Электротехника и электроника
..pdf
1.Диффузия основных носителей заряда («дырок» из области р- в n-область, электронов – из области n в р-область).
2.Возникает нескомпенсированный заряд ρ, создаваемый слоями ионов.
3.Под воздействием нескомпенсированного заряда возникает электрическое поле p-n перехода – Epn и потенциальный
барьер ϕ (контактная разность потенциалов) с полярностью, препятствующей дальнейшему перемещению основных носителей под действием сил диффузии.
4.Диффузия прекращается (основные носители прекращают движение).
5.Возникает движение неосновных носителей под действием потенциального барьера.
Используя информацию
окристаллическом строении
полупроводников p- и n-типа |
|
процессы в p-n-переходе можно |
|
объяснить следующим образом. |
|
Пятый валентный электрон |
|
примеси полупроводника n-типа |
|
переходит на дефектную кова- |
|
лентную связь примеси полу- |
|
проводника p-типа. В погранич- |
|
ной области n возникает слой |
|
положительных ионов, в погра- |
|
ничной области p – слой отри- |
|
цательных ионов. Таким обра- |
|
зом, в пограничной области не |
Рис. 4.7. К понятию |
стало ни свободных электронов, |
|
ни свободных дырок, поэтому |
p-n-перехода |
она обладает повышенным со- |
|
противлением. |
|
Токи в р-n-переходе: Iдиф – ток диффузии – ток основных носителей; Iпров – ток проводимости (ток дрейфа) – ток неоснов-
131
ных носителей; Ip-n – ток через p-n-переход; Ip-n = Iдиф – Iпров. В установившемся режиме I p−n = 0 .
p-n-переход под воздействием внешнего напряжения
(рис. 4.8, 4.9).
Рис. 4.8. p-n-переход |
Рис. 4.9. p-n-переход |
при прямом включении |
при обратном включении |
При прямом включении р-n-перехода напряжение U подключается плюсом к p, а минусом к n. Так как электрическое поле источника Еист направлено навстречу электрическому полю p-n-перехода, то все эффекты, создаваемые полем р-n-пере-
хода, ослабятся: |
|
|
|
1) сузитсяобластьр-n-перехода(L); |
4) |
Iдиф ↑ ; |
|
2) |
сопротивление R ↓ ; |
5) |
Iпров ↓ ; |
3) |
потенциальный барьер ϕ ↓ ; |
6) |
Ip-n ↑ . |
При обратном включении p-n-перехода (см. рис. 4.9) напряжение U подключается плюсом к n, а минусом к p. Поскольку электрическое поле источника Еист совпадает по направлению с полем р-n-перехода, то все эффекты, создаваемые полем р-n- перехода, будут усилены:
1)расширится область р-n-перехода (L);
2)сопротивление R↑ ;
132
3)потенциальный барьерφ ↑ ;
4)Iдиф ↓ ;
5)Iпров↑ ;
6)Ip-n ↑ , ноненамного, таккакнеосновныхносителеймало.
Вольт-ампернаяхарактеристика(ВАХ) р-n-переходаI = f (U) (рис. 4.10). Поскольку при прямом включении ток создается основными носителями, а при обратном – неосновными, прямой ток много больше обратного. Поскольку обратный ток на участке 0–1 на 3 порядка меньше прямого, то им можно пренебречь и считать, что ток через р-n-переход проходит только в одном направлении (вентильное свойствор-n-перехода).
Пробой p-n-перехода. Пробой – это резкое возрастание обратного тока. На рис. 4.10 1–2 – участок электрического пробоя (увеличение тока связано с увеличением носителей зарядов под действием ударной ионизации нейтральных атомов движущимися электронами); 2–3 – участок теплового пробоя (увеличение тока связано с термогенерацией носителей зарядов).
Электрический пробой обратим, а тепловой нет.
Рис. 4.10. ВАХ p-n-перехода
133
Основные свойства р-n-перехода:
1.Повышенное сопротивление.
2.Вентильное свойство.
3.Пробой.
4.Емкостное свойство. В пограничной области р-n-перехода накапливаются заряды, а сама область обладает повышенным сопротивлением. В этом смысле р-n-переход напоминает конденсатор, поэтому р-n-переход обладает емкостным свойством.
5.Изменение ширины p-n-перехода под воздействием приложенного напряжения.
4.1.2 Диоды
Диод – это полупроводниковый прибор, принцип действия которого основан на свойствах одного р-n-перехода.
Выпрямительные диоды. Используется вентильное свойство p-n-перехода.
Данные диоды используются в основном для создания выпрямителей. Наиболее распространены диоды на основе Ge (ГД) и Si (КД).
Величина обратного тока диода зависит от температуры
(рис. 4.11).
ГД – более температурно зависимы; КД – менее температурно зависимы.
Условное обозначение: 
.
Однофазная 2-полу- периодная схема выпря-
мителя приведена на рис. 4.12. В первую поло-
|
вину периода в соответст- |
Рис. 4.11. ВАХ ГД и КД |
вии с указанной на рисун- |
|
134
ке полярностью напряжения открыты диоды Д1 и Д3. Диоды Д2 и Д4 закрыты. Во второй полупериод полярность изменяется– открыты Д2 иД4, а закрыты Д1 и Д3.
В первую половину периода ток i обозначен сплошной линией, во вторую ток i2 – штриховой. Оба тока i1 и i2 по нагрузке протекают в одном направлении, т.е. по нагрузке протекает постоянный по направлению – пульсирующий ток.
Временная диаграмма работы выпрямителя представлена на рис. 4.13.
Для сглаживания пульсаций включают ёмкостный фильтр Сф и стабилизатор.
Стабилитроны – это полупроводниковые приборы, использующие при работе свойство электрического пробоя. Применя-
ются наиболее часто в стабилизаторах для сглаживания пульсации напряжения. Включение диода производят в обратном направлении. ВАХ стабилитрона приведена на рис. 4.14. В рабочей области характеристики стабилитрона малому изменению напряжения соответствует значительное изменение тока. Условное обозначение: .
135
|
Рис. 4.15. Схема параметри- |
Рис. 4.14. ВАХ стабилитрона |
ческого стабилизатора |
Схема параметрического стабилизатора приведена на рис. 4.15, где R – балластное сопротивление; U2 = U1 – U. При изменении напряжения U1 в рабочей области происходит резкое изменение тока через стабилитрон, в соответствии с этим резко изменяется Uб, в результате чего U2 остается практически неизменным.
Варикап – это диод, принцип действия которого основан на емкостном свойстве p-n-перехода. Зависимость C = f (U) приведена на рис. 4.16. Используется в устройствах автоматической подстройки частоты (АПЧ). Условное обозначение: 
.
Светодиод– это полупроводниковый прибор, в котором используется выделение энергии в виде света при прохождении тока. Такиедиодыиспользуютвустройствахиндикации.
Условное обозначение светодиода: 
.
Фотодиод – это полупроводниковый прибор, реагирующий на свет.
Работает в двух режимах: фотопреобразовательном и фотогенераторном. В фотопреобразовательном режиме под воздей-
136
ствием светового потока Ф |
|
увеличивается обратный ток |
|
фотодиода. Такие диоды ис- |
|
пользуют в устройствах, реа- |
|
гирующих на свет. В фото- |
|
генераторном режиме диод |
|
работает как источник элек- |
|
трической энергии, преобра- |
|
зующий энергию света в элек- |
Рис. 4.17. ВАХ фотодиода |
трическую. ВАХ фотодиода |
|
представлена на рис. 4.17. |
|
Тесты по теме «p-n-переходы и диоды»
1.Чем объясняется повышенное сопротивление p-n-пере- хода? Укажите правильный ответ.
1) большой концентрацией свободных носителей заряда;
2) малой концентрацией свободных носителей заряда;
3) наличием незапланированных примесей;
4) наличием донорной примеси.
2.Проявляется ли вентильное свойство p-n-перехода, если он работает в области пробоя? Укажите правильный ответ.
1) да; 2) нет; 3) сначала проявляется потом исчезает.
3.Как изменится емкость p-n-перехода при увеличении обратного напряжения? Укажите правильный ответ.
1) увеличивается;
2) уменьшается;
3) остается неизменной.
4.Может ли p-n-переход эксплуатироваться в области электрического пробоя? Укажитеправильный ответ.
1) |
да; 2) нет; |
3) |
может, но только очень короткое время. |
137
5. Как включены p-n-переходы с потенциалами, указанными на рис. а, б, в? Укажите правильный ответ.
1) |
а) в прямом, |
б) в обратном, |
в) в прямом; |
2) |
а) в прямом, |
б) в прямом, |
в) в прямом; |
3) |
а) в прямом, |
б) в прямом, |
в) в обратном. |
6.Параметры какого из диодов (германиевого или кремниевого) сильнеезависят от температуры? Укажите правильный ответ.
1) германиевого; 2) кремниевого; 3) у обоих одинаково.
7.Как изменится диаграмма выпрямленного напряжения
Uвых, если в мостовой схеме однофазного выпрямителя выйдет из строя один из диодов (сопротивление диода в обоих направленияхравнобесконечности)? Укажите номерправильногоответа.
8.Какое напряжение стабилизации будет
всхеме с двумя стабилитронами, если напряже-
ние стабилизации каждого стабилитрона равно 4,6 В? Укажите правильный ответ.
1) 4,6 В; 2) 9,2 В; 3) 2,3 В.
9. Объясните назначение емкостного фильтраввыпрямителе. Укажитеправильныйответ.
1)для сглаживания пульсаций выпрямленного напряжения;
2)для защиты диодов от пробоя;
3)для снижения реактивной мощности.
138
10. Какая из приведенных ниже характеристик является вольт-амперной характеристикой выпрямительного диода? Объясните вид этой характеристики.
1) а; |
2) b; |
3) c; |
4) d. |
11.Какое из свойств p-n-перехода используется в стабилитроне? Укажите правильный ответ.
1) емкостное; 2) вентильное; 3) электрического пробоя.
12.Какое из приведенных ниже условных обозначений является условным обозначением варикапа? Укажите правильный ответ. Объясните свойства варикапа.
1) а; |
2) b, c; |
3) d; |
4) е. |
13. На рисунке приведены потенциалы на электродах выпрямительного диода относительно земли. Укажите случаи, в которых диод будет открыт. Укажите правильный ответ.
1) а; |
2) а, b, c, d; |
3) b, c, d. |
139
14. В каких из перечисленных ниже приборов используется свойство электрического пробоя p-n-перехода? Укажите правильный ответ.
а) в выпрямительном диоде; |
б) в варикапе; |
в) в биполярном транзисторе; |
г) в стабилитроне. |
15. Какая из приведенных характеристик является вольтамперной характеристикой стабилитрона? Укажите номер правильного ответа.
16.Чем обусловлено наличие в полупроводнике неосновных носителей? Укажите правильный ответ.
1) в n-полупроводнике – наличием донорной примеси; 2) вp-полупроводнике– наличиемакцепторнойпримеси; 3) в полупроводниках обоих типов – наличием неза-
планированных примесей.
17.Обозначение какого элемента представле-
но на рисунке? Укажите правильный ответ.
1) |
фотодиода; |
2) светодиода; |
3) |
фототиристора; |
4) оптрона. |
18. Какое из перечисленных свойств p-n-перехода используетсяприработевыпрямительногодиода? Укажитеправильныйответ.
1) |
электрического пробоя; |
2) емкостное свойство; |
3) |
теплового пробоя; |
4) вентильное свойство. |
19. Как потенциальный барьер влияет на ток основных носителей в полупроводнике? Укажите правильный ответ.
1) стимулирует; 2) препятствует; 3) не влияет.
140