Полупроводниковый «p-n» - переход и его свойства

РХТУ им.Д. И. Менделеева

Кафедра электротехники и электроники

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Выполнила студентка группы О-23 Irma Dyon

 

 

 

 

Москва-2006 
1. Полупроводниковый «p-n» - переход и его свойства.

К полупроводникам относятся вещества, обладающие электрическими свойствами, промежуточными между свойствами металлов и диэлектриков. В полупроводниковых приборах прохождение тока обусловлено электронными явлениями, происходящими в материале полупроводника.

Электрические свойства полупроводниковых материалов определяются валентными электронами, а не прочно связанными с ядрами (участвующими в создании электропроводности) электронами. Поэтому при изучении свойств полупроводников представляют интерес те энергетические зоны, в которых располагаются валентные электроны, и те, в которые эти электроны могут переходить при увеличении их энергии.

При воздействии внешнего электрического поля на полупроводник создаётся 2 вида проводимости:

- типа n в зоне проводимости (обусл. движением полусвободных и свободных электронов);

- типа p в зоне заполнения (обусл. движением дырок).

При этом носители положительного заряда – дырки – перемещаются к отрицательно заряженному полюсу, а электроны – к положительно заряженному полюсу источника электрического поля. Указанная проводимость – собственная проводимость, которая обычно невелика.

Введение незначительного количества инородных примесей значительно увеличивает электрическую проводимость полупроводника. При этом оказывается, что в зависимости от рода примеси можно получить проводимость как типа n, так и типа p.

 

n: ē>>p (концентрация), основные носители – ē, небольшое количество p (р-дырки).

р: р>>ē, основные носители – р, небольшое количество ē.       φn=0

   + + + +   Р            - - - -  n              Р    + + + +           -  -  - -    n                                     - 

   + + + +     - - - -             + + + +  -   +  -  -  -  - Uзап

   + + + +     - - - -            + + + +           -  -  -  -                               +      φp<0

В результате соприкосновения вблизи границы полупроводников создаётся слой, лишённый основных носителей заряда и вследствие этого обладающий значительным сопротивлением R («запирающий слой»). Вследствие этого при соприкосновении полупроводников часть ē, обладающих большей энергией, из области n будет диффундировать через пограничный p-n слой и рекомбинировать с дырками в р-области. Диффузия дырок в n-область – аналогично.

Тогда контактный слой полупроводника типа n оказывается обеднённым электронами и приобретает объёмный положительный заряд. Аналогично р принимает объёмный отрицательный заряд.

В области соприкосновения в полупроводнике типа р создаётся слой отрицательных неподвижных зарядов, а в n – слой положительных неподвижных зарядов, и на границе p-n-перехода образуется двойной запирающий слой (потенциальный барьер). Вследствие этого создаётся разность потенциалов Uзап запирающего слоя (контактная), препятствующая перемещению основных носителей.

Но это поле не является препятствием для неосновных носителей. Наоборот, оно способствует передвижению этих носителей заряда через p-n-переход, что несколько снижает потенциальный барьер, создаваемый запорным слоем. Средний ток через р-переход равен 0 (динамическое равновесие).

 

Включение p-n-перехода под прямое напряжение:

Полярность внешнего напряжения: - - к n, + - к р. Полярность приложенного напряжения обратна полярности Uзап.

Внешнее напряжение компенсирует запорный слой     основные носители заряда приближаются к p-n-переходу, заполняют запирающий слой и уменьшают его толщину      R  , во внешней цепи появляется ток I (прямой ток, прямое напряжение).

Uвнеш        R       I .

 

 

 

 

 

 

 

Включение p-n-перехода под обратное напряжение:

Полярность внешнего напряжения: + - к n, - - к р. Полярность приложенного напряжения соответствует полярности Uзап.

Разность потенциалов р-n-перехода увеличивается     основные носители заряда от пограничного удаляются от запирающего слоя и увеличивают его толщину      R        I (обратный ток, обратное напряжение). Обратный ток обусловлен неосновными носителями. Iпр≈102 – 103Iобр.

 

 

 

 

 

 

2. Полупроводниковый  диод, его свойства и область  применения.

Полупроводниковые диоды относятся к электронным приборам, использующим одностороннюю проводимость электронно-дырочного перехода.

 р-n-переход

  обладает неодинаковыми

сопротивлениями в прямом

и обратном направлениях;

можно преобразовать

Iперем в Iпост.

 

 

 

 

 

 

Д И О Д Ы

 

                              точечные                                                             плоскостные (слоистые)

электронно-дырочный переход создаётся в  основаны на использовании р-n-перехода.

месте контакта пластинки Ge (Si) с заострён-  Изготовляются методом сплавления Ge с In

ной металлической проволочкой, имеющей  (акцептором). При нагревании In плавится

акцепторные\донорные примеси.    и диффундирует в Ge      на границе с In у

Исп-ся:      Ge – дырочная односторонняя

- в маломощных  выпрямительных схемах;  проводимость.

- для детектирования  и преобразования   Исп-ся:

частоты;      - выпрямление, преобразование, стабили-

- в измерительной  аппаратуре      зация, генерация и т.п.

 

2 опасных случая:

1) Uобр.max>[U]

Включаем несколько диодов последовательно для равномерного распределения напряжения между ними. Из-за разброса параметров диодов может Rобр. различны      U распределяется между диодами ~ их R      может также быть Uобр.max>[U] на одном из них     подключаются активные сопротивления Rш~1-10 кОм.

2) I>[I]

Применяется параллельное включение диодов. Чтобы устранить разброс R диодов на работу схемы, последовательно с ними подключаются добавочные сопротивления Rд~0,2-0,8 кОм.

 

 

 

1) 2)

 

 

 

3. Принцип  действия транзистора (полупроводникового  триода).

Полупроводниковый триод (транзистор) представляет собой электронный прибор, основанный на свойствах двух, расположенных весьма близко друг к другу, электронно-дырочных р-n переходов.

Основной элемент транзистора – кристалл германия или кремния, в котором с помощью соответствующих примесей создаются три слоя с различными типами проводимости.

 

 Ge Si

 

Принцип действия транзисторов обоих типов один и тот же. Различие состоит лишь в выборе полярности присоединяемых источников питания.

Э – эмиттер; Б – база; К – коллектор.

Транзисторы включаются в схему таким образом, чтобы к p-n-переходу П1 эмиттер-база внешнее напряжение было приложено в прямом направлении, а к p-n-переходу П2 коллектор-база – в обратном направлении. При включении внешних напряжений для обоих полупроводниковых триодов потенциальный барьер между эмиттером и базой понижается, а между базой и коллектором – увеличивается. В результате этого основные носители заряда эмиттерного слоя переходят в область базы, а затем в область коллектора, создавая ток через коллекторный p-n-переход.

Одновременно с этим имеет место и переход основных носителей заряда базы через эмиттерный переход. Однако в область базы при изготовлении триода вводят << примесей, чем в эмиттер, поэтому ток через эмиттерный переход создаётся главным образом переходом основных носителей заряда эмиттера через базу. Если время прохождения основных носителей заряда эмиттера через базу много меньше времени их независимого существования, то основная часть этих носителей дойдёт до коллекторного перехода. При этом лишь небольшая часть указанных носителей рекомбинирует в базе с её основными носителями. Значит, величина тока, протекающего через коллекторный переход, определяется и зависит от величины тока, протекающего через эмиттерный переход.

Связь между током коллекторной и током эмиттерной цепей:

α=dik/diэ при Uk=const. – коэффициент передачи тока.

В простейшем случае: α=Ik/Iэ.

Для плоскостных транзисторов: α=0,92-0,99.

Ток базы: Iб=Iэ-Ik.

 

4,5,6. Схема включения транзистора с общей базой и её коэффициенты.

При рассмотрении усилительных свойств переменных сигналов транзисторов схемы их включения можно рассматривать без источников питания, поскольку в сравнении с другими сопротивления источников оказываются весьма малыми.

Включение транзистора возможно по трём схемам: с общим эмиттером (ОЭ), с общей базой (ОБ) и общим коллектором (ОК).

Схему усилительной ячейки на транзисторе с общей базой можно применять на высоких частотах, однако она имеет коэффициент усиления по току меньше 1 и малое входное сопротивление.

Коэффициент усиления по току:

Kiб=iвх/iвых=ik/iэ=α<1 

Коэффициент усиления по напряжению:

KUб=Uвых/iвх=ikRHб/iэRвхб=α RH/Rвх>1

коэффициент усиления по мощности:

KPб=KiKU=α2 RHб/Rвхб>1

Здесь Rнб – сопротивление нагрузочного резистора

 в схеме  с общей базой; Rвхб – входное сопротивление усилительного каскада.

Как выводить формулы:

Общие формулы, независимые от схемы включения транзистора:

- коэффициент усилительного каскада  по току Ki=iвых/iвх

- коэффициент  усиления по напряжению KU=Uвых/Uвх i, u –

- коэффициент усиления по мощности KP=Ki∙KU мгновенные значения

- входное сопротивление  каскада Rвх=Uвх/iвх

За основной электрод, от которого отсчитываются напряжения, в данной схеме принимается база. Эмиттерная цепь – входная, а коллекторная – выходная.

Отсюда Kiб=iвых/iвх=ik/iэ=α , где ik – ток коллектора, iэ – ток эмиттера.

Соотношение между токами эмиттера, коллектора и базы для схемы с общей базой: iэ=ik+iб, где iб – ток базы.

Входящее в выражение для коэффициента усиления по напряжению входное сопротивление для этой схемы оказывается равным Rвхб=Uэб/iэ=Rэб. Это сопротивление открытого p-n-перехода. Rэб~ 10-100 Ом.

В усилителях на транзисторах сопротивление коллекторного перехода RH>> сопротивления слоя базы Rб>> сопротивления эмиттерного перехода Rэ. Поэтому KU>1.

В соответствии с условными положительными направлениями напряжений нетрудно установить, что сигналы на входе и на выходе схемы с общей базой совпадают по фазе.

 

7,8,9. Схема  включения транзистора с общим  эмиттером и её коэффициенты.

Наиболее часто используют схему с общим эмиттером, с помощью которой возможно осуществить усиление по току, по напряжению и наибольшее по сравнению с другими схемам усиление по мощности. У схемы ОЭ малое входное сопротивление, порядка сотен Ом.    

Во многих справочниках по транзисторам даётся коэффициент усиления по току для схемы ОЭ: β=ik/iб. β~10-100.

Связь β c α можно выразить из системы:  α=ik/iэ β=α/(1-α),

iэ=ik+iб или α=β/(1+ β)

За основной электрод, от которого отсчитываются напряжения, в данной схеме принимается эмиттер. Цепь базы – входная, а коллекторная цепь– выходная.

Тогда коэффициент усиления по току Kiэ=ik/iб=β=α/(1-α).

Так как α~0.91-0.99, коэффициент усиления по току в схеме с общим эмиттером оказывается больше 1      эта схема может быть использована для усиления тока.

Выражение для коэффициента усиления по напряжению для этой схемы:

Kuэ=Uвых/Uвх=ikRHэ/(iбRвхэ)=β RHэ/Rвхэ.

Входное сопротивление в этой схеме: Rвхэ=Uвх/iвх=Uэб/iб

Выразим ток базы через ток эмиттера: iб=iэ(1-α)

Подставим в выражение для входного сопротивления: Rвхэ= Uэб/iэ(1-α)=Rэб/(1-α)=Rэб(1+ β)

Тогда KUэ=βRHэ/(1+ β)Rэб=α RHэ/ Rэб.

Сопротивление Rэб открытого перехода обычно << нагрузочного сопротивления RHэ, поэтому KUэ>1      схема ОЭ может быть использована и для усиления напряжения.

Коэффициент усиления по мощности:

Kpэ=KiэKUэ=β2RHэ/(1+ β)RЭб=α2 RHэ/(1-α)RЭб.

Если проанализировать это выражение, то можно доказать, что схема ОЭ может быть использована и для усиления мощности.

При этом в соответствии с условным положительным направлением напряжение в схеме ОЭ входной и выходной сигналы находятся в противофазе, то есть сдвинуты относительно друг друга на угол, равный 1800.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

10,11,12. Схема  включения транзистора с общим  коллектором и её коэффициенты.

Схема ОК имеет большое входное сопротивление, порядка десятков и сотен кОм, и низкое выходное сопротивление. Поэтому эту схему часто применяют в многокаскадных усилителях в качестве согласующего каскада и выходного каскада при работе на низкоомную нагрузку.

Коэффициент усиления по току может быть записан:

Kik=iвых/iвх=iэ/iб= iэ/ iэ(1-α)=1/(1-α)=1+ β>1.

Коэффициент усиления по напряжению для схемы ОК:

KUk=Uвых/Uвх=iэRHk/(iбRвх)=Kik RHk/Rвх.

При этом входное сопротивление для схемы ОК: Rвхк=Uвх/iб=Uвх/iэ(1-α).

По второму закону Кирхгофа: Uвх=iэRHk+Uэб. Подставляем в предыдущую формулу:

Rвхк=RHk/(1-α)+Uэб/iэ(1-α)= RHk/(1-α)+ Rэб/(1-α).

Так как Rэб<<RHk, это выражение можно упростить:

Rвхк=RHk/(1-α) ≈ RHk(1+ β).

Значит, входное сопротивление схемы ОК зависит от сопротивления нагрузки и может достигать больших значений порядка 10-100 кОм.

Подставляем входное сопротивление вида Rвхк=RHk/(1-α) в коэффициент напряжения, получаем: KUk≈1. Значит, схема с общим коллектором не пригодна для усиления напряжения.

Коэффициент усиления по мощности: KPk= KikKUk =1/(1-α) ∙ 1 ≈1/(1-α)=β+1.