изучения

Часть 2

Содержание:

1. ВАХ полупроводникового диода. 2

1.1 ВАХ идеализированного р-п-перехода. 2

1.2 Прямая ветвь ВАХ.. 2

1.3 Обратная ветвь ВАХ.. 3

1.4. Пробой p-n перехода. 3

1.5 Дифференциальное сопротивление p-n перехода. 4

2. Выпрямительные диоды.. 5

3. Стабилитрон. 7

4. Обозначение диодов. 9

5. Обозначение транзисторов. 10

6. Усилительные свойства транзистора. 11

7. Схемы включения транзистора. 13

7.1 Схема с ОБ. 13

7. 2 Схема с ОК.. 14

7.3. Схема с ОЭ.. 15

8. Статические характеристики для схемы с ОЭ.. 16

8.1 Входная характеристика. 16

8.2 Выходная характеристика. 16

9. Системы малосигнальных параметров БТ. 17

10. Динамические характеристики БТ. 19

10.1 Выходная динамическая характеристика (для схемы ОЭ) 19

10.2 Входная динамическая характеристика. 21

11 Импульсный режим работы БТ (ключевой режим) 21

11.1. Запирание транзистора (режим отсечки) 22

11.2 Режим отпирания (насыщения) 23

11.3 Переходные процессы в схеме ключа. 23

ВАХ полупроводникового диода

Полупроводниковый диод — это полупроводниковый прибор с двумя выводами, содержащий один p-n-переход. Условное графическое обозначение (УГО) диода

Примечание: условные графические обозначения (УГО) элементов выполняются в соответствии с ЕСКД. Приборы полупроводниковые ГОСТ 2.730-73

Наибольшее применение получили кремниевые (Si -99% всего парка диодов) силовые, импульсные и пр., арсенид галлиевые (GaAs) СВЧ диоды, перспективные - карбид кремниевые (SiC), нитрид галлиевые (GaN), InGaN, AlGaN СВЧ диоды, светодиоды (InP, PbS), реже применяются германиевые (Ge) полупроводниковые диоды.

Односторонняя проводимость p-n-перехода наглядно иллюстрируется его вольтамперной характеристикой (ВАХ), показывающей зависимость тока через p-n-переход от величины и полярности приложенного напряжения.

ВАХ идеализированного р-п-перехода

- сопротивление частей кристалла примыкающих к переходу = 0;

- генерация и рекомбинация в запорном слое основных носителей отсутствует;

- ширина перехода имеет очень малую величину

Аналитическое выражение ВАХ идеализированного диода:

I = I_o(e ^U^/^f^T -1)

где Iо [мкА]- обратный ток насыщения p-n-перехода, определяемый физическими свойствами полупроводникового материала или он еще называется тепловым обратным током;

U - напряжение, приложенное к р-n-переходу (диоду);

f _T - тепловой потенциал, равный, равный ~ 26мВ,при комнатной температуре.

При комнатной температуре (Т = 293 К):

I ~ I_o(e⁴⁰^U -1)

Прямая ветвь ВАХ

При и_пр > +0,05В à e⁴⁰^U >> 1 и

Iпр ~ I_oe⁴⁰^U

Ток через p-n-переход при увеличении U резко возрастает, см. рис. 1.1

Рис.1.1 Реальные ВАХ кремниевого и германиевого диодов

Обратная ветвь ВАХ

Начиная с напряжения - 0,05В à е⁴⁰^U << 1 и ею можно пренебречь.

Ток через p-n-переход, при запирающем напряжении

I обр ~ I_o [мкА].

При повышении температуры прямой и обратный токи растут.

Пробой p-n перехода

Наступает при превышении обратного напряжения некоторого уровня (напряжения стабилизации)

U_обр> U_o₆_p _max

При этом наступает лавинный, туннельный и тепловой пробои (обратная ветвь ВАХ загибается вниз)

Превышение обратного напряжения величины U_o₆_p _max приводит к резкому

увеличению обратного тока, т.е. происходит резкое уменьшение сопротивления p-n-перехода.

Это явление называется пробоем p-n-перехода,а соответствующее ему напряжение — напряжением пробоя.

Различают электрический и тепловой пробой.

Электрическийпробой. При движении через p-n-переход под действием электрического поля неосновныеносители заряда приобретают достаточную энергию для ионизации атомов решетки. Пройдя через p-n-переход и двигаясь с большой скоростью внутри полупроводника,

электроны сталкиваются с нейтральными атомами и ионизируют их.

В результате ударной ионизации появляются новые свободные электроны и дырки, которые в свою очередь, разгоняются полем и создают возрастающее количество носителей тока.

Этот процесс носит лавинообразный характер и приводит к значительному увеличению обратного тока при постоянном обратном напряжении (лавинный пробой).

Если переход тонкий, то обратное напряжение на диоде создает напряженность поля достаточную для возникновения туннельного пробоя, когда валентные электроны “вырываются“ из атомов обедненной зоны перехода, при этом ток также резко возрастает.

Лавинный пробой(пробой Аваланчи) обычно развивается в достаточно широких p-n-переходах. Напряжение стабилизации > 5-6В.

В тонких р-n-переходах при большой напряженности электрического поля развивается туннельный пробой (пробой Зенера). Напряжение стабилизации < 5В.

Электрический пробой обратим, первоначальные свойства p-n-перехода полностью восстанавливаются, если отключить источник э.д.с. от диода. Электрический пробой используют в качестве рабочего режима в диодах- стабилитронах.

Если температура p-n-перехода возрастает в результате его нагрева обратным током и недостаточного теплоотвода, то усиливается процесс генерации пар носителей заряда. Это приводит к дальнейшему нагреву р-n-перехода и увеличению обратного тока, что может вызвать разрушение перехода. Такой процесс называется тепловым пробоем.Т.е, что допустимое обратное напряжение на переходе зависит от условий теплоотвода.

Тепловой пробойнеобратим, поэтому этот режим недопустим при эксплуатации полупроводниковых приборов.

Дифференциальное сопротивление p-n перехода

Анализ ВАХ p-n-перехода позволяет рассматривать его как нелинейный элемент, сопротивление которого меняется в зависимости от величины и полярности приложенного напряжения.

Дифференциальное сопротивление используется для анализа работы п/п прибора при малом сигнале u(t)=u.sinwt. К диоду также приложено постоянное напряжение смещения U₌. Т.е к диоду приложено суммарное напряжение

U(t)=U₌+u(t),

причем U₌>> u, поэтому режим работы диода (рабочая точка на ВАХ) определяется U₌,

а дифференциальное сопротивление

r_дифф=dU/dI ~ dU₌/dI

Примерная зависимость сопротивления диода от полярности приложенного напряжения показана на рис.1.2

Рис.1.2 Зависимость сопротивления диода от полярности приложенного напряжения

При увеличении и_пр сопротивление p-n-перехода уменьшается.

С изменением полярности и величины U_обр сопротивление p-n-перехода резко увеличивается.

Т.о., прямая (линейная) зависимость между напряжением и током (закон Ома) для p-n-перехода не соблюдается.

Нелинейные свойства p-n-перехода лежат в основе полупроводниковых приборов, использующихся для выпрямления переменного тока, ограничения амплитуд и т.д.

Выпрямительные диоды

Полупроводниковые диоды по эксплуатационной надежности и сроку службы значительно превосходят все остальные типы вентилей. Поэтому они наиболее широко используются в источниках питания. ВАХ диодов- основная характеристика полупроводниковых диодов.

Эквивалентная схема диода

Представлена нарис.2.1

Рис.2.1 Эквивалентная схема диода на средних частотах

r_б~ f _T_/ I, где I –прямой ток;

f _T =26мВ;

r_б - сопротивление базы диода, единицы, десятки [ Ом];

Сд - емкость перехода, единицы, десятки [пФ]

Прямое напряжения диодов не превышает (1-2)В.

Прямое падение напряжения у кремниевых диодов больше, чем у германиевых. Т.о., в выпрямительных устройствах низких напряжений выгоднее применять германиевые диоды.

Но кремниевые диоды имеют во много раз меньшие обратные токи при одинаковом напряжении, чем германиевые.

Пример: выпрямитель на диоде

Работа полупроводникового выпрямительного диода основана на свойстве

p-n-перехода пропускать ток только в одном направлении. Простейшая (однополупериодная) схема выпрямителя на полупроводниковом диоде, рис.2.2:

Рис.2.2: Однополупериодная схема выпрямителя на полупроводниковом диоде

Трансформатор служит для преобразования напряжения, т.е. для получения заданного напряжения на выходе выпрямителя. В этой схеме ток через диод и нагрузку R_H протекает только в положительные полупериоды входного напряжения U_ex, и кривая напряжения на нагрузке будет состоять из положительных полуволн синусоиды (при отсутствии конденсатора С), рис.2.3. Установка конденсатора параллельно нагрузке R_H, приводит к сглаживанию пульсирующего напряжения на выходе выпрямителя (пунктирная линия). Чем больше постоянная времени t = R_HC, тем меньше уровень пульсаций выходного напряжения.

Рис.2.3 Напряжения на входе и выходе однополупериодного выпрямителя

Для того, чтобы избежать потери полупериода напряжения используется двухполупериодная схема выпрямителей - схемы со средней точкой и мостовая.

Дата добавления: 2018-02-15; просмотров: 539367; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

12 3 4 5 6 7 Следующая ⇒

Мы поможем в написании ваших работ!