Контрольные вопросы

1. Что называется электронно-дырочным переходом?

2. Поясните возникновение контактной разности потенциалов.

3. Что понимается под динамическим равновесием р-nперехода?

4. Чему равна высота потенциального барьера р-nперехода, как она влияет на диффузию основных носителей и как она зависит от их концентрации?

5. Какие носители образуют ток дрейфа, и в каком направлении они движутся?

6. Почему приграничные слои называются запирающим слоем?

7. Почему запирающий слой имеет высокое сопротивление?

8. Какое подключение внешнего источника называется прямым?

9. Поясните физические процессы, протекающие в прямо смещенном р-nпереходе.

10. Какое явление называется инжекцией носителей заряда?

11. Какие области называются эмиттером и базой?

12. Почему при подключении прямого напряжения снижается потенциальный барьер, уменьшается толщина запирающего слоя и его сопротивление?

13. Каков порядок имеет прямое напряжение, способное уничтожить запирающий слой?

14. Какое подключение внешнего источника напряжения является обратным ?

15. Поясните физические процессы, протекающие в обратно смещенном р-nпереходе.

16. Какое явление называется экстракцией носителей заряда ?

17. Почему сопротивление обратно смещенного перехода очень велико?

18. Чему равна высота потенциального барьера обратно смещенного перехода ?

19. Почему обратно смещенный р-nпереход сравнивают с заряженным конденсатором ?

Задачи и упражнения

1.Имеется германиевыйр-nпереход с концентрациейN_Д= 10³N_а, причем на каждые 10⁸атомов германия приходится один атом акцепторной примеси. Определить контактную разность потенциалов при температуре Т = 300 К. Значения концентрации атомовNи ионизированных атомовn_iвыбрать из таблицы, приведенной в приложении 1.

2.Удельное сопротивлениер-области германиевогор-nперехода_р= 2 Ом см, удельное сопротивлениеn-области_n= 1 Ом см. Вычислить контактную разность потенциалов (высоту потенциального барьера) при Т = 300 К. Значения подвижностей электронов и дырок в германии выбрать из таблицы, приведенной в Приложении 1.

Тема 4. Полупроводниковые диоды

4.1. Вольт - амперная характеристика

Диодом называют полупроводниковый прибор одним электронно-дырочным переходом и двумя выводами.

На рис. 4.1 приведена вольт - амперная характеристика (ВАХ) маломощного полупроводникового диода, из которой видно, что он является нелинейным элементом.

Полупроводниковый диод по существу представляет собой р-nпереход.

ВАХ показывает, что прямой ток в десятки миллиампер получается при прямом напряжении в десятые доли вольта. Поэтому прямое сопротивление бывает обычно не выше нескольких десятков ом. Для более мощных диодов прямой ток составляет сотни миллиампер и больше при том же малом напряжении, а R_ПРсоответственно снижается до единиц ом и меньше.

Характеристику обратного тока, малого по сравнению с прямым, обычно показывают в другом масштабе. Обратный ток при обратном напряжении до сотен вольт у диодов небольшой мощности составляет единицы или десятки микроампер.

Это соответствует сопротивлению, равным нескольким сотням кОм и больше.

Так как u_ОБРu_ПР, то эти напряжения также отложены в разных масштабах. Вследствие различия масштабов получается излом кривой в начале координат.

При неизменном масштабе характеристика представляет плавную кривую без излома.

Характеристика для прямого тока вначале имеет значительную нелинейность, так как при увеличении u_ПРсопротивление запирающего слоя уменьшается. Поэтому кривая приобретает все большую крутизну. Но при напряжении уже в десятые доли вольта запирающий слой практически исчезает и остается только сопротивлениер-иn-областей, которое приближенно можно считать постоянным. Поэтому далее характеристика получается почти линейной. Небольшая нелинейность объясняется тем, что при увеличении токаn-ир-области разогреваются, от чего их сопротивление уменьшается.

Обратный ток при увеличении обратного напряжения сначала быстро возрастает. Это вызвано тем, что уже при небольшом обратном напряжении за счет повышения потенциального барьера в переходе резко снижается диффузионный ток, который направлен навстречу току проводимости. Следовательно, полный ток i_ОБР=i_ДР – i_ДИФ резко увеличивается. Однако при дальнейшем повышении обратного напряжения ток растет незначительно. Рост тока происходит вследствие нагрева перехода током, за счет лавинного размножения носителей заряда в результате ударной ионизации. Явление ударной ионизации состоит в том, что при более высоком обратном напряжении электроны преобретают высокую корость и, ударяя в атомы кристаллической решетки, выбивают из них новые электроны, которые, с свою очередь, разгоняются полем и также выбивают из атомов электроны. Такой процесс усиливается с повышением напряжения.

При некотором значении обратного напряжения возникает пробой р-n перехода, при котором обратный ток резко возрастает и сопротивление запирающего слоя резко уменьшается.

Различают электрический и тепловой пробойр-nперехода. Электрический пробой (участок АВС характеристики, рис. 4.1) являетсяобратимым, при котором не происходит разрушения структуры вещества. Поэтому работа диода в режиме электрического пробоя допустима. Электрический пробой бывает двух типов: лавинный и туннельный. Лавинный пробой объясняется лавинным размножением носителей за счет ударной ионизации и за счет вырывания электронов из атомов сильным электрическим полем. Пробивное напряжение составляет десятки или сотни вольт. Туннельный пробой объясняется явлением туннельного эффекта, сущность которого заключается в том, что при сильном поле напряженностью более 10⁵В/см, действующем вр-nпереходе малой толщины, происходит эмиссия электронов из валентной зоны полупроводника с электропроводностью одного типа в зону проводимости полупроводника с электропроводностью другого типа. Пробивное напряжение обычно не превышает единиц вольт. Лавинный пробой характерен для переходов большой толщины и сравнительно малой концентрации примесей в полупроводниках, а туннельный – для тонких переходов с высокой концентрацией примесей.

Области теплового пробоя соответствует участок СDхарактеристики (рис. 4.1). Этот пробойнеобратим, т.к. он сопровождается разрушением вещества в местер-nперехода. Это означает, что количество теплоты, выделяющейся в переходе от нагрева его обратным током, превышает количество теплоты, отводимой от него. В результате температура перехода возрастает, сопротивление его уменьшается и ток увеличивается. Наступает перегрев перехода и его тепловое разрушение.