Приборы с отрицательным сопротивлением

Эти приборы делятся на приборы с отрицательным сопротивлением и проводимостью. Особенностью их является то, что у них существует участок на ВАХ, где наблюдается падение тока при увеличении напряжения или падение напряжения при росте тока.

I I I

а) б) в)

U U U

Приборы с отрицательным сопротивлением: приборы, управляемые напряжением. Для них ток является однозначной функцией напряжения, а зависимость напряжения от тока – неоднозначной характеристикой. Для них характерна зависимость типа а), т.е. характеристика n-типа. Пример: туннельный диод.

Приборы с отрицательной проводимостью управляются током. Для них напряжение однозначно определяется величиной тока, обратная функция неоднозначна. ВАХ типа б), в) или S-образного сопротивления.

Туннельный диод

Это п/п диоды, p-n-переход в которых образован двумя вырожденными п/п – это п/п, концентрация носителей в которых превышает 10¹⁹ ат/см³.

p-n-переход, образованный такими п/п, имеет ряд особенностей:

1. Поскольку концентрация большая, то область ЗС имеет очень малую ширину;

2. Вследствие малой ширины ЗС (порядка 0,02 мкм) возникает новый механизм обмена зарядами в p-n-переходе – эффект туннелирования. При приближении к ЗС частицы испытывают отражение, но часть частиц оказывается за барьером (высота барьера достаточно велика);

3. Атомы примесей в вырожденных п/п, поскольку их очень много, начинают взаимодействовать друг с другом. Следовательно, их энергетическое состояние нельзя характеризовать одним энергетическим уровнем. Энергетические уровни примесных атомов при высокой их концентрации расщепляются в энергетическую зону примесей. Эта зона примесей в случае донорной примеси перекрывается с зоной проводимости, образуя единую энергетическую зону, в случае акцепторной примеси – с валентной зоной. В первом случае уровень Ферми оказывается расположенным выше дна ЗП, в п/п р-типа – ниже потолка ВЗ.

n ЗП p I

ЗП φ_к ЗЗ W_В А

W_Ф ΔW B

W_с U

ВЗ

При образовании p-n-перехода наблюдается картина, при которой потолок ВЗ в п/п р-типа лежит выше дна ЗП W_с в п/п n-типа. В пределах энергетического состояния любому состоянию в ЗП n-п/п соответствует такое же энергетическое состояние в ВЗ p‑п/п и вероятность обнаружения частиц, перешедших из п/п n-типа в п/п p-типа и наоборот за счёт туннельного перехода (т.е без получения энергии, необходимой для преодоления высоты потенциального барьера) будет отлична от 0. В пределах с обеих сторон имеются как занятые электронами, так и не занятые энергетические уровни.

Токи в тд

В состоянии равновесия при отсутствии внешнего напряжения суммарный ток через p-n-переход равен 0. Диффузионное движение частиц, как и в обычном p-n-переходе, компенсируется встречным дрейфовым движением за счёт наличия E_к. Но в отличие от обычного p-n-перехода добавляется равенство 0 туннельного тока, т.е. условие равновесия будет равно:

Туннельное движение электронов, имея в виду, что полученные результаты могут быть применены к движению дырок.

При температуре, равной 0 К, электроны могут занимать уровни до уровня Ферми. При температуре, большей нуля, электроны из ВЗ начинают переходить в ЗП. В этом случае часть энергетических состояний в пределах в п/п обоих типов будет занята, а часть свободна. Эти энергетические уровни расположены примерно одинаково и в ВЗ п/п p-типа и в ЗП п/п n-типа. При отсутствии напряжения это приводит к тому, что вероятность туннельного перехода из п/п n-типа в п/п p-типа и наоборот примерно одинаков. При смещении перехода в обратном направлении интервал перекрытия зон увеличивается на величину eU_обр. Это приводит к тому, что электроны, занимающие более глубокие уровни в ВЗ п/п p-типа окажутся напротив свободных уровней в п/п n-типа. Следовательно, вероятность туннельного перехода электронов из п/п p-типа в п/п n-типа резко возрастает и появляется ток, обусловленный туннельным переходом, быстро растущий при увеличении U_обр.

При приложении прямого напряжения величина _{будет уменьшаться. При уменьшении перекрытия окажется, что свободные уровни ВЗ в п/п p-типа окажутся напротив занятых электронами уровней в п/п n-типа. Вначале это перекрытие неполное, но с увеличением} U_пр оно вначале будет возрастать (участок 0А). При этом свободные уровни в п/п p-типа совпадают с занятыми электронами уровнями в п/п n-типа и I_тун=I_max (А на ВАХ).

При дальнейшем увеличении U_пр перекрытие уменьшается и в точке В достигает 0. Ток минимален.

При данном напряжении p-n-перехода образуется п/п, соответствующий обычному p-n-переходу. Т.е. после точки В ток растёт, как и в обычном диоде.

Тиристоры

Это приборы, образованные 4х-слойными структурами p-n-p-n.

Могут быть 3 основных типов:

• Динисторы (2 вывода)

• Тринисторы (3 вывода)

• Симисторы (проводят ток как при прямом включении, так и при обратном). Тиристорная структура имеет 3 перехода, 2 крайних области называются эмиттерами, а 2 средних – базами.

П1 П2 П3

p1 n1 p2 n2

+ -

U

Динисторы.

Переход П2 обычно считается коллекторным переходом. Динисторы можно рассматривать как 2 включённых навстречу друг другу транзистора.

I p1 n1 p2

I

n1 p2 n2

U

Предположим, что к динистору подключено внешнее напряжение. В этом случае переходы П1 и П3 находятся под прямым смещением, а коллекторный переход П2 – под обратным. Почти всё внешнее напряжение падает на коллекторном переходе П2. Через прибор протекает обратный ток I_к0 обратно смещённого перехода П2. Величина тока очень мало растёт с увеличением напряжения. В этом режиме мало меняется концентрация основных носителей в Б с увеличением напряжения. Приток дырок в Б n1 эмиттера p1 будет примерно равен притоку дырок через К-переход П2 в область p2. Избыточные дырки из области p2 через переход П3 уходят в область n2 и частично компенсируются встречным потоком электронов из этой области.

Условия движения электронов из области n2 аналогично движению дырок.

При увеличении внешнего напряжения до U_вкл такой равновесный процесс нарушается из-за того, что U_обр на переходе П2 достигает величины, при которой начинает развиваться ионизация. Электроны движутся из области p2 в область n1 и дырки перемещаются в обратном направлении, под влиянием э.п. приобретая энергию, достаточную для ударного разрушения валентных связей.

В области перехода П2 будут образовываться новые пары подвижных носителей заряда. Вновь образованные электроны полем перехода П2 будут выбрасываться в область n1, а дырки – в область p2. В результате концентрация основных носителей в этих областях будет увеличиваться. Дырки из области p2, подходя к правому Э-переходу, нейтрализуют там неподвижный отрицательный заряд ионов. Это приводит к снижению потенциального барьера. Поток электронов из области n2 к p2 увеличивается, и будет расти плотность потока электронов через переход П2, а вместе с ним и плотность потока вновь образованных зарядов.

Подобные процессы наблюдаются и в переходе П1, потенциальный барьер которого снижается за счёт увеличения числа электронов в области n1.

Данные процессы развиваются лавинообразно, и ток через прибор резко увеличивается.

I IV