Полупроводниковые электронные приборы

 

 

Содержание:

 

1. Полупроводниковый p-n переход и его свойства
2. Полупроводниковые диоды и область их применения.
3. Принцип действия транзистора
4. Схема включения транзистора с общей базой и ее коэффициент усиления по току K_i, напряжению  K_U, по мощности K_p
5. Схема включения транзистора с общим эмиттером и ее коэффициенты усиления по току K_i, напряжению K_{U ,} мощности  K_p
6. Cхема включения транзистора с общим коллектором и ее коэффициенты усиления по току K_i, напряжению K_U , мощности K_p  
7. Однополупериодный выпрямитель, принцип действия, коэффициент, пульсации выпрямленного тока.
8. Двухполупериодный  выпрямитель , принцип действия, коэффициент, пульсации выпрямленного тока.
9. Емкостной электрический фильтр в выпрямительной схеме и их влияние на коэффициент пульсации выпрямленного тока.
10. Индуктивный электрический фильтр в выпрямительной схеме и их влияние на коэффициент пульсации выпрямленного тока.
11. Заключение
12. Список литературы

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Полупроводниковый p-n переход и его свойства

Полупроводники обязаны своим названием тому, что по величине электропроводности они занимают промежуточное положение между металлами и диэлектриками. Однако характерным для них является не величина проводимости, а то, что их проводимость растет с повышением температуры (у металлов она уменьшается). Полупроводниками являются вещества, у которых валентная зона полностью заполнена электронами, а ширина запрещенной зоны невелика (у собственных полупроводников не более 1 эВ).

Различают собственную и примесную проводимости полупроводников.

Собственная проводимость возникает в результате перехода электронов с верхних уровней валентной зоны в зону проводимости. При этом в зоне проводимости появляется некоторое число носителей тока — электронов, занимающих уровни вблизи дна зоны; одновременно в валентной зоне освобождается такое же число мест на верхних уровнях. Такие свободные от электронов места на уровнях заполненной при абсолютном нуле валентной зоны называют дырками. Типичными полупроводниками являются элементы IV группы периодической системы Менделеева — германий и кремний. Они образуют решетку, в которой каждый атом связан ковалентными связями с четырьмя равноотстоящими от него соседними атомами. Условно такое взаимное расположение атомов можно представить в виде плоской структуры, изображенной на рисунке. Кружки со знаком «+» обозначают положительно заряженные атомные остатки (т. е. ту часть атома, которая остается после удаления валентных электронов), кружки со знаком «—»— валентные электроны, двойные линии — ковалентные связи.

Если свободный  электрон встретится с дыркой, они рекомбинируют (соединяются). Это означает, что электрон нейтрализует избыточный положительный заряд, имеющийся в окрестности дырки, и теряет свободу передвижения до тех пор, пока снова не получит от кристаллической решетки энергию, достаточную для своего высвобождения. Рекомбинация приводит к одновременному исчезновению свободного электрона я дырки. На схеме уровней  процессу рекомбинации соответствует переход электрона из зоны проводимости на один из свободных уровней валентной зоны.

Итак, в полупроводнике идут одновременно два процесса: рождение попарно свободных электронов и  дырок и рекомбинация, приводящая к попарному исчезновению электронов и дырок.

В отсутствие внешнего электрического поля электроны проводимости и дырки движутся хаотически. При включении поля на хаотическое движение накладывается упорядоченное движение: электронов против поля и дырок — в направлении поля. Оба движения — и дырок, и электронов — приводят к переносу заряда вдоль кристалла. Следовательно, собственная электропроводность обусловливается как бы носителями заряда двух знаков— отрицательными электронами и положительными дырками.

Собственная проводимость наблюдается во всех без исключения полупроводниках при достаточно высокой температуре.

Примесная проводимость возникает, если некоторые атомы данного полупроводника  заменить в узлах кристаллической решетки атомами, валентность которых отличается на единицу от валентности основных атомов. На рисунке условно изображена решетка германия с примесью 5-валентных атомов фосфора. Для образования ковалентных связей с соседями атому фосфора достаточно четырех электронов. Следовательно, пятый валентный электрон оказывается как бы лишним и легко отщепляется от атома за счет энергии теплового движения, образуя странствующий свободный электрон. В отличие от рассмотренного раньше образование свободного электрона не сопровождается нарушением ковалентных связей, т. е. образованием дырки. Хотя в окрестности атома примеси возникает избыточный положительный заряд, но он связан с этим атомом и перемещаться по решетке не может. Благодаря этому заряду атом примеси может захватить приблизившийся к нему электрон, но связь захваченного электрона с атомом будет непрочной и легко нарушается вновь за счет тепловых колебаний решетки.

Таким образом, в  полупроводнике с 5-валентной примесью имеется только один вид носителей  тока — электроны. Соответственно говорят, что такой полупроводник обладает электронной проводимостью или является полупроводником n-типа (от слова negativ — отрицательный). Атомы примеси, поставляющие электроны проводимости, называются донорами.

Примеси искажают поле решетки, что приводит к возникновению  на энергетической схеме так называемых локальных уровней, расположенных в запрещенной зоне кристалла. Любой уровень валентной зоны или зоны проводимости может быть занят электроном, находящимся в любом месте кристалла.

На рисунке условно  изображена решетка кремния с  примесью 3-валентных атомов бора. Трех валентных электронов атома бора недостаточно для образования с вязей со всеми четырьмя соседями. Поэтому одна из связей окажется неукомплектованной и будет представлять собой место, способное захватить электрон. При переходе на это место электрона одной из соседних пар возникнет дырка, которая будет кочевать по кристаллу. Вблизи атома примеси возникнет избыточный отрицательный заряд, но он будет связан с данным атомом и не может стать носителем тока. Таким образом, в полупроводнике с 3-валентной примесью возникают носители тока только одного вида — дырки. Проводимость в этом случае называется дырочной, а о полупроводнике говорят, что он принадлежит к p-типу (от слова positiv — положительный). Примеси, вызывающие возникновение дырок, называются акцепторными.

На схеме уровней акцептору соответствует расположенный в запретной зоне недалеко от ее дна локальный уровень. Образованию дырки отвечает переход электрона из валентной зоны на акцепторный уровень. Обратный переход соответствует разрыву одной из четырех ковалентных связей атома примеси с его соседями и рекомбинации образовавшегося при этом электрона и дырки.

С повышением температуры  концентрация примесных носителей  тока быстро достигает насыщения. Это  означает, что практически освобождаются все донорные или заполняются электронами все акцепторные уровни. Вместе с тем по мере роста температуры все в большей степени начинает сказываться собственная проводимость полупроводника, обусловленная переходом электронов непосредственно из валентной зоны в зону проводимости. Таким образом, при высоких температурах проводимость полупроводника будет складываться из примесной и собственной проводимости. При низких температурах преобладает примесная, а при высоких — собственная проводимость.

р—n-переход представляет собой тонкий слой на границе между двумя областями одного и того же кристалла, отличающимися типом примесной проводимости. Для изготовления такого перехода берут, например, монокристалл германия с электронным механизмом проводимости (обусловленным ничтожными остатками примесей). В вырезанную из кристалла тонкую пластинку вплавляют с одной стороны кусочек индия. Во время этой операции атомы индия диффундируют в германий на некоторую глубину. В той области, в которую проникают атомы индия, проводимость германия становится дырочной. На границе этой области возникает р— n-переход.

На рисунке показан ход концентрации примесей в направлении, перпендикулярном к граничному слою. В р-области  основными носителями тока являются дырки, образовавшиеся в результате захвата электронов атомами примеси (акцепторы при этом становятся отрицательными ионами); кроме того, в этой области имеется небольшое число неосновных носителей — электронов, возникающих вследствие перевода тепловым движением электронов из валентной зоны непосредственно в зону проводимости. В n-области основные носители тока—электроны, отданные донорами в зону проводимости; происходящий за счет теплового движения переход электронов из валентной зоны в зону проводимости приводит к образованию небольшого числа, дырок — неосновных носителей для этой области. Диффундируя во встречных направлениях через пограничный слой, дырки и электроны рекомбинируют друг другом. Поэтому р—n-переход оказывается сильно обедненным носителями тока и приобретает большое сопротивление. Одновременно на границе между областями возникает двойной электрический слой, образованный отрицательными ионами акцепторной примеси, заряд которых теперь не компенсируется дырками, и положительными ионами- донорной примеси, заряд которых теперь не компенсируется электронами (кружки—ионы, черные течки — электроны, белые точки—дырки).

Электрическое поле в этом слое направлено так, что противодействует дальнейшему переходу через слой основных носителей. Равновесие достигается  при такой высоте потенциального барьера, при которой уровни Ферми  обеих областей располагаются на одинаковой высоте. Изгибание энергетических зон в области перехода вызвано тем, что потенциал р-области в состоянии равновесия ниже, чем потенциал n-области; соответственно потенциальная энергия электрона в р-области больше, чем в n-области. Нижняя граница валентной зоны дает ход потенциальной энергии электрона Wpэ в направлении, перпендикулярном к переходу. Поскольку заряд дырок противоположен заряду электронов, их потенциальная энергия Wрд больше там, где меньше Wpэ, и наоборот.

Равновесие между р- и п-областями является подвижным. Некоторому количеству основных носителей удается преодолеть потенциальный барьер, вследствие чего через переход течет небольшой ток Iосн.

Этот ток компенсируется обусловленным неосновными носителями встречным током Iнеосн. Неосновных носителей очень мало, но они легко  проникают через границу областей, «скатываясь» с потенциального барьера. Величина Iнeocн определяется числом рождающихся ежесекундно неосновных носителей и от высоты потенциального барьера почти не зависит. Величина Iосн, напротив, сильно зависит от высоты барьера. Равновесие устанавливается как раз при такой высоте потенциального барьера, при которой оба тока Iосн и Iнеосн компенсируют друг друга. Подадим на кристалл внешнее напряжение такого направления, чтобы «+» был подключен к р-области, а «—» был подключен к n-области) (такое напряжение называется прямым). Это приведет к возрастанию потенциала (т.е. увеличению Wрд и уменьшению Wpэ) р-области и понижению потенциала (т.е. уменьшению Wpд и увеличению Wpэ) n-области. В результате высота потенциального барьера уменьшится и ток Iосн возрастет. Ток же Iнеосн останется практически без изменений (от высоты барьера почти не зависит). Следовательно, результирующий ток станет отличен от нуля. Понижение потенциального барьера пропорционально приложенному напряжению (оно равно eU). При уменьшении высоты барьера ток основных носителей, а следовательно и результирующий ток, быстро нарастает. Таким образом, в направлении от p-области к n-области р — n-переход пропускает ток, сила которого быстро нарастает при увеличении приложенного напряжения. Это направление называется прямым (или пропускным, или проходным).

 

 

 

Возникающее в кристалле при прямом напряжении электрическое поле «поджимает»  основные носители к границе между  областями, вследствие чего ширина переходного  слоя, обедненного носителями, сокращается. Соответственно уменьшается и сопротивление перехода, причем тем сильнее, чем больше напряжение. Таким образом, вольт-амперная характеристика в пропускной области не является прямой. 

 

Теперь приложим к кристаллу напряжение такого направления

чтобы «+» был подключен к n-области, а «—» был подключен к р-области (такое напряжение называется обратным). Обратное напряжение приводит к повышению потенциального барьера и соответственному уменьшению тока основных носителей Iосн. Возникающий при этом результирующий ток (называемый обратным) довольно быстро достигает насыщения (т. е. перестает зависеть от U, рис. 11) и становится равным iнеосн. Таким образом, в направлении от n-области к р-области (которое называется обратным или запорным)  р — n-переход пропускает слабый ток, целиком обусловленный неосновными носителями. Лишь при очень большом обратном напряжении сила-тока начинает резко возрастать, что обусловлено электрическим пробоем перехода. Каждый р—n-переход характеризуется своим предельным значением обратного напряжения, которое он способен выдержать без разрушения. Поле, возникающее в кристалле при наложении обратного напряжения; «оттягивает» основные носители от границы между областями, что приводит к возрастанию ширины переходного слоя, обедненного носителями. Соответственно увеличивается и сопротивление перехода. Следовательно, р—n-переход обладает в обратном направлении гораздо большим сопротивлением, чем в прямом.

Из сказанного вытекает, что р — n-переход может быть использован для выпрямления переменного тока. На рисунке показан график тока, текущего через переход, в том случае, если приложенное напряжение изменяется по гармоническому закону. В этом случае ширина слоя, обедненного носителями, и сопротивление перехода пульсируют, изменяясь в такт с изменениями напряжения.

 

 

 

 

 

 

Полупроводниковые диоды и область их применения

Полупроводниковые диоды относятся  к электронным приборам, использующим одностороннюю проводимость электронно-дырочного  перехода. По своему назначению полупроводниковые диоды подразделяются на выпрямительные ( как разновидность выпрямительных – силовые ), импульсные, высокочастотные и сверхвысокочастотные, стабилитроны, трехслойные переключающие, туннельные, варикапы, фото- и светодиоды. Условные графические обозначения диодов показаны на рисунке.

 

Условные графические обозначения диодов: а – выпрямительных и универсальных; 
б – стабилитронов; в – двухсторонних стабилитроны; г – туннельных диодов; 
д – обращенных диодов; е – варикапов; ж – фотодиодов; з – светодиодов