Основные параметры катушек индуктивности

Индуктивность характеризует количество энергии, запасаемой катушкой, при протекании по ней электрического тока. Чем больше индуктивность катушки, тем больше энергия магнитного поля при заданном значении тока. Индуктивность зависит от формы, размеров, числа витков катушки, а также от размеров, формы и материала ее сердечника.

Добротность - отношение реактивного сопротивления катушки к ее активному сопротивлению потерь. Добротность катушки в большинстве случаев определяет резонансные свойства и КПД контура.

Собственная емкость является паразитным параметром. Наличие собственной емкости катушки обусловливает увеличение потерь энергии и уменьшение, стабильности настройки колебательных контуров. В диапазонных контурах собственная емкость катушки уменьшает коэффициент перекрытия диапазона частот.

Стабильность индуктивности при изменении температуры характеризуется температурным коэффициентом индуктивности (ТКИ), равным относительному изменению индуктивности при изменении температуры на I0 С.

Электронно-дырочный переход и его свойства

Электронно-дырочным пере­ходом называют тонкий слой между двумя частями полупроводникового кристалла, в котором одна часть имеет электронную, а другая - дырочную электропроводность.

На этой стадии важно понять, что полупроводниковый переход представля­ет собой изменение материала с p-типа на n-тип в пределах одной и той же непрерывной кристаллической решетки. При простом соединении образцов материала p-типа и материала n-типа не возникает p-n переход.

Технологический процесс создания электронно-дырочного перехода может быть раз­личным:

1. сплавление (сплавные диоды);

2. диффузия одного вещества в другое (диф­фузионные диоды);

3. эпитаксия — ориентированный рост одного кристалла на поверхности другого (эпитаксиальные диоды) и др.

По конструкции электронно-дырочные перехо­ды могут быть симметричными и несимметричными, резкими и плавными, плоско­стными и точечными и др. Однако для всех типов переходов основным свойством является несимметричная электропроводность, при которой в одном направлении кристалл пропускает ток, а в другом — не пропускает.

Устройство электронно-дырочного перехода показано на рис. 5.4.

Рис. 5.4. p-n переход и распределение объемного заряда в нем

Одна часть этого перехода легирована донорной примесью и имеет электронную прово­димость (n-область). Другая часть, легированная акцепторной примесью, имеет дырочную проводимость (p-область). Концентрация электронов в одной части и концентрация дырок в другой существенно различаются. Кроме того, в обеих частях имеется небольшая концентрация неосновных носителей. Электроны в n-области стремятся проникнуть в p-область, где концентрация электронов значительно ниже. Аналогично, дырки из p-области перемещаются в n-область. В результате встречного движения противоположных зарядов возни­кает диффузионный ток. Электроны и дырки, перейдя через гра­ницу раздела, оставляют после себя противоположные заряды, которые препят­ствуют дальнейшему прохождению диффузионного тока. В результате на границе устанавливается динамическое равновесие и при замыкании n и p областей ток в цепи не протекает.

Распределение плотности объемного заряда в переходе при­ведено на рис. 5.4. При этом внутри кристалла на границе раздела возникает собственное элект­рическое поле E_соб направление которого показано на рис. 5.4. Напряженность этого поля максимальна на границе раздела, где происходит скачкообразное из­менение знака объемного заряда. На некотором удалении от границы раздела объемный заряд отсутствует и полупроводник является нейтральным.

Высота потенциального барьера на p-n переходе определяется контактной разностью потенциалов n и p областей. Контактная разность потенциалов, в свою очередь, зависит от концентрации примесей в этих областях:

ψ = φ_TlnN_nP_p/n_i²

где φ_T = kT/q - тепловой потенциал, N_n, и P_p- концентрации электронов и ды­рок в N и P областях, n_i - концентра­ция носителей зарядов в нелегирован­ном полупроводнике. Контактная разность потенциалов для германия имеет значение

0,6... 0,7В, а для кремния 0,9... 1,2В. Высоту потенциального барьера можно изменять приложени­ем внешнего напряжения к р-n переходу. Если внешнее напряжение создает в p-n переходе поле, кото­рое совпадает с внутренним, то вы­сота потенциального барьера увели­чивается, при обратной полярности приложенного напряжения высота потенциального барьера уменьшает­ся. Если приложенное напряжение равно контактной разности потенциалов, то потенциальный барьер исчезает пол­ностью.

Если приложенное напряжение снижает потенциальный барьер, то оно называется прямым, а если повышает его - обратным. Приложение прямого и обратного напряжения к p-n переходу показано на рис. 5.5. Если к p-n переходу подключен внешний источник постоянного напряже­ния, то потенциальный барьер обедненного слоя увеличивается или уменьшается в зависимости от полярности поданного напряжения или смещения. На рис. 5.5 показаны оба случая: (а) обратное смещение, когда потенци­альный барьер увеличивается, а обедненный слой расширяется, и (б) пря­мое смещение, когда барьер уменьшается, а обедненный слой сужается. В случае обратного смещения через переход течет очень маленький ток, свя­занный с тепловым разрушением ковалентных связей в обеих областях. Нео­сновные носители имеют такую полярность, которая способствует их про­хождению через переход. Однако при комнатной температуре этот обратный ток у кремниевого перехода настолько мал (порядка 1 нА), что на практике им часто пренебрегают. Когда же переход смещен в прямом направлении, потенциальный барьер понижается, нарушается равновесие и часть элект­ронов из n-области и дырок из p-области теперь способны пересечь переход. Чем больше напряжение прямого смещения, тем ниже потенциальный ба­рьер, тем большее число электронов и дырок проходит сквозь обедненный слой и, следовательно, возникает ток, текущий через переход.

Следует отметить, что при увеличении э.д.с. прямого смещения, эффек­тивное сопротивление перехода уменьшается из-за понижения потенциаль­ного барьера. В результате небольшое увеличение напряжения, приложенно­го в прямом направлении, вызывает значительное увеличение тока. Обычно у маломощных кремниевых диодов напряжение прямого смещения 0,6 В вызывает ток около 1 мА, а при напряжении 0,8 В ток возрастает до 100 мА.

Рис.5.5. Приложение обратного (а) и прямого (б) напряжений к p-n переходу

Обратный ток в p-n переходе вызывается неосновными носителями одной из областей, которые, дрейфуя в электрическом поле области объемного заряда, попа­дают в область, где они уже являются основными носителями. Об­ратный ток зависит только от количества неосновных носителей, появляющихся на границах области объемного заряда. Внешнее приложенное напряжение не влияет на число носителей, проходящих через переход в единицу времени т.е на величину обратного тока. Следовательно, обратный ток через переход не зависит от высоты потенци­ального барьера, т. е. он остается постоянным при изменении обратного напряже­ния на переходе. Этот ток называется током насыщения и обозначается

I_обр = I_s.

При прямом смещении p-n перехода появляется (диффузионный) ток, вызванный диффузией основных носителей, преодолевающих потенциальный барьер. Пройдя p-n переход, эти носители попадают в область полупроводника, для которой они являются неосновными носителя­ми. Концентрация неосновных носителей при этом может су­щественно возрасти по сравнению с равновесной концентрацией. Та­кое явление носит название инжекцией носителей. Таким образом, при проте­кании прямого тока через пере­ход из электронной области в дырочную будет происходить инжекция электронов, а из ды­рочной области будет происхо­дить инжекция дырок. Диффузи­онный ток зависит от высоты потенциального барьера и по мере его снижения увеличивает­ся экспоненциально:

I_диф = I_se^U/φT,

где U - напряжение на p-n пере­ходе.

Кроме диффузионного тока прямой ток содержит ток проводимости, про­текающий в противоположном направлении, поэтому полный ток при прямом смещении p-n перехода будет равен разности диффузионного тока и тока проводимости:

I_пр = I_диф – I_s = I_s(e^U/φT – 1)

Уравнение называется уравнением Эберса - Молла, а соответствующая ему вольт - амперная характеристика p-n перехода приведена на рис. 5.6. Вольт - амперная характеристика p-n перехода представляет собой зависимость тока через переход при изменении на нем значения и полярности приложенного напряжения. Из графика видно, что кремниевый переход практически не проводит ток, пока э.д.с. прямого смещения не превышает 0,5 В. У германиевых пере­ходов эта величина меньше и составляет 0,2 В.

Рис. 5.6. Вольт - амперная характеристика p-n перехода

Поскольку при T = 300К тепловой потенциал φ_T = 25мВ, то уже при U = 0,1 В можно считать, что

I = I_диф = I_s e^U/φT

Дифференциальное сопротивление p-n перехода можно определить, воспользовав­шись формулой:

1/r_диф = dI/dU = 1/φ_T (I + I_s),

откуда получаем

r_диф = (I + I_s)/φ_T.

Так, например, при токе I = 1 А и φ_T = 25 мВ дифференциальное сопротивление пере­хода равно 25 мОм.

Предельное значение напряжения на p-n переходе при прямом смещении не превышает контактной разно­сти потенциалов ψ_к. Обрат­ное напряжение ограничива­ется пробоем p-n перехода. Пробой p-n перехода возни­кает за счет лавинного раз­множения неосновных носи­телей и называется лавинным пробоем. При лавинном про­бое p-n перехода ток через переход ограничивается лишь сопротивлением питающей p-n переход электрической цепи.

Полупроводниковый p-n переход имеет емкость, ко­торая в общем случае опре­деляется как отношение при­ращения заряда на переходе к приращению падения на­пряжения на нем, т. е.

С = dq/du.

Емкость перехода зависит от значения и полярности внешнего приложенного напряжения. При обратном напряжении на переходе эта емкость называется барьерной и оп­ределяется по формуле

C_бар = С_бар(0)/√(1 – U/ψ_k),

где ψ_к - контактная разность потен­циалов, U - обратное напряжение на переходе, С_бар (0) — значение барьерной емкости при U = 0, которое зависит от площади p-n перехода и свойств полу­проводникового кристалла. Зависи­мость барьерной емкости от приложен­ного напряжения приведена на рис. 5.7.

Рис.5.6. Зависимость барьерной емкости от напряжения на p-n переходе

Теоретически барьерная емкость существует и при прямом напряжении на p-n переходе, однако она шунтиру­ется низким дифференциальным со­противлением r_диф. При прямом смеще­нии p-n перехода значительно большее влияние оказывает диффузионная емкость, которая зависит от значения прямо­го тока I и времени жизни неосновных носителей τ_p. Эта емкость не связана с током смещения, но дает такой же сдвиг фазы между напряжением и током, что и обычная емкость. Значение диффузионной емкости можно определить по формуле

C_диф = Iτ_p/φ_T.

Полная емкость перехода при прямом смещении определяется суммой барьер­ной и диффузионной емкостей

C = C_диф +C_бар.

При обратном смещении перехода диффузионная емкость отсутствует и полная емкость состоит только из барьерной емкости.