КАТУШКА С МАГНИТОПРОВОДОМ В ЦЕПИ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА 27 страница

⇐ ПредыдущаяСтр 27 из 81Следующая ⇒

Если в однородном полупроводниковом стержне создать с помощью внешнего источника электрической энергии напряженность электрического поля Е, то наряду с хаотическим (тепловым) движением электронов и дырок возникнет их упорядоченное движение (дрейф) в противоположных направлениях, т. е. электрический ток, называемый током проводимости:

/=/» + /„ (Ю.1)

где 1_п и 1_р — электронная и дырочная составляющие тока.

За время свободного пробега среднего расстояния /_ср между атомами полупроводника подвижные носители зарядов приобретают кинетическую энергию

W= el_cpE_n. (10.2)

Этой энергии при напряженности электрического поля Е_и> 6 МВ/м достаточно для ударного возбуждения атомов полупроводника, т. е. разрыва в них валентных связей и рождения пары «электрон—дырка». Происходит резкое увеличение числа подвижных носителей заряда и, следовательно, удельной проводимости полупроводника. Описанное явление называется лавинным пробоем. Лавинный пробой обратим. Свойства полупроводника восстанавливаются при уменьшении напряженности электрического поля. Этим лавинный пробой отличается от теплового пробоя. Последний наступает за лавинным пробоем при дальнейшем увеличении напряженности электрического поля и вызывает разрушение полупроводника.

10.2. Контактные явления в полупроводниках

В полупроводниковых приборах используются специфические явления, возникающие на границе раздела как между полупроводниками р- и n-типов, так и между этими полупроводниками и диэлектриками, а также металлами.

Контактные явления на границе полупроводников р- и п-типов. Для удобства анализа воспользуемся идеализированной плоскопараллельной конструкцией границы раздела полупроводников (рис. 10.4, а). Рассмотрим сначала явления на границе раздела идеальных полупроводников п- и р-типов, в которых будем пренебрегать термогенерацией, т. е. неосновными носителями.

Вследствие разности концентраций свободных дырок и электронов по обе стороны от границы раздела полупроводников при ра
зомкнутой цепи источника энергии из полупроводника р-типа часть дырок диффундирует в полупроводник п-типа, а из полупроводника n-типа часть электронов диффундирует в полупроводник р-типа, полностью рекомбинируя между собой. В результате вдоль границы раздела полупроводников возникают слои неподвижных отрицательных и положительных ионов соответственно со стороны полупроводников р- и п-ти- пов, которые образуют р-п-переход. Абсолютные значения зарядов обоих слоев одинаковые. Возникающее между этими слоями электрическое поле с напряженностью Е препятствует дальнейшей диффузии свободных дырок и электронов через границу раздела. При некотором значении напряженности электрического поля в р-п-переходе диффузия через границу раздела полностью прекращается. Если на границе раздела (х = 0 на рис. 10.4, б) принять значение потенциала ф(0) = 0, то распределение потенциала в полупроводниках р- и n-типов будет определяться зависимостью

ср =f Edx. (10.3)

Разность потенциалов Дф на р-п-переходе называется высотой потенциального барьера. Если к свободным торцам полупроводников р- и n-типов подключить источник энергии с напряжением U < 0, то высота потенциального барьера возрастет и в цепи не будет тока. Если напряжение источникаU > 0, то высота потенциального барьера уменьшится и в цепи возникнет электрический ток. Следовательно, в идеальном р-п-переходе может быть электрический ток диффузии основных носителей /_ЛИф только одного направления.

Явление термогенерации несколько изменит процессы в р-п-пе- реходе. При увеличении потенциального барьера под действием внешнего источника энергии ток уже не равен нулю. Вследствие малой интенсивности термогенерации значение этого тока невелико.

р-тип

ТТТГ

еее е

+ + +

еее.е + + +1 еее.е + + +1 eeeie

Ф Ф

I Е I

Дф

Переход б

Рис. 10.4

Явления в приграничном слое полупроводника под действием электрического поля. Рассмотрим процессы в поверхностном слое полупроводника n-типа, приняв наличие в нем подвижных основных (электроны) и неосновных (дырки) носителей зарядов. Для
полупроводника р-типа явления аналогичны. Для анализа воспользуемся идеализированной моделью двухслойного плоского конденсатора (слой полупроводника n-типа имеет контакт с одной пластиной конденсатора и отделен от другой пластины вакуумным промежутком), подключенного к источнику электрической энергии (рис. 10.5).

В зависимости от значения и полярности приложенного к конденсатору напряжения явления в слое полупроводника на границе с вакуумом имеют различный характер.

и= о

Рис. 10.5

Обогащенный слой Рис. 10.6

и> о

При отсутствии напряжения (U = 0) основные и неосновные носители распределены равномерно в объеме полупроводника (рис. 10.5). При указанной на рис. 10.6 полярности напряжения ( U> 0) в слое полупроводника на его границе с вакуумом под действием электрического поля концентрация электронов возрастает. Одновременно снижается концентрация дырок за счет усиления рекомбинации. Остальная часть полупроводника остается электрически нейтральной. Пограничный слой с избытком основных носителей называется обогащенным слоем. Его удельная проводимость велика.

слои слои

Если изменить полярность напряженияU=U_x< 0, то концентрация электронов в приграничном слое уменьшится, а концентрация дырок незначительно увеличится (рис. 10.7). Приграничный слой с недостатком основных носителей называется обедненным слоем. Его удельная проводимость мала.

При определенном значении напряженияU₂<U_x< 0 в тонком слое полупроводника у его границы раздела с вакуумом концентрация дырок может превысить концентрацию электронов, что приводит к изменению в нем типа электропроводности (рис. 10.8). Приграничный слой, проводимость которого определяется неосновными носителями, называется инверсным слоем. Его удельная проводимость и толщина возрастают с увеличением абсолютного значения напряженияU₂.

Контактные явления на границе диэлектрика и полупроводника. Различные вещества имеют различную работу выхода электронов, т. е. наименьшую энергию, необходимую для вывода одного электрона из вещества в вакуум. Этот процесс количественно определяется значением потенциала выхода ф, равного отношению работы выхода к заряду электрона.

Рассмотрим явления, которые при этом возникают на границе раздела диэлектрика и полупроводника, приняв в последнем наличие основных и неосновных носителей.

Для полупроводников п- и р-типов на основе кремния потенциал выхода практически одинаковый: ф_81(п) = ф_8ад « ф^ « 4,8 В, а для диэлектрика из двуокиси кремния ф_8Юз ~ 4,4 В. В результате происходит переход части электронов из диэлектрика в полупроводник, так что приграничный слой у диэлектрика заряжается положительно, а у полупроводника — отрицательно. Возникающее между слоями электрическое поле напряженностью Е препятствует этому процессу, приводя его в равновесное состояние. Под действием этого электрического поля аналогично рассмотренным выше процессам (см. рис. 10.6 и 10.8) в приграничном слое у полупроводника гатила образуется обогащенный слой (рис. 10.9), а у полупроводника р-типа — инверсный, а за ним обедненный слой (рис. 10.10).

+ +I Г^ ®®l© ©I© + +1 + I — ©©I© ©I© + +1 + + I - ©©I© ©I©

4>Si(n) >4>si0₂ 4>Si(n) >4>Si0₂

©@|© ©

©|

©! SiO_a

©©1© ©

©! ©|

^ E ___

Обогащенный Обедненный Инверсный

слои слой слой

Контактные явления на границе полупроводника и металла. Если потенциал выхода для металла ф_м меньше потенциала выхода для полупроводника n-типа y>si{n)y ^то происходит преимущественный переход электронов из металла в полупроводник, в приграничном слое которого возникает обогащенный слой подобно представленному на рис. 10.9. Такой контакт проводит ток в обоих направлениях и используется для конструирования выводов полупроводниковых приборов.

Если потенциал выхода для металла ф_м больше потенциала выхода для полупроводника фзд» ^то У границы раздела в металле образуется слой с отрицательным зарядом, а в полупроводнике — обедненный слой с положительным зарядом. Такой контакт обладает односторонней проводимостью.

Электрические переходы такого типа называются барьерами Шоттки по имени исследовавшего их ученого.

10.3. Полупроводниковые диоды

В полупроводниковых диодах используется свойство р-п-перехода, а также других электрических переходов хорошо проводить электрический ток в одном направлении и плохо — в противоположном. Эти токи и соответствующие им напряжения между выводами диода называются прямым и обратным токами, прямым и обратным напряжениями.

По способу изготовления различают сплавные диоды, диоды с диффузионной базой и точечные диоды. В диодах двух первых типов переход получается методами спавления пластин р- и п-типов или диффузии в исходную полупроводниковую пластину примесных атомов. При этом р-п-переход создается на значительной площади (до 1000 мм²). В точечных диодах площадь перехода меньше ОД мм². Они применяются главным образом в аппаратуре сверхвысоких частот при значении прямого тока 10 — 20 мА.

По функциональному назначению полупроводниковые диоды делятся на выпрямительные, импульсные, стабилитроны, фотодиоды, светоизлучающие диоды и т.д.

Выпрямительные диоды предназначены для преобразования переменного тока в постоянный и выполняются по сплавной или диффузионной технологии. На рис. 10.11 приведены условное изображение выпрямительного диода и его типовая вольт-амперная характеристика. Прямой ток диода направлен от анодного А к катодному К выводу. Нагрузочную способность выпрямительного диода определяют: допустимый прямой ток /_пр и соответствующее ему прямое напряжение С/_пр, допустимое обратное напряжение t/_o6pи соответствующий ему обратный ток _р, допустимая мощность рассеяния Р_рас и допустимая температура окружающей среды (до 50 °С для германиевых и до 140 °С для кремниевых диодов).

а б

Диод,

Радиатор

Рис. 10.11

Рис. 10.12

Вследствие большой площади р-п-перехода допустимая мощность рассеяния выпрямительных диодов малой мощности с естественным охлаждением (рис. 10.12, а) достигает 1 Вт при значениях прямого тока до 1 А. Такие диоды часто применяются в цепях автоматики и в приборостроении. У выпрямительных диодов большой мощности (рис. 10.12, б) с радиаторами и искусственным охлаждением (воздушным или водяным) допустимая мощность рассеяния достигает 10 кВт при значениях допустимых прямого тока до 1000 А и обратного напряжения до 1500 В.

Импульсные диоды предназначены для работы в цепях формирования импульсов напряжения и тока.

изменяется незначительно.

проб

Стабилитроны, называемые также опорными диодами, предназначены для стабилизации напряжения. В этих диодах используется явление неразрушающего электрического пробоя (лавинного пробоя) р-п-перехода при определенных значениях обратного напряжения С/^р = [/„роб (рис. 10.13, а). На рис. 10.13, б приведена простейшая схема стабилизатора напряжения на приемнике с сопротивлением нагрузки Д_п. При изменении напряжения между входными выводами стабилизатораU_BX>U_upoC)(R_u+ R)/R_uнапряжение меж

ду выходными выводами U_m

и—^ и

I---- о	/ ,
0	и
Uпроб

R -О

1Д„

и„

10.4. Биполярные транзисторы

Работа биполярных транзисторов основана на явлениях взаимодействия двух близко расположенных р-п-переходов. Различают плоскостные и точечные биполярные транзисторы. Переходы в точечных биполярных транзисторах имеют малую площадь и аналогичны по конструкции переходам в точечных диодах. Такие транзисторы не получили существенного распространения.

Плоскостной биполярный транзистор представляет собой трехслойную структуру типа п-р-п(рис. 10.14) и типа р-п-р. На рис. 10.15, а и б даны условные изображения этих транзисторов. Транзистор называется биполярным потому, что физические процессы в нем связаны с движением носителей зарядов обоих знаков (свободных дырок и электронов).

Средний слой биполярного транзистора называется базой Б, один крайний слой — коллектором К, а другой крайний слой — эмиттером Э. Каждый слой имеет вывод, с помощью которого транзистор включается в цепь. В зависимости от полярности напряжения между выводами биполярного транзистора он работает в различных режимах.

Различают четыре режима работы биполярного транзистора:

1) активный режим, в котором переход эмиттер —база включен в прямом направлении, а переход коллектор —база — в обратном;

2) инверсный режим, в котором переход эмиттер —база включен в обратном направлении, а переход коллектор —база — в прямом;

3) режим отсечки, в котором оба перехода включены в обратном направлении;

4) режим насыщения, в котором оба перехода включены в прямом направлении.

В схемах, в которых транзистор применяется для усиления сигналов, основным является его активный режим работы. При под-

Эмиттер База Коллектор

/к ________ Ik

Рис. 10.16

Б /рл п-р-п _Б

Рис. 10.15

ключении положительного полюса источника постоянной ЭДС Е_э = — С/эб ^к базе потенциальный барьер р-п-перехода (п-р-п-тран- зистор на рис. 10.14) между базой и эмиттером понижается. Свободные электроны диффундируют (инжектируются) из эмиттера в базу, образуя ток 1_Э в цепи эмиттера. Если между коллектором и базой включен источник постоянной ЭДС Е_к = U_KBотрицательным полюсом к базе, то увеличивается потенциальный барьер р-п-перехода между базой и коллектором. Большая часть электронов, инжектированных из эмиттера в базу, втягивается сильным электрическим полем с напряженностью Е_КБ этого р-п-перехода, образуя ток /_к в цепи коллектора. Заметим, что электрическое поле в переходе коллектор — база существует и при разомкнутой ветви с источником ЭДСЕ_к (см. рис. 10.4). Поэтому ток коллектора от значения напряжения U_KB^ 0 зависит мало. Незначительная часть свободных электронов, инжектированных из эмиттера в базу, образует ток 1_Б в цепи базы.

В рассмотренном случае база является общим электродом входной и выходной цепей. Такая схема включения биполярного транзистора называется схемой с общей базой (ОБ). Для усиления сигнала применяются также схемы включения биполярных транзисторов с общим коллектором (ОК) и общим эмиттером (ОЭ). Последнюю рассмотрим более подробно, так как она наиболее распространена (рис. 10.16),

Работу биполярного транзистора, включенного по схеме с ОЭ, определяют статическими коллекторами /_к(^кэ)/_Б⁼const (рис. 10.17, а) и базовыми 1ъ(ивэ)и_кэ⁼const (рис. 10.17, б) характеристиками. Область рабочих режимов транзистора на его коллекторных характеристиках ограничена максимально допустимыми значениями тока /_Кшах, напряжения и_КЭтзх и мощности рассеяния Р_растах « и_кэ1_к, а также нелинейными искажениями при малых значениях тока коллектора.

(10.4а) (10.46)

Рассматривая транзистор с ОЭ как нелинейный трехполюсник, включенный в цепь на рис. 6.12, опишем аналогично (6.5) его работу в режиме малого сигнала системой линейных уравнений:

%э = h_ni_B + Н₁₂и_кэ]

% — ^21 ^гб + ^22^пкэу

/_Б, мкА' 400

200

_____ ,^кэ = ЮВ

/_K,MAJ

Дата добавления: 2018-02-28; просмотров: 328; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

⇐ Предыдущая 22 23 24 25 262728 29 30 31 Следующая ⇒

Мы поможем в написании ваших работ!