1 Полупроводниковые приборы |
1.2 Электронно-дырочный переход |
1.2 Электронно-дырочный переход
1.2.1. Образование электронно-дырочного перехода
Ввиду неравномерной концентрации на границе раздела p и n п/п возникает диффузионный ток, за счёт которого электроны из n-области переходят в p-область, где их концентрация ниже, а на их месте остаются некомпенсированные заряды положительных ионов донорной примеси. Электроны, приходящие в p-область, рекомбинируют с дырками, и возникают некомпенсированные заряды отрицательных ионов акцепторной примеси.
|
Дырки |
Ионы примесей |
||||
|
p |
|
n |
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Eзапир 1
1 Полупроводниковые приборы |
1.2 Электронно-дырочный переход |
По обе стороны pn перехода образуется слой с пониженной концентрацией подвижных носителей – обеднённый слой.
Электрическое поле обусловливает контактную разность потенциалов между n и p областями, т.е. потенциальный барьер (0,6 – 1,2 В).
Для перемещения основных носителей заряда через потенциальный барьер необходима дополнительная энергия. А не основные носители заряда из этой зоны будут выбрасываться с ускорением в свои зоны – это дрейфовый ток.
Баланс токов в равновесном состоянии 2
1 Полупроводниковые приборы |
1.2 Электронно-дырочный переход |
1.2.2.Прямое включение pn перехода |
Uпр |
||
Из-за встречного включения |
|
||
снижается потенциальный барьер |
Iпр |
|
|
и увеличивается диффузионный |
|
||
ток (прямой ток) основных носи- |
p |
n |
|
телей заряда через переход в |
|||
|
|
||
область, где они неосновные, – |
|
|
|
инжекция носителей. |
|
|
|
Дрейфовый ток неосновных |
|
Eзапир |
|
носителей мал (обратный ток). |
|
||
Iдиф |
|
||
В этом случае говорят, что pn- |
IдрpUпр |
||
переход открыт. |
|
||
1.2.3. Обратное включение |
Iпр = Iдиф – Iдр >0 |
||
pn- перехода |
|||
Обратное смещение перехода |
Nакц |
> Nдон ; pp > pn . |
|
приводит к росту потенциального |
|||
|
3 |
||
барьера. |
|
||
|
|
||
1 Полупроводниковые приборы |
1.2 Электронно-дырочный переход |
Через переход протекает ток неосновных носителей заряда, обусловленных примесями, (обратный ток): ток дырок из n области в p- слой и электронов
из p в n- слой.
Обратный ток значительно меньше прямого тока, поэтому можно говорить об однонаправленности перехода, т.е. о его выпрямляющем
действии.
Обратное включение перехода приводит к расширению запирающего слоя. Переход закрыт
1.2.4. Вольт-амперная характеристка pn - перехода
Uобр
p 
n
|
Eзапир |
Iдиф |
Iдрp Uобр |
Iобр = Iдиф – Iдр = - Iдр
Nакц > Nдон ; pp > pn .
Зависимость тока через переход от приложенного напряжения.4
1 Полупроводниковые приборы |
|
1.2 Электропроводность полупроводников |
|||
При малом прямом напряжении |
Iпр, А |
|
|
||
10 |
|
|
|||
протекает большой прямой ток, при |
|
|
|||
|
|
|
|||
больших обратных напряжениях – малый |
|
|
|||
тепловой ток. |
U , В |
Iобр |
|
|
|
|
|
|
|||
При достижении |
обр |
|
|
|
|
-200 |
0,5 |
Uпр, В |
|||
обратным напряжением |
|||||
некоторого критичес- |
Участок |
2 |
|
|
|
электрического |
|
|
|||
кого значения обратный |
|
|
|
||
пробоя |
|
|
|
||
ток возрастает. Этот |
|
|
|
|
|
режим называется |
Участок |
Iобр, мА |
|
|
|
теплового |
|
|
|||
пробоем р-п-перехода. |
пробоя |
|
|
|
|
С практической точки зрения целесообразно различать два вида пробоя p-n перехода: электрический и тепловой.
При увеличении обратного напряжения энергия электрического поля становится достаточной для генерации носителей заряда. Это приводит к сильному увеличению обратного тока.
Явление сильного увеличения обратного тока при определённом |
|
обратном напряжении называется электрическим пробоем. |
5 |
|
|
Электрический пробой не опасен для pn-перехода: при отключении источника обратного напряжения вентильные свойства электронно-дырочного перехода полностью восстанавливаются.
Тепловой пробой приводит к разрушению кристалла и является аварийным режимом.
1.3. Полупроводниковые диоды
Полупроводниковым диодом называют полупроводниковый прибор с одним p-n-переходом и двумя выводами, в котором используются свойства перехода.
Диод как элемент электрической цепи представляет собой нелинейный резистор, активное сопротивление которого
зависит от величины и полярности приложенного напряжения Если к диоду приложить напряжение, то в зависимости от его
величины и полярности изменится ширина обедненного слоя. Направление, в котором диод имеет малое сопротивление,
называется прямым.
6
1 Полупроводниковые приборы |
1.3 Полупроводниковые диоды |
Различают следующие основные типы силовых диодов:
|
Полупроводниковые диоды |
|
|
– низкочастотные (выпрямительные), используемые для |
|||
применения на промышленной частоте; |
|
|
|
– |
быстровосстанавливающиеся, |
применяемые |
в |
Выпрямительные |
Светодиоды |
|
|
высокочастотных схемах, а также в тех случаях, когда требуются |
|||
диоды с малым временем обратного восстановления; |
|||
используются в управляемых ключах; |
ВЧ-диоды |
|
|
Стабилитроны |
|
||
– диоды Шоттки, обладающие весьма низким прямым |
|||
падением напряжения (типичное значение порядка 0,3 В), что |
|||
важно для преобразователей с очень малым выходным |
|||
Туннельные |
Обращенные |
|
|
напряжением; |
|
|
|
– диоды Зенера, которые широко применяют в качестве |
|||
стабилитронов. |
Фотодиоды |
|
|
Варикапы |
|
|
|
7
1 Полупроводниковые приборы |
1.3 Полупроводниковые диоды |
Соответственно ток, протекающий через диод, в зависимости от полярности приложенного напряжения называется прямым (iF)
или обратным (iR).
а – обратное смещение диода; б – прямое |
а – условное |
смещение диода |
обозначение; б – схема |
|
полупроводниковой |
|
структуры диода |
8
1 Полупроводниковые приборы |
|
|
1.3 Полупроводниковые диоды |
|||||
|
Вольт-амперная характеристика и параметры |
|||||||
|
|
|
|
силового диода |
|
|
|
|
|
(в импульсных (мгновенных) значениях IF (UF)) |
|||||||
|
|
|
|
iF ,А |
|
|
|
|
|
|
|
|
2000 |
UFM |
|
N |
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
L |
|
|
|
max |
|
|
1500 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
rT = ∆uF |
|
||
|
|
|
1000 |
|
|
|
||
|
FAV |
|
|
|
|
|
||
|
3 maxFAV |
|
|
|
|
∆iF |
|
|
|
41,5πI |
0,5πIFAVmax 500 |
K |
|
|
|||
uR,кВ |
D |
|
||||||
2 |
1 |
|
|
|||||
|
|
πI |
|
|
|
|
|
|
|
|
URWM=(0,6 – 0,8)URRM |
25 1 |
2 |
3 |
uF ,В |
||
|
|
UТО |
|
|
|
|||
|
|
URRM=(0,75 – 0,85)UBR |
50 |
|
|
|
||
|
|
URSM =1,16 URRM |
75 |
|
|
|
||
|
|
|
UBR |
|
100 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
9 |
|
|
|
|
|
|
iR ,mА |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 Полупроводниковые приборы |
1.3 Полупроводниковые диоды |
|
|
Прямая ветвь ВАХ аппроксимируется по точкам К и L, |
||
полученным при |
значениях прямого тока 0,5πIFAV |
||
и 1,5πIFAV.
Рабочие характеристики диода в прямом направлении
Прямой ток диода – ток, протекающий через диод в прямом направлении, оценивается двумя величинами: iF – мгновенным
значением тока и IFAV – среднеарифметическим значением тока. UTO – пороговое напряжение включения диода.
UF – прямое падение напряжения на силовом диоде
определяется как напряжение, возникающее между двумя основными контактными выводами диода, при протекании определенного прямого тока через диод.
IFAVM – максимально допустимый средний ток в прямом
направлении, определяется как наибольшее допустимое среднее значение тока в прямом направлении через диод, включенный в однофазную резистивную цепь за полупериод с частотой от 4010 до 60 Гц.