- •Сборник лекций к дисциплинам:
- •§1. Краткие сведения по квантовой механике
- •§2. Уравнение Шредингера
- •§3. Энергетические состояния электронов в водородоподобных системах
- •Раздел 1. Основы физики полупроводников
- •1.1. Полупроводники
- •Энергетические (зонные) диаграммы полупроводников.
- •Уровень Ферми
- •Физические процессы в полупроводниках
- •Беспримесный полупроводник.
- •Процесс генерации пар зарядов.
- •Примеси в полупроводниках.
- •Электронный полупроводник (n-типа)
- •Дырочный полупроводник (р-типа).
- •1.2 Типы рекомбинации
- •1.3. Электронно-дырочный переход. §1. Классификация. Методы изготовления.
- •§2. Свойства р-n-перехода.
- •Учет дополнительных факторов, влияющих на вольт-амперную характеристику диода. Пробой.
- •Импульсные свойства р-n перехода. (динамические процессы в р-n-переходе)
- •Раздел 2. Полупроводниковые приборы
- •2.1. Полупроводниковые диоды
- •§ 1. Выпрямительные диоды.
- •§2. Высокочастотные диоды.
- •§ 3. Импульсные диоды.
- •§ 4. Сверхвысокочастотные диоды.
- •§ 5. Стабилитроны.
- •§ 6. Варикапы.
- •§ 8. Обращенные диоды.
- •§ 8. Система обозначений полупроводниковых диодов.
- •§ 9. Рабочий режим диода.
- •2.2. Биполярные транзисторы § 1. Общие сведения. Устройство.
- •§ 2. Физические процессы, протекающие вVt. ТокиVt.
- •§3. Основные схемы включения транзисторов.
- •§4 Влияние температуры на статические характеристикиVTа.
- •§5 Эквивалентные схемы замещения транзистора.
- •§6 Представление транзистора в виде четырехполюсника и системы статистических параметров.
- •2.3 Полевые транзисторы §1. Полевые транзисторы с управляющим переходом.
- •§2. Статические характеристики полевого транзистора с управляющимp-n-переходом.
- •§3. Полевые транзисторы с изолированным затвором.
- •2.4. Тиристоры (vs)
- •§ 1. Принцип действия.
- •§ 2. Математический анализ работы тиристора (не нужно).
- •§ 3. Вольт – амперная характеристика тиристора.
- •§ 4. Типы тиристоров.
- •§ 5. Особенности работы и параметры тиристоров.
- •2.5. Оптоэлектронные полупроводниковые приоры. Полупроводниковые излучатели
- •Фотоприемники (общие сведения)
- •Фоторезисторы
- •Фотодиоды
- •Фотоэлементы
- •Фототранзисторы
- •Фототиристоры
- •Оптроны
- •2.6. Интегральные микросхемы
- •Раздел 3. Усилители §1. Анализ процесса усиления электрических сигналов
- •§2. Работа уэ с нагрузкой. Динамические х-ки.
- •Нагруз. Линии у и их построение.
- •Сквозная характеристика у на биполярномVt.
- •Общие сведения.
- •Классификация у.
- •§4 Основные параметры и характеристики усилителей.
- •§5 Обратная связь в усилителях.
- •Режимы работы уэ.
- •Раздел 4. Операционные усилители Общие сведения
- •Инвертирующий усилитель
- •Интегратор
- •Содержание
Импульсные свойства р-n перехода. (динамические процессы в р-n-переходе)
Ёмкость р-n-перехода
Инжекция неосновных носителей заряда в случае приложения к р-n-переходу прямого напряжения и экстракция неосновных носителей заряда в случае приложения к переходу обратного напряжения приводят к изменению по сравнению с равновесными концентраций носителей заряда вблизи перехода. Изменение величины приложенного внешнего напряжения вызывает изменение распределения избыточных носителей вблизи перехода, а следовательно, величины суммарного объёмного заряда. Это явление напоминает процессы в обычном конденсаторе, в котором изменение напряжения, приложенного к обкладкам, вызывает изменение накопленного заряда по закону ∆q=С∆U. Поэтому принято считать, что р-n-переход обладает емкостными свойствами или просто ёмкостью. Ёмкость р-n-перехода оказывает чрезвычайно важное влияние на его импульсные свойства.
Емкостные свойства р-n-перехода различны при прямом и обратном смещениях. Так, при прямом смещении они обусловлены главным образом накоплением избыточных концентраций неосновных носителей заряда в р- иn-областях и характеризуются так называемойдиффузионной емкостью, которая определяется выражением
, (2.1)
где S– площадь р-n-перехода;pn,np– равновесные концентрации дырок вn-области и электронов в р-области;Lp,Le– диффузионные длины дырок вn-области и электронов в р-области;U– внешнее напряжение, приложенное к р-nпереходу; Т – температура полупроводника;k– постоянная Больцмана; е – заряд электрона.
Из уравнения (2.1) видно, что с увеличением прямого напряжения (U>0) диффузионная ёмкость р-n-перехода быстро возрастает. При обратном смещении (U<0) диффузионная ёмкость уменьшается, и при достаточно большой величине обратного напряжения ее можно считать равной нулю.
При обратном смещении емкостные свойства р-n-перехода обусловлены образованием областей объемных зарядов ионизированных примесных атомов и характеризуются так называемойбарьерной ёмкостью, которая для резкого р-n-перехода определяется выражением
, (2.2)
где Na,Nд– концентрации атомов акцепторной примеси в р-области и донорной примеси вn-области, соответственно;UK– контактная разность потенциалов р-nперехода;- относительная диэлектрическая проницаемость полупроводника;0– электрическая постоянная.
Из выражения (2.2) следует, что барьерная ёмкость тем больше, чем выше концентрации примесей в полупроводнике и чем меньше напряжение, приложенное к переходу. Учитывать барьерную ёмкость особенно важно при достаточно больших обратных смещениях р-nперехода, так как диффузионная емкость при этом практически равна нулю. При прямом смещении барьерная емкость значительно меньше диффузионной.
Для анализа динамических процессов в р-n-переходе пользуются его эквивалентной схемой замещения, представленной на рис.2.1. Схема содержит два конденсатора Сбари Сдиф, отражающих барьерную и диффузионную ёмкости р-n-перехода, а также два резистораRdиRб. Первый из них отражает электропроводность области объёмных зарядов р-nперехода, а второй – электропроводность р- иn- областей полупроводника, носящих название базы. Характерно, что все элементы в схеме на рис.2.1 являются нелинейными, их параметры зависят от величины и знака приложенного напряженияUд.
Зависимости Сбари Сдифот напряжения рассмотрены выше. СопротивлениеRdпри большом обратном напряжении велико, т.к. в области объёмных зарядов практически отсутствуют подвижные носители. При подаче на р-n-переход прямого напряжения область объёмных зарядов, во первых, сужается, а во вторых, обогащается подвижными носителями, что приводит к резкому снижению величиныRd.
Сопротивление Rбзависит от приложенного напряжения слабее, чемRd. Тем не менее при обратном смещении оно больше из-за экстракции неосновных носителей, а при прямом смещении оно меньше из-за инжекции неосновных носителей в р- иn-области полупроводника.
Переходные процессы в р-n-переходе при подаче прямого напряжения
Рассмотрим переходные процессы в р-n-переходе на примере полупроводникового диода, включенного по схеме, приведённой на рис.2.2. Условимся также, что параметры схемы таковы, что при подаче напряжения Е положительной полярности величина токаIв цепи не зависит от процессов, происходящих в диоде. Это возможно в том случае, если сопротивлениеRзначительно больше суммарного сопротивления диода (R>>RVD). Тогда прямой ток будет определяться сопротивлением R.
Наглядное представление о характере происходящих при подаче прямого напряжения переходных процессов дают временные диаграммы напряжений и токов, приведённые на рис.2.3. Проанализируем их.
|
Uд=U+Uб
При подаче на вход схемы скачком напряжения Е(t) положительной полярности (рис.2.3,а) ток через диод также скачком нарастает до величиныI+=E/R(рис.2.3,б).
В начальный момент времени полное падение напряжения на диоде Uд(рис.2.3,д) равно падению напряженияUбна сопротивлении базыRб(рис.2.3,г) и определяется величиной токаI+
Uд (0)=Uб (0)=U1 = Rб I+ (2.3)
Напряжение Uна р-n-переходе (рис.2.3,в) при этом равно нулю, т.к. он шунтирован ёмкостью, напряжение на которой, как следует из второго закона коммутации, не может измениться скачком.
По мере диффузии неосновных носителей заряда в базу её сопротивление уменьшается, а следовательно, уменьшается и падение напряжения на ней (рис.2.3,г).В то же время напряжение на р-n-переходе возрастает, так как ёмкость р-n-перехода заряжается. Полное падение напряжения на диоде определяется суммой напряженийUбиUи изменяется по закону, показанному на рис.2.3,д.
Если Величина начального скачка напряжения базы U1 больше установившегося значения (U2) (это возможно при больших занчениях тока I+), то этот режим называется режимом с высоким уровнем инжекции и соответствует сплошной линии рис.2.3д.
Если величина тока I+невелика, то уровень инжекции неосновных носителей заряда в р-n-переходе низок, а сопротивление базыRбизменяется незначительно. Диаграмма напряженияUбв этом случае практически повторяет диаграмму токаI(рис.2.3,б), а на диаграмме суммарного напряжения на диодеUдотсутствует первоначальный пикU1, как это показано на рис.2.3,д пунктиром.
Переходные процессы в р-n-переходе при выключении диода
Выключение диода может быть достигнуто либо уменьшением входного напряжения до нуля, либо подачей входного напряжения обратной полярности. Рассмотрим вначале переходные процессы, возникающие в р-n-переходе при снятии скачком входного напряжения. Временные диаграммы этих процессов также представлены на рис.2.3.
В момент tu(рис.2.3,а), когда входное напряжение Е скачком уменьшается до нуля, также скачком уменьшаются до нуля ток диодаI(рис.2.3,б) и падение напряженияUбна сопротивлении базы (рис.2.3,г). В то же время напряжениеUна р-n-переходе скачком измениться не может, так как не могут измениться скачком концентрации неосновных носителей заряда в р- иn-областях. Накопленные вблизи границ р-n-перехода избыточные неосновные носители заряда постепенно рассасываются путём диффузии вглубь базы и рекомбинации там с основными носителями. Ёмкость р-nперехода постепенно разряжается и напряжение на переходе падает (рис.2.3,в). Полное падение напряжения на диоде (рис.2.3,д) при этом равняется падению напряжения на р-n-переходе.
Анализ показывает, что описанный выше процесс снижения напряжения на p-n-переходе подчиняется приближённому закону
(2.4)
где U3– напряжение на р-nпереходе в момент снятия внешнего напряжения (рис.2.3,в); τр– время жизни неосновных носителей заряда в полупроводнике.
Из уравнения (2.4) следует, что напряжение на р-nпереходе уменьшается практически линейно. Это обстоятельство используют для экспериментального определения времени жизни неосновных носителей заряда в базе диода. Величинаропределяется по наклону линейного участкаU(t) по формуле:
(2.5)
где tиUпоказаны на рис.2.3,д.
Следует отметить, что время жизни неосновных носителей заряда зависит от уровня инжекции, которая определяется величиной напряжения Е, приложенного к р-n-переходу. При низком уровне инжекции время жизни практически постоянно, а при высоком уровне инжекции оно изменяется.
Измерение напряжения U3на р-n-переходе, которое часто называют послеинжекционным, в зависимости от величины прямого тока через диод позволяет найти контактную разность потенциалов на р-n-переходе. С увеличением амплитуды импульсов прямого тока величинаU3стремится к постоянному значению, приближающемуся к контактной разности потенциаловUk.
|
В момент t0входное напряжение скачком изменяется от положительного значения Е+до отрицательного значения Е-(рис.2.4,а). Поскольку концентрация неосновных носителей в р- иn- областях диода не может измениться мгновенно, то с момента переключения накопленные неосновные носители начинают диффундировать через р-n-переход в обратном направлении. При этом через диод протекает обратный ток, который может быть довольно значительным. Величина обратного токаI-ограничивается в основном только сопротивлением внешней цепиR(рис.2.2).
Протекание обратного тока сопровождается уменьшением избыточных концентраций неосновных носителей в р- и n-областях, но до тех пор, пока эти концентрации на границах р-n-перехода выше равновесных, обратный ток постоянен (ступенька на рис.2.4,б). Длительностьtстэтой ступеньки может быть найдена по формуле
, (2.6)
где функция, стоящая в левой части, называется интегралом вероятности. Ее график приведен на рис.2.5. Аналитически ее можно аппроксимировать функцией
, где. (2.7)
Уравнение (2.6) используется для экспериментального определения времени жизни τРнеосновных носителей заряда в базе. Для этого по диаграмме тока диода (рис.2.4,б) измеряютсяtсти отношениеI- /I+, подстановка которых в формулу (2.6) позволяет найти τР.
В момент t1(рис.2.4,в) концентрация неосновных носителей заряда на границах р-n-перехода достигает равновесного значения, вследствие чего напряжение на переходе обращается в нуль. С этого момента на р-n-переходе появляется обратное смещение, растущее с течением времени и достигающее в конце концов значения приложенного внешнего напряжения. Кроме того, с моментаt1концентрация неосновных носителей на границах р-n-перехода становится ниже равновесной, зона перехода обедняется носителями, что приводит к снижению обратного тока, который в конце концов достигает величины обратного тока насыщения (рис.2.4,б).
Характер напряжения на сопротивлении базы (рис.2.4,г) определяется характером тока через диод. Полное падение напряжения на диоде (рис.2.4,д) представляет собой сумму напряжений на р-n-переходе и на сопротивлении базы.
Переходные процессы, происходящие при переключении напряжения на р-n-переходе, определяют его быстродействие – основной параметр полупроводниковых приборов, используемых в схемах импульсной и вычислительной техники. Для увеличения быстродействия р-n-перехода необходимо уменьшать его ёмкость и время жизни неосновных носителей заряда. Первое достигается изготовлением р-n-переходов с как можно меньшей площадью, второе – использованием материалов с высокой скоростью рекомбинации.