Виды пробоя p-n – перехода

Задание:

1. Виды пробоя p-n – перехода, их причина и последствия.

2. Определение, назначение и вольт-амперные характеристики симистора.

3. Устройство и принцип действия полевого транзистора с изолированным затвором и встроенным каналом p – типа.

4. Фотодиод: определение, условно-графическое обозначение, принцип работы, характеристики, параметры и назначение.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Виды пробоя p-n – перехода, их причина и последствия.

Возможны обратимые и необратимые пробои. Обратимый пробой – это пробой, после которого p-n-переход сохраняет работоспособность. Необратимый пробой ведет к разрушению структуры полупроводника.

Существуют четыре типа пробоя: лавинный, туннельный, тепловой и поверхностный. Лавинный и туннельный пробои объединятся под названием – электрический пробой, который является обратимым. К необратимым относят тепловой и поверхностный.

Лавинный пробой свойственен полупроводникам, со значительной толщиной p-n-перехода, образованных слаболегированными полупроводниками. При этом ширина обедненного слоя гораздо больше диффузионной длины носителей. Пробой происходит под действием сильного электрического поля с напряженностью

.В лавинном пробое основная роль принадлежит неосновным носителям, образующимся под действием тепла в p-n-переходе.

Эти носители, испытывают со стороны электрического поля p-n-перехода ускоряющее действие и начинают ускоренно двигаться вдоль силовых линий этого поля. При определенной величине напряженности неосновные носители заряда на длине свободного пробега  могут разогнаться до такой скорости, что их кинетической энергии может оказаться достаточно, чтобы при очередном соударении с атомом полупроводника ионизировать его, т. е. «выбить» один из его валентных электронов и перебросить его в зону проводимости, образовав при этом пару «электрон – дырка» (рис. 1). Образовавшиеся носители тоже начнут разгоняться в электрическом поле, сталкиваться с другими нейтральными атомами и процесс, таким образом, будет лавинообразно нарастать. При этом происходит резкий рост обратного тока при практически неизменном обратном напряжении.

Рисунок 1 - Схема, иллюстрирующая лавинный пробой в p-n-переходе:

  а - распределение токов; б - зонная диаграмма, иллюстрирующая лавинное умножение при обратном смещении перехода

Параметром, характеризующим лавинный пробой является коэффициент лавинного умножения М , определяемый как количество актов лавинного умножения в области сильного электрического поля. Величина обратного тока после лавинного умножения будет равна: ,где – начальный ток;   – приложенное напряжение; – напряжение лавинного пробоя;   – коэффициент, равный 3 для , 5 для .

Если обратный ток при обоих видах электрического пробоя не превысит максимально допустимого значения, при котором произойдет перегрев и разрушение кристаллической структуры полупроводника, то они являются обратимыми и могут быть воспроизведены многократно.

Туннельный пробой происходит в очень тонких p-n-переходах, что возможно при очень высокой концентрации примесей , когда ширина перехода становится малой (порядка 0,01 мкм) и при небольших значениях обратного напряжения (несколько вольт), когда возникает большой градиент электрического поля. Высокое значение напряженности электрического поля, воздействуя на атомы кристаллической решетки, повышает энергию валентных электронов и приводит к их туннельному «просачиванию» сквозь «тонкий» энергетический барьер (рис.2) из валентной зоны p-области в зону проводимости n-области. Причем «просачивание» происходит без изменения энергии носителей заряда. Для туннельного пробоя также характерен резкий рост обратного тока при практически неизменном обратном напряжении.

Рисунок 2- Зонная диаграмма туннельного пробоя p-n-перехода при обратном смещении

Если обратный ток при обоих видах электрического пробоя не превысит максимально допустимого значения, при котором произойдет перегрев и разрушение кристаллической структуры полупроводника, то они являются обратимыми и могут быть воспроизведены многократно.

Тепловым называется пробой p-n-перехода, обусловленный ростом количества носителей заряда при повышении температуры кристалла. С увеличением обратного напряжения и тока возрастает тепловая мощность, выделяющаяся в p-n-переходе и, соответственно, температура кристаллической структуры. Под действием тепла усиливаются колебания атомов кристалла, и ослабевает связь валентных электронов с ними, возрастает вероятность перехода их в зону проводимости и образования дополнительных пар носителей «электрон – дырка». Если электрическая мощность в p-n-переходе превысит максимально допустимое значение, то процесс термогенерации лавинообразно нарастает, в кристалле происходит необратимая перестройка структуры и p-n-переход разрушается.

Для предотвращения теплового пробоя необходимо выполнение условия

, где  – максимально допустимая мощность рассеяния p-n-перехода.

Поверхностный пробой. Распределение напряженности электрического поля в p-n-переходе может существенно изменить заряды, имеющиеся на поверхности полупроводника. Поверхностный заряд может привести к увеличению или уменьшению толщины перехода, в результате чего на поверхности перехода может наступить пробой при напряженности поля, меньшей той, которая необходима для возникновения пробоя в толще полупроводника. Это явление называют поверхностным пробоем. Большую роль при возникновении поверхностного пробоя играют диэлектрические свойства среды, граничащей с поверхностью полупроводника. Для снижения вероятности поверхностного пробоя применяют специальные защитные покрытия с высокой диэлектрической постоянной.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2.Определение, назначение и вольт-амперные характеристики симистора.

Симиcтop (симметричный тиристор или триак (англ. TRIAC — triode for alternating current)  представляет собой тиристор, по своей структуре подобный двум встречно-параллельным тринисторам и способный пропускать электрический ток в обоих направлениях. Симистор представляет собой пятислойную структуру полупроводника и имеет 4 p-n перехода. Особенностью симистора является то, что для его удержания в открытом состоянии нет необходимости постоянно подавать сигнал на управляющий электрод. Симистор (аналогично обычному тиристору) остаётся открытым, пока протекающий через него ток превышает ток удержания. Симистор применяется для коммутации в цепях переменного тока и в схемах управления мощностью нагрузки. 

Упрощённо симистор можно представить в виде эквивалентной схемы из двух триодных тиристров (тринисторов), включённых встречно-параллельно. Следует, однако, заметить, что управление симистором отличается от управления двумя встречно-параллельными тринисторами. ВАХ симистора представляет собой симметричную кривую (рис.3)

 

Рисунок 3 - Вольт-амперная характеристика симистора.

Диодный симистор, симметричный динистор (англ. DIAC - diode for alternating current, иногда используют термин Bi-directional trigger diode) в принципе не отличается от двух встречно-параллельно включенных динисторов, используется гораздо реже, напр. в схемах управления в тиристорных регуляторах мощности или для запуска преобразователей напряжения в компактных люминесцентных лампах.

Управление:

Для управления нагрузкой основные электроды симистора включаются в цепь последовательно с нагрузкой. Для отпирания симистора на его управляющий электрод подаётся напряжение относительно условного катода. Полярность управляющего напряжения, как правило, должна быть либо отрицательной, либо должна совпадать с полярностью напряжения на условном аноде. Поэтому часто используется такой метод управления симистором, при котором сигнал на управляющий электрод подаётся с условного анода через токоограничительный резистор и выключатель. Управлять симистором часто удобно, задавая определённую силу тока управляющего электрода, достаточную для отпирания. Некоторые типы симисторов могут отпираться сигналом любой полярности, хотя при этом может потребоваться больший управляющий ток.

Ограничения:

При использовании симистора накладываются ограничения, в частности при нагрузке. Ограничения касаются скорости изменения (dU/dt) между основными электродами симистора и скорости изменения рабочего тока di/dt. Превышение скорости изменения напряжения на симисторе (из-за наличия его внутренней ёмкости), а также величины этого напряжения, могут приводить к нежелательному открыванию симистора. Превышение скорости нарастания тока между основными электродами, а также величины этого тока, может привести к повреждению симистора.

Опасность превышения по скорости нарастания тока заключается в следующем. Благодаря глубокой положительной обратной связи переход симистора в открытое состояние происходит лавинообразно, но, несмотря на это, процесс отпирания может длиться до нескольких микросекунд, в течение которых к симистору оказываются приложены одновременно большие значения тока и напряжения. Поэтому,  несмотря на то, что падение напряжения на полностью открытом симисторе невелико, мгновенная мощность во время открывания симистора может достигнуть большой величины, что может привести к перегреву и повреждению кристалла.

Одним из способов защиты симистора от выбросов напряжения при работе с индуктивной нагрузкой является включение варистора параллельно основным выводам симистора. Для защиты симистора от превышения скорости изменения напряжения применяют так называемую снабберную RC-цепочку, подключаемую аналогично.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3. Устройство и принцип действия полевого транзистора с изолированным затвором и встроенным каналом p – типа.

Полевой транзистор – это электропреобразовательный прибор, в котором ток, протекающий через канал, управляется электрическим полем, возникающим при приложении напряжения  между затвором и истоком, и который предназначен для усиления мощности электромагнитных колебаний.

К классу полевых относят транзисторы, принцип действия которых основан на использовании носителей заряда только одного знака (электронов или дырок). Управление током в полевых транзисторах осуществляется изменением проводимости канала, через который протекает ток транзистора под воздействием электрического поля. Вследствие этого транзисторы называют полевыми.

По способу создания канала различают полевые транзисторы с затвором в виде управляющего р-n- перехода и с изолированным затвором (МДП - или МОП - транзисторы): встроенным каналом и индуцированным каналом.

В зависимости от проводимости канала полевые транзисторы делятся на: полевые транзисторы с каналом р- типа и n- типа. Канал р- типа обладает дырочной проводимостью, а n- типа – электронной.

Полевой транзистор с изолированным затвором (МДП - транзистор) – это полевой транзистор, затвор которого отделен в электрическом отношении от канала слоем диэлектрика. МДП - транзисторы (структура: металл-диэлектрик-полупроводник) выполняют из кремния. В качестве диэлектрика используют окисел кремния SiO2. отсюда другое название этих транзисторов – МОП - транзисторы (структура: металл-окисел-полупроводник). Наличие диэлектрика обеспечивает высокое входное сопротивление  рассматриваемых транзисторов (1012 … 1014Ом).

Принцип действия МДП - транзисторов основан на эффекте изменения проводимости приповерхностного слоя полупроводника на границе с диэлектриком под воздействием поперечного электрического поля. Приповерхностный слой полупроводника является токопроводящим каналом этих транзисторов. МДП - транзисторы выполняют двух типов – со встроенным и с индуцированным каналом.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4. Фотодиод: определение, условно-графическое обозначение, принцип работы, характеристики, параметры и назначение.

Фотодио́д или пиксел — приёмник оптического излучения, который преобразует свет в электрический заряд за счёт процессов в p-n-переходе в его фоточувствительной области.

Фотодиоды, формируемые, например, в матрицах (фото), связанные электронной схемой в самих матрицах или вне матриц и выполняющие свои функции фотодатчиков называются пикселами. Изготавливаемые матрицы по периферии пластины содержат неработающие фотодиоды, выполняя технологические функции в пластинах матриц при дальнейшей операции изготовления основного продукта фотодатчика — фотосенсора.

Фотодиод, работа которого основана на фотовольтаическом эффекте (разделение электронов и дырок в p- и n- области, за счёт чего образуется заряд (ЭДС)) называется солнечным элементом. Кроме p-n фотодиодов существуют и p-i-n фотодиоды, в которых между слоями p- и n- находится слой изолятора i. p-n и p-i-n фотодиоды только преобразуют свет в электрический ток, но не усиливают его, в отличие от лавинных фотодиодов и фототранзисторов.

Рисунок 4 - Условно-графическое обозначение фотодиода

Принцип работы.

При воздействии квантов излучения в базе происходит генерация свободных носителей, которые устремляются к границе p-n-перехода. Ширина базы (n-область) делается такой, чтобы дырки не успевали рекомбинировать до перехода в p-область. Ток фотодиода определяется током неосновных носителей - дрейфовым током. Быстродействие фотодиода определяется скоростью разделения носителей полем p-n-перехода и емкостью p-n-перехода Cp-n

Фотодиод может работать в двух режимах:

- фотогальванический - без внешнего напряжения;

  -фотодиодный - с внешним обратным напряжением .

Особенности:

  -простота технологии изготовления и структур ;

- сочетание высокой фоточувствительности и быстродействия ;

- малое сопротивление базы ;