Силовая электроника
К.т.н., доцент кафедры ЭПС Третьяков Евгений Александрович
Лекции Лабораторные работы
Контроль самостоятельной работы Зачет
https://yadi.sk/d/-HS5ADCtKGGoNA
1
1 Полупроводниковые приборы |
1.1 Электропроводность полупроводников |
Силовая электроника
1.Полупроводниковые приборы
1.1Электропроводность полупроводников
Полупроводники – это вещества, занимающие промежуточное положение между металлами и диалеткриками по электропровод- ности (удельное эл. сопротивление 10-6 – 105 Ом·см ).
Электропроводность полупроводников (п/п) значительно зависит от внешних воздействий: нагревания, магнитных полей, давления, содержания незначительного количества примесей.
В твердых телах атомы вещества могут образовывать кристаллическою решетку, когда соседние атомы удерживаются межатомными силами на определенном расстоянии друг от друга в точках равновесия сил (узлах решетки).
Носителями заряда в полупроводниках являются электроны (отриц.) и дырки (положит. заряд).
2
1 Полупроводниковые приборы |
1.1 Электропроводность полупроводников |
Разрешенные уровни (орбиты) расщеплены на несколько подуровней, которые образуют энергетические зоны (разрешенные для электрона). Электроны верхней валентной
зоны могут взаимодействовать с соседними атомами , создавая молекулярные связи.
Для того, чтобы электрон смог разорвать ковалентную связь и стать свободным, он должен получить энергию, большую ширины запрещённой зоны.
Наиболее распространёнными п/п ма- |
Энергия |
|
териалами являются: германий, кремний, |
||
|
||
арсенид галлия (Ge, Si, GaAs) - IV валентн. |
|
|
Процесс возникновения пары носителей |
||
называется генерацией пары носителей. |
|
|
Процесс исчезновения пары носителей |
|
|
называется рекомбинацией пары носителей. Дырка – узел решетки в валентной зоне,
лишенный одного из электронов.
Частично заполнена электронами
Вся заполнена электронами
1 Полупроводниковые приборы |
1.1 Электропроводность полупроводников |
Кристаллы с не заполненной валентной зоной – проводники, с заполненной валентной зоной – диэлектрики.
Внешнее воздействие (свет, температура, электрическое поле) могут порвать валентные
связи между атомами(электрон уходит в зону проводимости) и на его месте образуется дырка, которую может заполнить другой электрон, образуя другую дырку и.т.д.
Движение дырок – это тоже ток.
Кристалл p-типа и n-типа электрически нейтрален, т.к. избы- точный заряд основных носителей уравновешивается зарядом ионов примесей.
Проводимость полупроводника за счёт собственных носителей заряда называется собственной проводимостью проводника. При этом концентрация электронов и дырок равны.
Примесные полупроводники – часть атомов основного
материала замещена атомами другого материала. Легирование – процесс внесения примесей в п/п. 4
1 Полупроводниковые приборы |
1.1 Электропроводность полупроводников |
При введении V валентных примесей (сурьма, мышьяк As, фосфор) один электрон остается свободным, поэтому концентрация электронов будет больше концентрации дырок – донорная примесь, а п/п – n-типа (электроны - основные носители заряда). Один электрон лишний. Электрон –
основной носитель заряда, а дырки –
не основной. W
n-тип
ЗП
Уровень доноров
ВЗ
Зонная диаграмма |
Уровень Ферми |
полупроводников |
смещен к ЗП |
5
1 Полупроводниковые приборы |
1.1 Электропроводность полупроводников |
При введении III валентных примесей (бор, алюминий, индий) одного электрона не хватает для восстановления ковалентных связей и образуется дырка, поэтому концентрация дырок будет больше концентрации электронов – акцепторная
примесь, а п/п – p-типа (дырки - основные носители заряда). Одна валентная связь отсутствует –
избыток дырок. Дырка – основной носитель заряда, а электрон – не основной.
Wр - тип
ЗП
Уровень акцепторов
Wf 
ВЗ
Уровень Ферми |
Зонная диаграмма |
6 |
смещен к ВЗ |
полупроводников |
|
1 Полупроводниковые приборы |
1.1 Электропроводность полупроводников |
В полупроводнике n-типа имеются положительные ионы (потерявшие электроны атомы примеси) + , которые находятся в узлах решетки и имеют практически нулевую подвижность.
В полупроводнике р-типа имеются отрицательные ионы - (присоединившие электрон).
Кристалл p-типа и n-типа электрически нейтрален, т.к. избыточный заряд основных носителей уравновешивается зарядом ионов примесей.
При очень больших концентрациях примесей в полупроводниках уровень Ферми может входить за пределы запрещенной зоны. Либо в зону проводимости(n-тип), либо в валентную зону (р - тип) - вырожденные полупроводники.
Дрейфовый ток – это ток, обусловленный действием внешнего электрического поля.
Диффузионный ток – это ток обусловленный разностью концентраций носителей заряда между двумя областями твердого
тела. |
7 |
|
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 8
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 9
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 |
|||
|
10 |
||
барьера. |
|
||
|
|
||