Vse_lektsii

22

Вне контактной области, где поля нет, свободные частицы движутся хаотично. Количество этих частиц, наталкивающихся на контакт за единицу времени, зависит от их концентрации и скорости и площади контакта.

Если в слой объёмных зарядов влетает неосновной носитель, то контактное поле «подхватывает» его и «перебрасывает» в другую область. Неосновные носители как бы «скатываются» вниз с потенциального барьера.

Основные носители, наоборот, должны «взобраться» на барьер, чтобы пройти через переход. Для этого они должны обладать кинетической энергией, превышающей высоту барьера. Доля таких частиц очень мала.

Это ток основных носителей. Ток неосновных носителей – отрицательный.

Высота потенциального барьера е.∆φ в условии равновесия примерно равна запрещённой зоне полупроводника. Она устанавливается автоматически так, чтобы суммарный ток через переход основных и неосновных носителей был равен нулю:

I0 – слабозависящая от температуры постоянная величина.

Лекция 22

Вольт – амперная характеристика идеального р-п-перехода (идеального полупроводникового диода)

Для включения р-п-перехода в электрическую цепь на кристалл с обеих сторон наносят специально изготовленные контакты, имеющие очень малое сопротивление. В результате получают полупроводниковый диод.

Если к диоду подключить источник электропитания, то через него будет протекать ток I , зависящий от подаваемого напряжения U.

В зависимости от значения и полярности питающего напряжения изменяется высота барьера в р-п-переходе при неизменной полярности двойного слоя зарядов.

Ток неосновных носителей «скатывающихся» с барьера остаётся постоянным при изменении высоты барьера, а ток основных носителей «взбирающихся» на барьер, очень чувствителен к его высоте: – при

23

повышении барьера он быстро уменьшается до нуля, а при понижении барьера может возрасти на несколько порядков.

высота энергетического порога увеличивается до e U . Ток основных

носителей уменьшается, при практически неизменном токе неосновных носителей, который лимитируется очень малым числом неосновных носителей.

24

При некоторых значениях отрицательного напряжения U ток через р-п-переход стремится к насыщению: IНАС= IНЕОСН .

При очень больших значениях обратного напряжения может произойти пробой р-п-перехода : UC – напряжение пробоя.

При пробое полупроводника, так же как и при пробое диэлектрика очень большая напряжённость электрического поля ускоряет электрон на очень малом расстоянии до энергий, способных выбить другой электрон из ковалентной связи, что вскоре приводит к образованию электронной лавины. Явление пробоя можно использовать в полупроводниковых стабилизаторах напряжения.

а) – прямое включение: дырки и электроны всё время подходят к границе раздела, где рекомбинируют.

б) – обратное включение: дырки и электроны ушли от границы раздела и их больше нет.

Выпрямление тока и детектирование сигналов

25

Для этих целей испльзуют устройство, называемое полупроводниковым диодом, главная часть которого р-п-переход.

а) однофазный выпрямитель

Если на вход подать синусоидальный сигнал, то диод пропустит только положительные полуволны синусоиды. На выходе сигнал будет иметь вид, как на рисунке справа. Чтобы получить огибающую сигнала, используют дополнительный конденсатор С , который при зарядке и разрядке сглаживает острые полуволны. По такой схеме работают простейшие выпрямители напряжения и детекторы радиосигналов – устройства, позволяющие выделить огибающую высокочастотного сигнала, несущую полезную информацию.

б) однофазный выпрямитель с диодным мостиком

в) трёхфазное выпрямление по схеме Ларионова (пульсации < 6%)

27

полупроводники, в которых обеспечивается очень высокая концентрация основных носителей. В таких полупроводниках можно обеспечивать условие инверсной заселённости (много электронов (N2el) в возбуждённом состоянии

имало в основном состоянии (N1el)) в области р-п-перехода.

Вкачестве зеркал лазерного резонатора используют отполированные торцы самого полупроводникового кристалла. Одно из них делают частично прозрачным (нижнее на рисунке) для выхода излучения из резонатора.

Лазерные диоды – миниатюрны, экономичны, обеспечивают достаточно сильный световой поток. Их используют в оптических устройствах записи и чтения информации, лазерных принтерах, системах передачи информации по световолоконным кабелям и т.д.

Источники тока на р-п-переходе 1) Полупроводниковые солнечные элементы.

Поглощённый в области р-п-перехода квант электромагнитного излучения создаёт пару электрон-дырка. Электрическое поле перемещает электрон в п-область, а дырку в р-область.

При постоянном облучении р-п-перехода потоком фотонов в р- области накапливаются дырки, а в п-области накапливаются электроны и в цепи через нагрузку начинает течь ток.

Технически полупроводниковые солнечные элементы обычно получают в виде пластины полупроводника р-типа, на которую нанесён тонкий прозрачный слой металла, который можно считать аналогом полупроводника п-типа. Затем на слой металла наносят прозрачное защитное покрытие. Один элемент обычно обеспечивает напряжение порядка долей вольта и ток в несколько миллиампер. Для обеспечения необходимой мощности элементы соединяют последовательно и параллельно в батарею большой площади.

29

своим параметрам, но кристаллы р-п-р-типа применяются чаще, потому, что они проще в изготовлении.

Оба р-п-перехода соединяют с двумя источниками тока. При этом переход «эмиттер-база» включают в прямом (пропускном) направлении, а переход «коллектор-база» - в обратном (запирающем).

Пока цепь эмиттера разомкнута, в цепи коллектора ток очень мал. Как только замыкают цепь эмиттера, «дырки» - основные носители эмиттера – переходят из него в очень узкую (10 15мкм) п-область базы, откуда большая их часть ( 95 99% ) проходят в р-область к коллектору, образуя коллекторный ток. Остальные дырки образуют ток базы.

IЭ – IБ – IК = 0

(Принято ток, направленный к транзистору, считать положительным).

Схема с общей базой

IK = A.IЭ, где А = 0,95 – 0,995 –

коэффициент усиления по току.

IЭU КБ ~ IЭU ЭБ

Транзистор в схеме с общей базой работает как усилитель мощности т.е. небольшие изменения входной мощности вызывают большие изменения выходной мощности.

Схема с общим эмиттером (применяется наиболее часто)

В – коэффициент усиления по току в схеме с общим эмиттером.

30

Широкое применение полупроводниковых приборов началось с того, что электронные лампы не стали справляться с высокими частотами в радиолокационной технике.