Билет 8: ВАХ электронно-дырочного перехода. Ход ВАХ. Понятие пробоя. Емкости p-n-перехода(диода) и ее анализ для прямого и обратного включения p-n-перехода

Стр 1 из 7Следующая ⇒

Билет 1 – Электропроводность твердого тела. Разделение вещества по электрическим свойствам. Строение кристаллической решетки кремния и германия. Энергетические уровни и зоны.

· Все свойства приборов или материалов определяются их сопротивлением.

Сопротивление материалов будет зависеть от кол-ва свободный электронов, т.е. электронов проводимости. Это кол-во будет зависеть от способности электронов покидать свой атом. Т.о. проводимостьбудет зависеть от способности валентных электронов становиться свободными.

(Электропроводность вещества определяется количеством носителей зарядов в нем. Электропроводность твердого тела определяется движением свободных электронов).

Чтобы электрон стал свободным, т.е. покинул свой атом => удалился от ядра (Свободные электроны(электроны проводимости) – это электроны, порвавшие связь со своим атомом)- ему нужно сообщить энергию. Энергия, которая может быть поглощена электроном- тепловая, энергия эл.поля или др.полей, световая, вторичная. (Энергии свободных электронов больше энергий валентных электронов).

Если электрон приближается к ядру- энергия выделяется.

В зависимости от свойств вещества энергия бывает –световая и тепловая.

У металлов энергия свободных электронов ,т.е. электронов проводимости, немного больше энергии валентных электронов, поэтому валентные электроны металлов легко становятся свободными при незначительном сообщении энергии.

Металлы обладают положительным температурным коэффициентом(+ТКС)(

· Энергетическая диаграмма вещества показывает соотношение энергий электронов.

Зонная диаграмма металлов:

Валентная зона – совокупность энергий валентных электронов.

Зона проводимости – совокупность энергий свободных электронов.

Если заполненная валентная зона отделена от зоны проводимости запрещённой зоной 0,5-3 эВ, то такие материалы называются полупроводниками (п/п). (Полупроводники – вещества, атомы которых имеют четыре валентных электрона (например, германий Ge и кремний Si)).

Зонная диаграмма п/п:

Ширина ЗЗ для различных материалов различна:

Т.О.ширина ЗЗ кремния больше,чем германия,поэтому при повышении температуры у приборов из кремния токи будут меньше,чем у германия,т.е. кремниевые приборы будут работать более стабильней при повыш.температур. Кремниевые приборы могут работать до температур окруж.среды ,а германиевые до 60.

П/п имеют отрицательную ТКС,т.к при .

Диэлектрики-изоляторы,не имеющие свободные электроны из-за большой .

П/п бывают :

1.собственные-не имеют примесей(монокристаллический кремний, германий, арсенид галлия)

2.легированные-с примесями.

ü Собственные:

Атомы таких материалов(Si,Ge) соедин-ся в кристалл.решетку с помощью ковалентной связи.

Кол-во электронов -

Кол-во дырок -

Собственные п/п наз-ют i-типа.

Для собственного проводника .

У каждого атома на внешней орбите 8 электронов: 4 своих и 4 чужих,взятых из 4х соседних атомов по одному,т е их называют связями.

Билет 2 - Собственная электропроводность. Механизм электропроводности. Генерация и рекомбинация. Зависимость электропроводности от свойств полупроводника и температуры. Подвижность носителей. Длина свободного пробега.

Валентные электроны в п/п слабо связаны с ядром, поэтому при соответствующей дополнительной энергии они могут отрываться от атома и становиться свободными, совершать хаотическое движение.

Для того, чтобы валентный электрон стал свободным, его энергия должна превышать энергию ширины запрещающей зоны.

1 эВ – это энергия, которую нужно затратить для перемещения электрона в поле с разностью потенциалов в 1В.

При абсолютном нуле все электроны п/п находятся на своих орбитах. Свободных электронов нет. Электропроводность равна 0. При повышении температуры ситуация меняется. При комнатной температуре, если бы тепловая энергия была распределена между всеми электронами, то они получили бы по 0,025 эВ, т.е. значительно меньше, чем нужно для отрыва от атома. Свободных носителей не было бы. Но в действительности тепловая энергия распределена неравномерно, и при комнатной температуре небольшая часть валентных электронов п/п получает энергию, достаточную для отрыва от атома.

Когда валентный электрон становится свободным, то одна ковалентная связь разрывается. Отсутствие одного электрона в ковалентной связи называется дыркой. Процесс образования свободного электрона и дырки называется ионизацией,илигенерацией.

Дырка может быть заполнена:

· Электроном, перешедшим с соседней ковалентной связи, вследствие беспорядочного хаотического теплового движения;

· Свободным электроном. В этом случае исчезают два носителя. Процесс заполнения дырки свободным электроном называется рекомбинацией.

Поскольку при ионизации одновременно появляется и дырка и электрон, а при рекомбинации они оба исчезают, то в собственном п/п число дырок всегда равно числу свободных электронов.

N_I =P_I

Процессы ионизации и рекомбинации протекают в п/п непрерывно, но в стационарных условиях число случаев ионизации равно числу случаев рекомбинации. Поэтому в п/п поддерживается определённая концентрация носителей – равновесная, которая зависит от температуры и от ширины запрещённой зоны.

В п/п под действием э.п., созданного источником, возникает ток, называемый дрейфовым(-ток под действием ЭДС). Он имеет две составляющие:

1) электронную(свободный электрон обладает большим запасом энергии,проходит большое расстояние в направлении +ЭДС.(также создается в металлах)

2) дырочную(электрон обладает малым запасом энергии, от момента генереции до рекомбинации проходит малое расстояние(у металлов нет). От +ЭДС к –ЭДС.

Билет 3:Примесные полупроводники р-типа. Введение примеси . Кристаллическая решетка. Основные и неосновные носители зарядов. Подключение полупроводника р-типа к источнику ЭДС. Прохождение тока в цепи.

Для повышения проводимости полупроводника используют введение в него примесей веществ с валентностью V или III. При этом образуются так называемые примесные полупроводники.

Добавлением 5-валентной примеси получается п/п с электронной проводимостью – n-типа. Добавлением 3-валентной примеси – п/п с дырочной проводимостью – p-типа.

Легированные п/п –(с примесями) бывают:

1)р-типа –с дырочной электропроводностью

2)n-типа-с электронной электропроводностью.

Р-типа называемый так потому, что в нём число дырок больше числа свободных электронов и у кот.энергия свободных электронов составляет нижнюю часть ЗЗ :

Атом примеси имеет 3 электрона на внешней оболочке. Эти электроны образуют ковалентные связи с тремя соседними атомами кремния. Для образования четвёртой связи у него недостаёт одного электрона. Под действием тепловой энергии сюда может перейти валентный электрон с соседнего атома кремния. Энергия связи атома примеси с перешедшим электроном сильнее, чем энергия ковалентной связи. Поэтому в соседнем атоме п/п образуется дырка, а атом примеси становится неподвижным отрицательным ионом. Кристалл в целом остаётся нейтральным.

Основные носители заряда – дырки( ), неосновные – электроны( ).

ВЫВОД: (ОНЗ)>> (ННЗ)

Токи в примесях п/п:

1)Ток диффузии:

Опред-ся направленным движение носителей заряда из области большой концентрации НЗ в область с меньшей концентрации.

2)Ток дрейфа:

Перемещение дырок происходит за счет стекания электронов к +ЭДС. Дырки за счет движ-я электронов перемещаются к правому краю проводника. Созда-ся положит.нескомпенсированный заряд.кот притягивает электроны от –ЭДС.Т .о. цепь замыкается-протекает ток.

Билет 4:Полупроводники n-типа. Введение примеси. Кристаллическая решетка. Основные и неосновые носители зарядов. Подключение полупроводника n-типа к источнику ЭДС. Прохождение тока в цепи.

Для получения п/п-ка n-типа в чистый п/ п добавляют примясь,кот наз-ют донор(отдающий).

Донорами являются элементы с валентностью 5, у кот.энергия валентных электронов составляет верхнюю часть ЗЗ.

Предположим, в решётке кремния вместо атома кремния оказался 5-валентный атом фосфора с 5 электронами на внешней оболочке. 4 электрона образуют ковалентные связи, а 5-ый оказывается лишним.

Этот пятый электрон под действием тепловой энергии легко отрывается от атома и становится свободным электроном, а атом фосфора становится неподвижным положительным ионом.

В примесных п/п, как и в собственных, будут создаваться свободные электроны за счёт разрыва ковалентной связи. Но свободных электронов будет всегда больше, чем дырок.

Полученный п/п имеет больше свободных электронов, чем дырок. Электрическая нейтральность кристалла не нарушается. П/п называются п/п n-типа, что означает, что основными носителями заряда являются электроны( ).

Кол-во дырок наз-ют ННЗ( ).

ВЫВОД: (ОНЗ)>> (ННЗ)

Токи в примесных п/п:

1)Ток диффузии:

2)Ток дрейфа:

Обозначаем подвижные носители заряда в кружки. Подвижные носители заряда-электроны. Они притягиваются к +ЭДС и в п/п остается заряд неподвижных ионов.Этот заряд притягивает электроны от –ЭДС и т.о. цепь замыкается.

Билет 5:Электронно-дырочный переход в равновесном состоянии. Распределение потенциала, электрических зарядов, электрического поля. Образование контактной разности потенциалов. Запирающий слой. Ток диффузии,дрейфовый ток.

p-n – переходы образуются при контакте двух п/п с различной проводимостью.

В результате контакта р и n п/ п-ов ,происходит процесс диффузии.

Диффузионный ток образован движением носителей зарядов под действием разности их концентраций из той области, где они являются основными, в ту, где они – неосновные. Диффузионный ток имеет электронную и дырочную составляющие. В результате диффузии основных носителей вблизи границы между областями p-n перехода создаются неподвижные объемные заряды, образованные ионами примесей: в p-области – отрицательный заряд, а в n-области – положительный. Эти заряды создают электрическое поле, направленное от n- к p-области и препятствующие диффузии основных носителей, т.е. возникает потенциальный барьер. Это внутреннее электрическое поле характеризуется контактной разностью потенциалов. Под действием силы электрического поля возникает дрейфовый ток неосновных носителей, направленный встречно диффузионному. Дрейфовый ток также имеет электронную и дырочную составляющие.

В равновесном состоянии оба эти тока равны по величине и противоположно направлены. Общий ток равен нулю.

Вследствие диффузии основных носителей зарядов слои, прилежащие с обеих сторон к границе раздела областей, оказываются обедненными носителями зарядов. Таким образом, формируется запирающий слой – слой, обедненный носителями зарядов, вблизи границы двух областей p-n перехода. Ширина запирающего слоя зависит от концентрации примеси в областях, сужаясь по мере ее увеличения.

ВЫВОДЫ:

1)в p-n-переходе протекает 2 тока: диф. И дрейфа. Они равны по величине и противоположны по направлению.

Т к ток через p-n-переход =0,то такой p-n-переход наз-ют равновесным.

2)p-n-переход хар-ет контактное напряжение (разность потенциалов определяет)

Действующее тормозит движ-е ОНЗ через р-n-переход и ускоряет движение ННЗ.

3) P-n-переход имеет запирающий слой

Ом

Билет 6: Электронно-дырочный переход в прямом включении. Распределение потенциала, электрических зарядов, электрического поля. Инжекция зарядов. Влияние прямого напряжения на высоту барьера и ширину запирающего слоя. Токи через p-n-переход.

Прямое включение p-n-перехода- это подключение плюса ЭДС к р-области п/п ,а минуса ЭДС к n-области.

Прямое включение p-n перехода – такое включение приложенного напряжения, при котором происходит уменьшение потенциального барьера в p-n переходе.

ОНЗ движутся к полюсам ЭДС через p-n-переход, т е электроны из n-области к +ЭДС , дырки из р-области к –ЭДС. Скорости носителей зарядов большие.

Рекомбинации практически нет.

p-n –переход обогащается подвижными носителями зарядов=> его сопротивление

Сопротивление уменьшается до нуля , если , т к встречное с =>результирующее поле:

Пока p-n- переход существует.

При -стирается, тогда сравнивают с КЗ и характеризуют логическим нулем, ток дрейфа не протекает.

Ток через p-n-переход прямого включения наз-ют прямым, а ВАХ называют прямой ветвью.

На участке ОК p-n-переход присутствует.При увеличении ток дрейфа уменьшится, ток диффузии медленно возрастает.

На участке КМ небольшое увеличение прямого напряжения приводит к резкому увеличению прямого тока.

В точке М ток становится настолько большим , что разогревает проводник , выделяемое тепло не успевает рассеиваться в окр.среду, поэтому происходит тепловой пробой – разрушение кристаллической решетки.

т.М характеризуется : - это значение тока, превышение которого приведет к выходу прибора из строя.

ВЫВОДЫ:

1)Протекает ток диффузии , 0

2) т е ;

3) до 0

Билет 7: Электронно-дырочный переход при обратном включении. Распределение потенциала, электрических зарядов, электрического поля. Экстракция носителей зарядов. Влияние обратного напряжения на высоту потенциального барьера и ширину запирающего слоя. Токи через p-n-переход.

Обратное включение p-n-перехода- это подключение +ЭДС к n-области, а –ЭДС к р-области.

ОНЗ уходят от p-n-перехода ,дырки к –ЭДС, электроны к +ЭДС.Область p-n-перехода обедняется подвижными носителями зарядов=> запирающий слой увеличивается, сопротивление p-n-перехода также увеличивается до Мом. Такой p-n-переход сравнивают с ХХ, зарактеризуют логической единицей. Т к ОНЗ уходят от p-n-перехода, ток диффузии =0. Поля , соноправлены=> ;

Т.о. возрастает тормозное действие на ОНЗ и возрастает ускоряющее действие на ННЗ.

ННЗ сущ-ют в п/п-ах за счет генерации. ННЗ очень мало, поэтому ток дрейфа, кот называют обратным током , очень мал и чем меньше , тем лучше. Его величина не будет зависеть практически от напряжения. Это характеризуется обратной ветвью ВАХ на участке ОП:

- при увеличении кол-ва ННЗ, например при повышении температуры.

Т.о. ОНЗ уходят с _____________________, увелич-ся объемные заряды, (-) в p-области и (+) в n-области.(Эти заряды препятствуют движению ОНЗ через p-n-переход)

ННЗ в т.П приобретают большие скорости за счет того. Что разгоняются сильным эл.полем. Эти электроны ударяют в электроны неподвижных атомов, выбивают их, затем процесс повторяется и т.о. плотность потока электронов увеличивается => , .

Т.О. на участке ПТ происходит пробой, кот называют лавинным. Этот пробой называют обратимымили электрическим, т к уменьшение приводит к восстановлению свойств.

В т.ТС начинается разрушение кристаллической решетки.

ВЫВОДЫ:

1) Протекает ток дрейфа-это есть обратный ток.

2) т е ;

Билет 8: ВАХ электронно-дырочного перехода. Ход ВАХ. Понятие пробоя. Емкости p-n-перехода(диода) и ее анализ для прямого и обратного включения p-n-перехода.

Вах p-n-перехода:

При повышении температуры и прямые и обратные токи п/п приборов возрастают.

Анализ вольтамперной характеристики показывает, что при больших обратных напряжениях возникает резкое увеличение обратного тока, которое связано с увеличением обратной проводимости.

Пробоем p-n-перехода называется резкий рост обратного тока через переход при приложении обратного напряжения.

Различают электрический и тепловой пробои.

Электрический пробой p-n перехода – это пробой, обусловленный лавинным размножением носителей заряда или туннельным эффектом. Электрический пробой – процесс обратимый. При уменьшении обратного напряжения до величины меньшей критической – обратный ток резко уменьшается.

Тепловой пробой p-n перехода вызывается ростом числа носителей заряда в результате нарушения равновесия между выделяемым в p-n переходе и отводимым от него теплом. Этот процесс необратим и связан с нарушением структуры полупроводника.

Емкости p-n-переходов:

При прямом включении создается диффузная емкость-это емкость подвижных носителей зарядов, электронов, движущихся через p-область к +ЭДС.

порядка 100пФ нигде не используется.

Барьерная емкость создается при обратном включении p-n-перехода за счет объемных заряд-областей.

Билет 11:Классификация ППД. Влияние конструкций на параметры диодов. Влияние температуры на ВАХ ППД

П/п-ый диод- это прибор, кот имеет один p-n-переход и два вывода.

Основой полупроводникового диода является p-n переход. Поэтому его вольтамперная характеристика, т.е. зависимость протекающего через данный диод тока от величины и знака приложенного к нему напряжения, есть та или иная часть вольтамперной характеристики p-n перехода.

Но реально на физические процессы влияет целый ряд факторов, которые не учитываются при рассмотрении идеального p-n-перехода. Поэтому ВАХ реального диода отличается от ВАХ идеального p-n-перехода.

Обратная ветвь ВАХ

При анализе обратной ВАХ p-n-перехода мы считали, что обратный ток обусловлен только дрейфом неосновных носителей, т.е. тепловым током I₀ .

1. I₀зависит от концентрации неосновных носителей, от интенсивности их генерации вблизи перехода, а также от подвижности, т.е. от типа материала п/п. I₀_Ge >>I₀_Si

2. I₀зависит от площади p-n-перехода (чем больше площадь, тем больше ток)

3. Поверхностные явления образуют ток, величина которого сравнима в германиевых диодах с током I₀, в кремниевых – с током I_д. Ток растёт пропорционально величине обратного напряжения, зависит от окружающей среды и от длительности работы диода.

Прямая ветвь ВАХ

Начальный участок прямой ВАХ для реального диода более пологий, чем идеальная характеристика. Причиной этого является тепловой ток в германиевом диоде и ток рекомбинации в переходе у кремниевых диодов (процессы рекомбинации преобладают над процессами генерации).

Дата добавления: 2018-04-04; просмотров: 702; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

12 3 4 5 6 7 Следующая ⇒

Мы поможем в написании ваших работ!