- •4.5. Явление Холла.
- •4.2 Статистика электронов и дырок в полупроводниках. Плотность квантовых состояний. Функция распределения Ферми - Дирака для электронов и дырок.
- •4,3 Дифузійний та дрейфовий струми в напівпровідниках. Рівняння неперервності.
- •4.4 Полупроводник во внешнем электрическом поле. Дебаевская длина экранирования.
- •4.9. Пробій p-n переходу. Стабілітрони, їх характеристики та параметри
- •4.14 Схемы питания и стабилизации режима работы транзистора.
4.9. Пробій p-n переходу. Стабілітрони, їх характеристики та параметри
В зависим. от хар-ра физ. процессов, обусл. резкое возрастание обратного тока, разл. 4 осн. типа пробоя: туннельный, лавинный, тепловой и поверхностный.
Тепловой пробой. (3) При протек. обратн. тока в р-n переходе выдел. теплота и его темп. повышается. Увел. темп. опред. кач. теплоотвода, характеризуемым тепловым сопротивл. Это сопротивл. = приросту темп. перехода в расчете на единичную мощн. W, выдел. в нем. Увел. темп. вызыв. увеличение обратного тока, что приводит к новому росту темп и обратного тока. При опред. мощн. W, тем большей, чем меньше тепловое сопротивл. прибора, ток нач. нарастать лавинно и наступает тепловой пробой р-п перехода. При тепловом пробое на ВАХ может набл. участок отрицат. дифференц. сопротивл., когда рост тока сопровождается уменьш. напр. на диоде
Лавинный пробой. (1)В достаточно широких р-n переходах при выс. обратных напр. неосн. носители могут приобретать в поле перехода настолько большую кин. энергию, что оказыв. способными вызывать ударную ионизацию п/п. Процесс этот схематически представлен на рис. Электрон 1 теряет энергию, оставаясь в прежней энергетической зоне. Эту энергию он передает электрону 2 валентной зоны, переводя его в зону проводимости и создавая таким образом новую электронно-дырочную пару. В этом случае может происходить лавинное нарастание обратного тока, приводящее к лавинному пробою перехода.
Таким образом, вместо одного электрона, вошедшего в р-n переход, из него выходит много электронов и дырок — обратный ток резко растет. В области пробоя изменение обратного тока с ростом напр. явл. очень крутым (кривая 3 на рис. 11.13). Этот эф. исп. для стабил. напр. Диоды, предназначенные для работы в таком режиме, наз. стабилитронами.
Туннельный пробой. (2) При приложении к р-n переходу достаточно высокого обратного смещения заполнен. уровни валентной зоны р-области п/п распол. против незаполнен. уровней зоны проводим. В этом случае возможен прямой тун. переход эл-нов из валентной зоны р-области в зону проводимости, просачивающ. сквозь пот. барьер. С увел. Voб толщина барьера уменьш. и напряжен. поля в нем растет. Если р-n переход достаточно тонок, то уже при сравнительно невысоком Vоб поле Е достигает такого значения, при котором нач. интенсивное туннелирование эл-нов сквозь р-n переход и его пробой (E107108 В/м). Такой пробой называют туннельным. Обратная ветвь ВАХ перехода, отвечающая этому типу пробоя, показана на рис.
Поверхностный пробой. Заряд, локализующийся на поверхности п/п в месте выхода р-n перехода, может вызывать сильное изм. напряжен. поля в переходе и его ширины. В этом случае более вероятным может оказаться пробой приповерхностной области р-n перехода.
Осн. парам. стабилитронов являются:
Напряжение стаб. Uст—падение напряжения на стабилитроне в области стабилизации при номинальном значении тока.
Min ток стабилизации Iст. min —такое значение тока через стабилитрон, при котором возникает устойчивый пробой.
Max ток стабилизации Iст. max — наиб. знач. тока через стабилитрон, при кот. мощн., рассеив. на стабилитроне, не превыш. допуст. значения.
Дифференц. сопротивл. rст— отнош. приращения напряж. на стабилитроне к приращ. тока в режиме стабилизации
r ст. =∆Uст/∆Іст
Max мощность рассеивания Рmax—наибольшая мощность, выделяющ. в р-n переходе, при кот. не возникает тепловой пробой перехода.
Температурный коэф. напр. стабилизации ст — отнош. относит. изм. напр. стабилизации к абсолютному изменению температуры окружающей среды (выражается в %/град) ст=∆ Uст/( Uст∆Т)
4.10 Внутрішній фотоефекти. Фотодіоди та фототранзистори, їх характеристики та парметри.
П ри освещении р-n перехода или прилегающих к нему областей светом, способным вызывать генерацию электронно-дырочных пар, через переход протекает ток, называемый первичным фототоком. Этот эф. наз. фотогальваническим.
Е сли р-n переход расположён на глубине w<L, где L — диффузионная длина, то значительная часть нос. дойдет до области объемного заряда перехода. Эл-ны, подошедшие к р-n переходу, подхватываются контактным полем EK, направленным от n- к р-области, и перебрасываются в n-область, заряжая ее отрицательно (рис. б). Обусловленный ими первичный фототок ,
где — коэффициент собирания, , G—число эл.-дырочных пар. На переходе формируется прямое смещение Vф, вызыв. понижение пот. барьера до значения φ0—еVф и появление прямого тока. Если внеш. цепь разомкнута, то Vф будет увел. до тех пор, пока прямой ток через р-n переход не уравняет фототок Iф.
Возникающую при этом разность потенциалов Vф называют фото-э.д.с.
.
Вентильные фотоэлементы (солнечные батареи).
Мощность, кот. можно снять с фотоэлем. зав. от нагруз. сопр. RH
Фотодиоды. При фотодиодном режиме работы фотоприемника на диод подают обратное смещение V (III квадрант ВАХ). В этом случае при освещении диода его обратная ветвь опускается вниз на Iф, как показано на ВАХ, и на нагрузочном сопротивлении RН появл. сигнал V=IфRн кот. и регистрируется.
Основные характеристики фотодиодов.
ВАХ Iд=f(Uд) при Ф=const определяет зависим. тока фотодиода от напр. на нем при пост. вели-чине светового потока (рис. а). При полном затемнении (Ф=0) через фотодиод протекает темновой ток Iт равный сумме обратного тока насыщения р-n перехода и тока утечки. С ростом светового потока Iд увел. Харак. особен. раб. обл. ВАХ явл. практич. полная независимость тока фотодиода от приложенного напр.
Световая хар-ка изображает зависимость тока фотодиода от величины светового потока при пост. напр. на фотодиоде: Iд=f(Ф) при Uд= const. (рис. б).
Спектральная хар-ка показывает зависимость спектральной чувствит. от длины волны
III
Параметры фотодиодов. Интегральная чувствительность Sинт—отнош. фототока диода к интенсивности падающего немонохроматического излучения заданного спектрального состава:
Рабочее напр. Uр— пост. напр., приложенное к фотодиоду, при кот. обесп. номинальные парам
Темновой ток Iт — ток, протек. ч-з фотодиод при указанном напр. на нем в отсутствие потока излучения в диапазоне спектральной чувствительности.
4.12 Біполярні транзистори, їх характеристики та параметри.
Биполярный транзистор — трёхэлектродный полупроводниковый прибор, один из типов транзистора. Электроды подключены к трём последовательно расположенным слоям полупроводника с чередующимся типом примесной проводимости. По этому способу чередования различают npn и pnp транзисторы (n — электронный тип примесной проводимости, p — дырочный). В биполярном транзисторе, в отличие от других разновидностей, основными носителями являются и электроны, и дырки.
Принцип работы:
В npn транзисторе электроны, основные носители тока в эмиттере, проходят через открытый переход эмиттер-база (инжектируются) в область базы. Часть этих электронов рекомбинирует с основными носителями заряда в базе (дырками), часть диффундирует обратно в эмиттер. Однако, из-за того что базу делают очень тонкой и сравнительно слабо легированной, большая часть электронов, инжектированных из эмиттера, диффундирует в область коллектора. Сильное электрическое поле обратно смещённого коллекторного перехода захватывает электроны (напомним, что они — неосновные носители в базе, поэтому для них переход открыт), и проносит их в коллектор. Ток коллектора, таким образом, практически равен току эмиттера, за исключением небольшой потери на рекомбинацию в базе, которая и образует ток базы (Iэ=Iб + Iк). Коэффициент α, связывающий ток эмиттера и ток коллектора (Iк = α Iэ) называется коэффициентом передачи тока эмиттера. Численное значение коэффициента α 0.9 — 0.999. Чем больше коэффициент, тем эффективней транзистор передаёт ток. Этот коэффициент мало зависит от напряжения коллектор-база и база-эмиттер. Поэтому в широком диапазоне рабочих напряжений ток коллектора пропорционален току базы, коэффициент пропорциональности равен β=α/(1−α) =(10..1000). Таким образом, изменяя малый ток базы, можно управлять значительно большим током коллектора. Уровни электронов и дырок примерно равны.
Коэффициент усиления по току . Коэффициент усиления по напряжению
.Коэффициент усиления по мощности
Входное сопротивление
коэффициент усиления по току:
4.13 Динамічний режим роботи біполярного транзистора. Класи підсилення А, B, AB, С.
В практических схемах транзисторных усилителей в выходную цепь транзистора наряду с источником питания включают сопротивление нагрузки, а во входную — источник усиливаемого сигнала.
Режим работы транзистора с нагрузкой называется динамическим. В этом режиме токи и напряжения на электродах транзистора непрерывно изменяются. Рассмотрим работу транзистора с общим эмиттером, в динамическом режиме (рис. а). Еп распределяется между участком коллектор — эмиттер и нагрузочным сопротивлениемRн
Это выражение представляет собой уравнение динамического режима для выходной цепи. Изменения напряжения на входе транзистора вызывают соответствующие изменения тока эмиттера, базы, а следовательно, и тока коллектора IК. Это приводит к изменению напряжения на Rн, в результате чего изменяется и напряжение UКЭ.
На рис.б изображены выходные статические характеристики транзистора и приведена динамическая характеристика (нагрузочная прямая) АВ, соответствующая сопротивлению нагрузки.
Точка А пересечения нагрузочной прямой с осью токов совпадает с точкой, для которой удовлетворяется условие
так как ток коллектора в случае, если бы транзистор можно было открыть полностью (или закоротить), ограничивался бы только величиной сопротивления Rн.
Входная динамическая характеристика представляет собой зависимость входного тока от входного напряжения в динамическом режиме (рис. в):
В зависимости от полярности напряжений, приложенных к эмиттерному и коллекторному переходам транзистора, различают четыре режима его работы:
Активный режим. На эмиттерный переход подано прямое напряжение, а на коллекторный — обратное. Основной режим работы транзистора.
Режим отсечки. К обоим переходам подводятся обратные напряжения.
Режим насыщения. Оба перехода находятся под прямым напряжением.
Инверсный режим. К эмиттерному переходу подводится обратное напряжение, а к коллекторному — прямое. Эмиттер и коллектор меняются своими.