- •Рекомендуемая учебно-методическая литература по дисциплине «Физические основы электроники»
- •1 Основы теории электропроводности полупроводников
- •1.1 Общие сведения о полупроводниках
- •1.1.1 Полупроводники с собственной электропроводностью
- •1.1.2 Полупроводники с электронной электропроводностью
- •1.1.3 Полупроводники с дырочной электропроводностью
- •1.2 Токи в полупроводниках
- •1.2.1 Дрейфовый ток
- •1.2.2 Диффузионный ток
- •1.3 Контактные явления
- •1.3.2 Прямое включение p-n перехода
- •1.3.3 Обратное включение p-n перехода
- •1.3.4 Вольтамперная характеристика p-n перехода
- •2 3 4
- •2 Полупроводниковые приборы
- •2.1 Полупроводниковые диоды
- •Примеры обозначения приборов:
- •3. Биполярные транзисторы
- •H – параметры транзистора
- •4. Полевые транзисторы
- •5. Тиристоры
- •Классификация и система обозначений тиристоров
- •6. Оптоэлектронные приборы
- •Излучающий диод (светодиод)
- •Фоторезистор
- •Фотодиод
- •Оптрон (оптопара)
- •Фототранзистор и фототиристор
- •7. Операционные усилители
- •8. Интегральные микросхемы
- •9. Аналоговые электронные устройства Усилители
- •Обратная связь в усилителях
- •Линейные схемы на основе операционных усилителей
- •Инвертирующий усилитель на основе оу
- •Неинвертирующий усилитель на основе оу
- •Повторитель напряжения на основе оу
- •Сумматор напряжения (инвертирующий сумматор)
- •Вычитающий усилитель (усилитель с дифференциальным входом)
- •Схемы с диодами и стабилитронами на основе оу
- •Усилители постоянного тока
- •Дифференциальный усилитель на биполярных транзисторах
- •Цифровая и импульсная электроника
- •Логические элементы
- •Логические операции
1.3.4 Вольтамперная характеристика p-n перехода
Вольтамперная характеристика p-n перехода представляет собой график зависимости тока во внешней цепи p-n перехода от значения и полярности напряжения, приложенного к данному переходу. Характеристика состоит из прямой и обратной ветви и имеет вид, представленный на рисунке 1.10.
При включении p-n перехода в прямом направлении через него начинает протекать прямой ток, который по мере увеличения напряжения, прикладываемого к диоду, увеличивается. Увеличение тока происходит до момента насыщения, при котором дальнейшее увеличение прикладываемого напряжения не приводит к увеличению тока, но может привести к тепловому пробою и разрушению p-n перехода рис. 1.10 кривая 1. Ток насыщения зависит от площади p-n перехода и концентрации носителей заряда.
При включении p-n перехода в обратном направлении через него начинает протекать обратный ток, который при увеличении обратного напряжения возрастает незначительно. При некотором обратном напряжении наблюдается резкое возрастание обратного тока. Это явление называют пробоем p-n перехода. Существуют три вида пробоя: туннельный, лавинный и тепловой. Туннельный и лавинный пробои представляют собой разновидности электрического пробоя и связаны с увеличением напряженности электрического поля в переходе.
2 3 4
Рисунок 1.10 Вольтамперная характеристика p-n перехода
Туннельный пробой обусловлен прямым переходом электронов из валентной зоны одного полупроводника в зону проводимости другого, что становится возможным, если напряженность электрического поля в p-n переходе из кремния достигает значения 4105 В/см, а из германия 2105 В/см. Такая большая напряженность электрического поля возможна при высокой концентрации примесей в p- и n-областях, когда толщина p-n перехода становится весьма малой. Под действием сильного электрического поля валентные электроны вырываются из связей. При этом образуются парные заряды электрон-дырка, увеличивающие обратный ток через переход. На рис. 1.10 кривая 4 представляет собой обратную ветвь вольт-амперной характеристики перехода, соответствующую туннельному пробою.
В широких p-n переходах, образованных полупроводниками с меньшей концентрацией примесей, вероятность туннельного просачивания электронов уменьшается и более вероятным становится лавинный пробой. Он возникает тогда, когда длина свободного пробега электрона в полупроводнике значительно меньше толщины p-n перехода. Если за время свободного пробега электроны приобретают кинетическую энергию, достаточную для ионизации атомов в p-n переходе, наступает ударная ионизация, сопровождающаяся лавинным размножением носителей зарядов. Образовавшиеся в результате ударной ионизации свободные носители зарядов увеличивают обратный ток перехода.
На рис 1.10 лавинному пробою соответствует кривая 3.
Тепловой пробой обусловлен значительным ростом количества носителей зарядов в p-n переходе за счет нарушения теплового режима. Подводимая к p-n переходу мощность Рподв = IобрUобр расходуется на его нагрев.
При плохих условиях отвода теплоты от перехода возможен его разогрев до температуры, при которой происходит тепловая ионизация атомов. Образующиеся при этом носители заряда увеличивают обратный ток, что приводит к дальнейшему разогреву перехода. В результате такого нарастающего процесса p-n переход недопустимо разогревается и возникает тепловой пробой, характеризующийся разрушением кристалла (кривая 2).
Увеличение числа носителей зарядов при нагреве p-n перехода приводит к уменьшению его сопротивления и выделяемого на нем напряжения. Вследствие этого на обратной ветви вольтамперной характеристики при тепловом пробое появляется участок с отрицательным дифференциальным сопротивлением (участок АВ на рис. 1.10).