9. Ёмкости p-n перехода. Диффузионная ёмкость. Барьерная ёмкость.

Различают барьерную (зарядовую) и диффузионную ёмкости.

Барьерная ёмкость образуется неподвижными ионами примесей и характерна для равновесного состояния или обратного включения. Как любая ёмкость, барьерная ёмкость Сб определяется как:

где Q – объёмный заряд.

Диффузионная ёмкость образуется подвижными носителями заряда и характерна для прямого включения p-n перехода.

Барьерная имеет место при обратном смещении p-n перехода. Запирающий слой выступает как диэлектрик =>конденсатор e=f(U) Эта емкость использована в варикапах.Диффузионный ток имеет место при прямом смещении p-n перехода C_д=dQ_изб/dU

Рис. Зависимость емкости включенного в прямом направлении pn перехода от частоты: 1 - общая емкость, 2 - диффузионная емкость, 3 - барьерная емкость

10. p-n переход при обратном смещении. Пробой p-n перехода.

Электронно-дырочным p-n наз. такой переход, кот. образован двумя областями ПП с разными типами проводимости: электронный и дырочный.

Включение, при кот. к p-n переходу прикладывается внешнее напряж. Uобр в фазе с контактной разностью потенциалов, наз. обратным (рис. 1.).

рис. 1.

Под действием эл. поля, создаваемого внешним источником Uобр, основные носители оттягиваются от приконтактных слоев вглубь полупроводника. Как видно из рис. 2 это приводит к расширению p-n перехода (h’>h). Потенциальный барьер возрастает и становится равным Uб=Uк+Uобр. Число основных носителей, способных преодолеть действие результирующего поля, уменьшается. Это приводит к уменьшению диффузионного тока, кот. может быть определен по формуле:

Iдиф=Iобр ехр•(-qeUобр / кТ).

При обр. включении преобладающую роль играет дрейфовый ток. Он имеет небольшую величину, т.к. создается движение неосновных носителей. Этот ток наз. обратным и определяется по формуле: Iобр=Iдр – Iдиф.

Пробоем наз. резкое увелич. I ч/з переход в области обратных напряж. превышающих U, называемое Uпроб. Существуют 3 основных вида пробоя: туннельный, лавинный и тепловой.

рис. 2.

11.Контакт металл-полупроводник, выпрямляющий и невыпрямляющий.

Уровни энергии валентных электронов образуют валентную зону (ВЗ), а следующий уровень энергии, находящийся выше ВЗ образ. зону проводимости (ЗП). ЗП и ВЗ разделены запрещенной зоной (ЗЗ), ширина кот. различна у разных материалов.

У проводников-металлов – ВЗ заполнена частично, электроны занимают нижнюю часть зоны, а верхние уровни ВЗ не заполнены. Под действием слабого внешн. электр. поля валентные электроны приобрет. доп. энергию – кинетическую, заполняя в ВЗ занятые более высокие уровни энергии. Это означает, что электроны под действ. электр. поля приобрет. скорость и участвуют в перенесении электр. заряда, т.е. протекает электрический ток. Возможна и другая зонная структура проводника, при кот. ВЗ целиком заполнена валентными электронами, но ВЗ и ЗП перекрываются, т.е. ЗЗ отсутствует. В этом случае электроны под действием электр. поля могут приобретать дополнительную кинетич. энергию, занимая свободные уровни энергии в ЗП. Валентные электроны в металле принадлежат одновременно всем атомам кристалла и явл. свободными носителями заряда.

Если ВЗ заполнена целиком и ширина ЗЗ не равна 0, то валент. электроны не могут приобретать дополнит. кинетич. энергию и не явл. свободными. Если же вал. электрону собщить энергию, способную преодолеть ЗЗ, то он переходит из ВЗ на один из незанятых уровней ЗП и станов. свобод. носителем заряда. Одновременно в ВЗ появляется один свобод. уровень, соответствующий дырке, что позволяет электронам ВЗ перемещаться. Переход электрона из ВЗ в ЗП может произойти под действием тепловой энергии или какого либо другого источника энергии.

Если ширина ЗЗ относительно велика то тепловой энергии электронов недостаточно, чтобы перейти им из ВЗ в ЗП. Свободных носителей заряда в таких материалах нет и их относят к диэлектрикам.

При отрицательной полуволне входного напряжения на анод диода прикладывается отрицательное напряжение ( – , + в скобках) и диод проводит только обратный ток Iобр. Так как обратный ток через диод очень мал, то отрицательная полуволна на нагрузке практически отсутствует. Таким образом, происходит выпрямление переменного напряжения. На диаграммах (рис. 2.5б) показаны влияния неидеального диода – это конечные значения прямого напряжения Uпр и обратного тока Iобр.

Необходимо отметить, что допустимый прямой ток и допустимое обратное напряжение зависят от температуры окружающей среды. При высокой температуре может возникнуть тепловой пробой, поэтому подводимое напряжение и выпрямленный ток должны быть ниже по сравнению с допустимыми.

Для того, чтобы положить большие допустимые напряжения, выпрямительные диоды соединяются последовательно. Но для равномерного распределения обратного напряжения им параллельно включают выравнивающие резисторы. Для увеличения прямого тока диодов их необходимо соединять параллельно. При этом возникает необходимость выравнивания токов, для чего последовательно с каждым диодом включают резисторы.

Токи мощных диодов выравнивают с помощью индуктивных деталей.

Зависимость ВАХ кремниевого диода от температуры (t) показана на рисунке.

Из рис. следует, что ход прямой ветви ВАХ при изменении (t) изменяется незначительно. Это объясняется тем, что концентрация основных носителей заряда при изменении температуры (t) практически почти не изменяется, т.к. примесные атомы ионизированы уже при комнатной t.

Выпрямительные диоды предназначены для выпрямления переменного тока, т.е. для преобразования переменного тока в постоянный.

Идеальный вентиль, необходимый для выпрямления, должен пропускать ток только в одном направлении неограниченно, а в противоположном – нет. Характеристика такого прибора показана на рис. 2.4а. Как видно, при напряжении U<0 ток I=0, а U>0 I→∞. Реальная же характеристика выпрямительного диода отличается от идеальной как по прямой, так и обратной ветви ВАХ (рис. 2.4б).

Причем надо заметить, что по прямой ветви большее отличие наблюдается у кремниевого, а по обратной – у германиевого. Следовательно, с точки зрения выпрямительных свойств по прямой ветви лучшим является германиевый (меньшее падение напряжения на самом диоде), а по обратном ветви – кремниевый (меньший обратный ток). Поэтому выбор полупроводникового выпрямительного диода должен производиться исходя из конкретных условий и требований потребителя. Но с учетом большей термостойкости кремниевых материалов преимущественное применение находят кремниевые диоды.

Основными параметрами выпрямительных диодов являются:

1.Максимально допустимый выпрямленный ток – Iпр.

2. Прямое падение напряжения – Uпр.

3.Максимально допустимое обратное напряжение – Uобр.

В качестве параметров указываются также обратный ток при заданном обратном напряжении, дифференциальное сопротивление, емкость диода и др.

На рис. 2.5а,б показаны соответственно схема простейшего однополупериодного выпрямителя и графики процесса выпрямления.

При действии положительной полуволны входного переменного напряжения на анод диода прикладывается положительное напряжение ( +, – без скобок). Диод проводит ток, который ограничивается сопротивлением нагрузки Rн

Iпр = (Uвх – Uд) / Rн Uвх / Rн

выпрямительные,

А + К

При отрицательной полуволне входного напряжения на анод диода прикладывается отрицательное напряжение ( – , + в скобках) и диод проводит только обратный ток Iобр. Так как обратный ток через диод очень мал, то отрицательная полуволна на нагрузке практически отсутствует. Таким образом, происходит выпрямление переменного напряжения. На диаграммах (рис. 2.5б) показаны влияния неидеального диода – это конечные значения прямого напряжения Uпр и обратного тока Iобр.

Необходимо отметить, что допустимый прямой ток и допустимое обратное напряжение зависят от температуры окружающей среды. При высокой температуре может возникнуть тепловой пробой, поэтому подводимое напряжение и выпрямленный ток должны быть ниже по сравнению с допустимыми.

Для того, чтобы положить большие допустимые напряжения, выпрямительные диоды соединяются последовательно. Но для равномерного распределения обратного напряжения им параллельно включают выравнивающие резисторы. Для увеличения прямого тока диодов их необходимо соединять параллельно. При этом возникает необходимость выравнивания токов, для чего последовательно с каждым диодом включают резисторы.

Токи мощных диодов выравнивают с помощью индуктивных деталей.

Зависимость ВАХ кремниевого диода от температуры (t) показана на рисунке.

Из рис. следует, что ход прямой ветви ВАХ при изменении (t) изменяется незначительно. Это объясняется тем, что концентрация основных носителей заряда при изменении температуры (t) практически почти не изменяется, т.к. примесные атомы ионизированы уже при комнатной t.