Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки РФ

Магнитогорский индустриальный колледж

Контрольная работа

по электротехнике

Выполнила: Кузнецова Наталья

студентка группы ПЗ-03

Магнитогорск 2004

1. Приборы тлеющего разряда - неоновая лампа цифровые ламы. Тиратрон. Устройство, принцип работы

тиратрон разряд переход пробой

Тлеющий разряд, один из видов стационарного самостоятельного электрического разряда в газах.

Происходит при низкой температуре катода, отличается сравнительно малой плотностью тока на катоде и большим (порядка сотен вольт) катодным падением U потенциала. Тлеющий разряд может возникать при давлениях разряда газа вплоть до атмосферного, однако подавляющее большинство исследований тлеющего разряда проведено при разряде от сотых долей до нескольких мм. рт. ст. Электроны из катода тлеющего разряда испускаются главным образом под действием ударов положит, ионов и быстрых атомов (и частично -- за счёт фотоэффекта и энергии метастабильных атомов). Для внешнего вида тлеющего разряда в длинной цилиндрической трубке при давлениях порядка десятых долей мм. рт. ст. и выше характерно наличие ряда областей, визуально сильно отличающихся одна от другой. Происхождение этих областей объясняется особенностями элементарных процессов ионизации и возбуждения атомов и молекул. Важнейшей из них, определяющей само существование тлеющего разряда при указанных условиях, является катодное тёмное пространство, в котором в результате ударной ионизации электронами образуются положительные ионы, обеспечивающие эмиссию электронов из катода. Напряжение между электродами тлеющего разряда (напряжение горения) зависит в основном от двух параметров: произведения р на расстояние l между электродами (р? l) и плотности тока на катоде j.

Общая классификация различных форм тлеющего разряда была установлена в исследованиях отечественного учёного Б. Н. Клярфельда и его учеников. Она распространяется на случай сверхмалых значений p l и j, когда в пространстве между электродами отсутствует пространственный заряд и поле практически однородно. В таком, по терминологии Клярфельда, простейшем тлеющем разряде отсутствуют упомянутые выше отдельные области и газ ионизуется электронами во всём межэлектродном промежутке. При увеличении p l и j возможно существование двух форм тлеющего разряда -- нормального и плотного. В первом из них электроны эмитирует только часть поверхности катода. При этом j и U остаются постоянными, а с ростом тока эмиссия происходит со всё большей площади катода. Плотный тлеющий разряд наблюдается при больших j. Для него характерно резкое возрастание напряжения горения с ростом тока.

Особой формой тлеющего разряда является разряд с полым катодом (катод имеет форму полого цилиндра или двух параллельных пластин). В таком тлеющем разряде электроны, многократно колеблющиеся между стенками катода, интенсивно ионизуют газ. Тлеющий разряд с полым катодом отличается от обычного тлеющего разряда значительно большими плотностью тока и яркостью свечения. Свойства и характеристики тлеющего разряда используются в технике (например, стабилитроны, тиратроны тлеющего разряда, неоновые лампы, цифровые лампы).

Неоновая лампа представляет собой газоразрядный диод с двумя одинаковыми электродами без подогревателей. Падение напряжения на лампе остается почти без изменения после того, как лампа «зажглась» подачей на нее напряжения, немного превышающего стартовое. Такая характеристика газоразрядных ламп, работающих в области самоподдерживающегося тлеющего разряда, делает их полезными приборами для поддержания неизменного напряжения в схеме с меняющимся током нагрузки. Обычно для подобных стабилизаторов напряжения (стабилитронов) используют специально разработанные лампы, но годится и простая неоновая лампа. Подсоединять лампы к источнику напряжения нужно через последовательный резистор, чтобы предотвратить слишком большое возрастание тока, которое способно повредить лампу или источник напряжения.

В неоновой лампе излучение оптического диапазона возникает при электрическом разряде в атмосфере неона. Наиболее часто выпускаемыми неоновыми лампами являются сигнальные неоновые лампы тлеющего разряда, в которых используется оранжево-красное свечение прикатодных областей разряда. Наполняются лампы неоногелиевой смесью. Для того, чтобы снизить напряжение зажигания, в газовую смесь вводят небольшое количество аргона, а поверхность катода покрывается тонким слоем активирующего вещества.

В 1918 г. в результате исследовательской работы доктора Шретера немецкая фирма "Пинтш" выпустила первые промышленные лампы тлеющего разряда на 220 В. Начиная с 1921 года голландская фирма Philips выпустила первые неоновые лампы тлеющего разряда на 110 В. В США первые миниатюрные неоновые лампы появились в 1929 г.

В 1930 году Ноулз впервые опубликовал описание неоновой лампы тлеющего разряда, в которой возникновение разряда между анодом и катодом вызывается третьим электродом.

Цифровая индикаторная лампа - электровакуумный прибор для отображения информации в виде светящихся изображений цифр и др. знаков. Используется в вычислительных устройствах, цифровых измерительных приборах и др. Наиболее распространены газоразрядные цифровые индикаторные лампы в виде ионного прибора тлеющего разряда с несколькими катодами (каждый в форме одного из изображаемых знаков) и анодом.

Тиратрон [от греч. thyra -- дверь, вход и (элек)трон], ионный прибор (обычно 3-электродный) с накаливаемым либо холодным катодом, с сеточным управлением моментом возникновения (зажигания) несамостоятельного дугового разряда либо -- соответственно -- тлеющего разряда в среде заполняющего прибор газа. После зажигания тиратрона его сетка теряет способность к управлению анодным током, поэтому погасить разряд в тиратроне (в отличие от таситрона) можно только снижением анодного напряжения (до величины, меньшей, чем нормальное напряжение горения разряда в тиратроне). С развитием полупроводниковой электроники тиратроны, предназначенные для использования в качестве реле, в выпрямителях тока, преобразователях, почти полностью вытеснены полупроводниковыми приборами (главным образом тиристорами).

ТИРАТРОН - ионный прибор тлеющего разряда (с холодным катодом) или несамостоятельного дугового разряда (с подогревным катодом), имеющий, кроме анода и катода, один или несколько управляющих электродов (сеток).

Наличие сетки позволяет управлять анодным током. Для исключения возможности возникновения электрического разряда между анодом и катодом, катод окружен металлическим экраном, верхнее отверстие которого закрыто сеткой, имеющей форму диска с отверстиями. Если сетке сообщить отрицательный потенциал относительно катода, электрическое поле в пространстве между сеткой и катодом будет направлено противоположно основному полю тиратрона и движение электронов между анодом и катодом замедлится. Для каждого анодного напряжения существует такое значение отрицательного потенциала сетки, при котором электроны движутся со скоростью, недостаточной для ионизации паров ртути или газа.

Уменьшив потенциал сетки до некоторого критического значения, получим скорость движения электронов, достаточную для ионизации газа. Происходит зажигание дуги и образование плазмы. Анодный ток скачком возрастает до величины Iа1, которая определяется нагрузочным сопротивлением Rа + Rн и напряжением Uа. С момента зажигания дуги анодный ток не зависит от сеточного напряжения. Это объясняется тем, что при горящей дуге сетка покрыта слоем положительных ионов, которые нейтрализуют отрицательные заряды сетки. Для гашения дуги необходимо уменьшить анодное напряжение до значения, близкого к нулю.

При неизменном напряжении между сеткой и катодом Uс зажигание дуги происходит при некотором анодном напряжении Ua. Изменяя напряжение на сетке, можно регулировать величину анодного напряжения Uз, при котором происходит зажигание тиратрона. Кривая зависимость Uз от напряжения на сетке Uс называется пусковой характеристикой тиратрона. В тиратроне с холодным катодом используется явление тлеющего разряда.

Он состоит из баллона с тремя электродами - анода А, катода К и сетки С, расположенной вблизи катода. Сетка предназначена для управления моментом зажигания разряда. Катод тиратронов - цилиндрической формы, активированный.

Анод - стержневой формы из молибдена, сетка - полый цилиндр из никеля с отверстием. Источник питания создает между катодом и анодом рабочее напряжение, достаточное для поддержания разряда, но не для его зажигания.

При подаче на сетку положительного импульса в цепи сетка-катод возникает ток (до нескольких микроампер), называемый током поджига Iп, и в промежутке сетка-катод появляется разряд. Некоторое количество заряженных частиц проникает в пространство между анодом и катодом, создавая тлеющий разряд, а в анодной цепи начинает проходить ток порядка десятка миллиампер. Зависимость анодного напряжения зажигания от тока поджига называется характеристикой зажигания тиратрона Uа = f(In).

Резистор Rc между сеткой и анодом обеспечивает стабильность зажигания, так как при этом между сеткой и катодом происходит темновой разряд. Гашение тиратрона производится или размыканием анодной цепи, или уменьшением анодного напряжения ниже рабочего. Достоинствами тиратронов тлеющего разряда являются малые габариты и масса, высокая механическая прочность, широкий диапазон рабочих температур, долговечность, экономичность (отсутствие цепи накала).
Тиратроны применяются в цепях переменного тока с частотой не более 10 кГц (при большей частоте заряд у сетки не успевает рассасываться и управление тиратроном становится невозможным), а также в выпрямителях, преобразователях и др.

2. Структура полупроводника, влияние примеси и температуры на его проводимость

Само название «полупроводник» произошло от различия электропроводности полупроводников от электропроводности металлов и диэлектриков.

Действительно

Но этот признак не является решающим в классификации.

Основными свойствами, отличающими полупроводники от других твердых тел, являются следующие:

Характер и величина зависимости электропроводности от температуры. Проводимость полупроводников возрастает с увеличением температуры по экспоненциальному закону

(на 1° Кельвин)

У металлов увеличение температуры приводит к уменьшению проводимости.

Сильное влияние примеси на проводимость. Что значит сильнее? Концентрация примеси , % уже существенно увеличивает проводимость. У металлов же введение примеси уменьшает проводимость. Почему?

Высокая чувствительность электрических свойств полупроводников к всякого рода внешним воздействиям (механическая деформация, облучение светом, рентгеновскими лучами или быстрыми частицами и др.).

В электронике находят применение ограниченное число полупроводников. Это германий, кремний, арсенид галлия, антимонид индия и др.

Кристаллическая структура полупроводников и зонная теория

1. Применяемые в технике полупроводники имеют весьма совершенную кристаллическую структуру - атомы размещены в пространстве на постоянных расстояниях, образуя кристаллическую решетку. Такие полупроводники, как германий и кремний имеют структуру типа алмаза, в которой каждый атом окружен такими же атомами, находящимися в вершинах правильного тетраэдра. Плотность размещения атомов для германия 4,45·1022 1/см3, для кремния - 5·1022 см -3.

Каждый атом в кристаллической решетке или электрически нейтрален и связан ковалентными (парно-электронными) связями с четырьмя равноотстоящими от него соседними атомами. В полупроводниках типа ионно-ковалентная связь. Валентные электроны распределяются между соседними атомами. В результате каждый атом окружен стабильной группой из восьми электронов связи.

2. Если не нужно выделять кристаллографического направления, такую решетку изображают на плоскости (рисунок ).

Рисунок Кристаллическая решетка , изображенная на плоскости

Это идеальная решетка. При все узлы заняты, все связи заполнены. Свободных носителей заряда нет.

3. С точки зрения зонной теории твердого тела, такой кристалл изображается энергетической диаграммой, представленной на рисунке 1.2.

Рисунок - Энергетическая диаграмма полупроводников

Рисунок - Зависимость функции распределения электронов от энергии при Т=0 К

Заполнение энергетических уровней электронами подчиняется статистике Ферми-Дирака, в основе которой лежат следующие положения:

все электроны тождественны;

выполняется принцип Паули;

функция распределения , т. е. вероятность заполнения уровня с энергией W имеет следующий вид:

где - энергия Ферми, смысл-уровень энергии, вероятность заполнения которого равна .

По определению функция распределения есть отношение числа частиц с энергией в интервале от W до W+dW к числу возможных состояний в этом же интервале энергий N(W), т. е.

При (обычный случай для полупроводников, используемых для приборов) единицей в знаменателе функции распределения Ферми-Дирака можно пренебречь, и функция принимает вид

Зная функцию распределения и можно определить число частиц с определенной энергией:

где k - постоянная Больцмана.

При T=0 (рисунок 1.3) валентная зона полностью заполнена f(W)=1 (это электроны, участвующие в ковалентных связях); зона проводимости пустая f(W)=0 (свободных носителей заряда нет), ?W- ширина запрещенной зоны. Уровень Ферми расположен строго посередине запрещенной зоны.

Верхняя, не полностью заполненная, энергетическая зона в полупроводниках получила название зоны проводимости. Следующая за ней энергетическая зона получила название валентной зоны. Энергетическая щель запрещенных состояний между этими зонами называется запрещенной зоной. На зонных диаграммах положение дна зоны проводимости обозначают значком Ec, положение вершины валентной зоны - Ev, а ширину запрещенной зоны - Eg.

Поскольку в полупроводниках ширина запрещенной зоны меняется в широком диапазоне, то вследствие этого в значительной мере меняется их удельная проводимость. По этой причине полупроводники классифицируют как вещества, имеющие при комнатной температуре удельную электрическую проводимость ? от 10-8 до 106 Ом·см, которая зависит в сильной степени от вида и количества примесей, структуры вещества и внешних условий: температуры, освещения (радиации), электрических и магнитных полей и т.д. Электрические свойства полупроводников зависят от содержания в них атомов примесей и от различных дефектов кристаллической решетки: пустых узлов, атомов или ионов, находящихся между узлами решетки и т.д. Примеси делятся на акцепторные и донарные.

Акцепторные примеси: атомы акцепторных примесей принимают один или несколько электронов, превращаясь в отрицательный ион. Например, для четырехвалентных атомов кремния и германия акцепторным является трехвалентный атом индия (In). В результате внедрения атома индия в кристалл между атомом индия и четырьмя атомами кремния образуется устойчивая восьмиэлектронная оболочка за счет дополнительного электрона, отобранного у одного из соседних атомов полупроводника. На месте ушедшего электрона образуется дырка, которая добавляется к собственным дыркам, порожденным термогенерацией. Таким образом, полупроводник будет обладать преимущественно дырочной электропроводностью. Такой полупроводник называют полупроводником р-типа. Акцепторные примесные уровни расположены вблизи валентной зоны, выше нее на = 0.01...0.05 эB.

Донорные примеси: атомы донорных примесей имеют валентные электроны, слабо связанные со своим ядром. Эти электроны могут легко перейти в зону проводимости полупроводника, в который внедрен атом донорной примеси. При этом атом донорной примеси превращается в положительный ион, а его электрон добавляется к свободным электронам собственной электропроводности.

Донорный уровень находится в верхней части запрещенной зоны полупроводника. Переход электрона с донорного уровня в зону проводимости происходит в случае приобретения им небольшой дополнительной энергии. В этом случае концентрация свободных электронов в полупроводнике превышает концентрацию дырок и полупроводник тогда обладает преимущественно электронной электропроводностью. Такие полупроводники называются полупроводниками n-типа.

Например, для кремния и германия донором будет атом пятивалентной сурьмы (Sb): его четыре валентных электрона вступают в ковалентную связь с четырьмя электронами атомов полупроводника и оказываются в связанном состоянии. Оставшийся пятый электрон сурьмы оказывается свободным.

Влияние температуры на электрофизические параметры полупроводников в основном проявляются в изменении концентрации носителей заряда, что приводит к соответствующему изменению электрической проводимости.

На этом принципе работают полупроводниковые терморезисторы.

Увеличение проводимости полупроводника с повышением температуры является их характерной особенностью (у металлов с повышением температуры проводимость уменьшается).

3. p-n переход . Получение, свойства. Виды пробоев

Электрический переход в полупроводнике - это граничный слой между двумя областями, физические характеристики которых существенно различаются.

Переходы между двумя областями полупроводника с различным типом электропроводности называются электронно-дырочными или p-n-переходами.

Переходы между двумя областями с одним типом электропроводности (n- или p- типом), отличающиеся концентрацией примесей и значением удельной проводимости, называют электронно-электронными ( -n-переход) или дырочно-дырочными ( -p-переход), причем знак "+" в обозначении одного из слоев показывает, что концентрация носителей заряда одного типа в этом слое значительно выше, чем во втором, и поэтому слой имеет меньшее удельное электрическое сопротивление.

Переходы между двумя полупроводниковыми материалами, имеющими различную ширину запрещенной зоны, называют гетеропереходами.

Если одна из областей, образующих переход, является металлом, то такой переход называют переходом металл-полупроводник.

Электрические переходы нельзя создать путем механического контакта двух областей с разными физическими свойствами. Это объясняется тем, что поверхности кристаллов загрязнены оксидами и атомами других веществ, а также при нехимическом контакте возникает воздушный зазор, устранить который невозможно. Поэтому для создания электрических переходов применяют технологические соединения: сплавление, напыление, жидкофазное осаждение и т.п..

Контакт металл-полупроводник.

Пусть уровень Ферми в металле ?FM который всегда расположен в зоне проводимости, лежит выше уровня Ферми полупроводника p-типа ?FP.

Так как энергия электронов металла больше энергии носителей заряда полупроводника, то часть электронов перейдет из металла в полупроводник. Переход будет продолжаться до тех пор, пока уровни Ферми в близи контакта не выровняются, так как в равновесной системе уровень Ферми должен быть единым. В полупроводнике в близи контакта окажется избыточный заряд электронов , которые начнут рекомбинировать с дырками. Концентрация дырок в близи контакта уменьшится, т.к. произведение концентраций nenp в равновесном состоянии постоянно. Уменьшение концентрации дырок приведет к нарушению электронейтральности на этом участке. Отрицательно заряженные ионы акцепторной примеси не будут скомпенсированы зарядами дырок. Вблизи места контакта образуется слой подвижных отрицательно заряженных ионов акцепторной примеси. С уходом электронов из металла тонкий слой, прилегающий к месту контакта, зарядится положительно. В результате у границ контакта возникнут объемные заряды и появится контактная разность потенциалов. Образовавшееся электрическое поле будет препятствовать дальнейшему движению электронов из металла в полупроводник и способствовать переходу электронов из полупроводника p-типа в металл.

Результирующий ток через переход равен нулю в равновесном состоянии. Так как концентрация основных носителей заряда (дырок) в приконтактном слое полупроводника понижена по сравнению с их концентрацией в его объеме, то этот слой имеет повышенное удельное сопротивление, которое будет определять сопротивление всей системы.

Уменьшение или увеличение концентрации носителей заряда характеризуется изменением положения уровня Ферми относительно соответствующих зон. При уменьшении концентрации дырок и увеличении концентрации электронов энергетическое расстояние между потолком валентной зоны и уровнем Ферми увеличивается, а между дном зоны проводимости и уровнем Ферми уменьшается. Поэтому энергетические уровни на узком приконтактном участке, толщина которого характеризуется дебаевской длиной lp, искривлены:

Если к системе подключить внешнее напряжение: "+" - к полупроводнику, "-" - к металлу, то возникнет дополнительное электрическое поле, снижающее внутреннее электрическое поле в переходе. Сопротивление приконтактного высокоомного слоя уменьшается и через переход потечет ток, обусловленный переходом электронов из металла в полупроводник. Увеличение приложенного напряжения приводит к увеличению тока.

При смене полярности приложенного напряжения: "+" - к металлу, "-" - к полупроводнику, внешнее электрическое поле суммируется с внутренним и приконтактый слой расширяется, сопротивление перехода увеличивается. Так как электрическое поле не препятствует движению электронов полупроводника р-типа, электроны проходят через переход, вызывая ток в цепи. Этот ток мал в связи с низкой концентрацией неосновных носителей заряда. Таким образом, переход между металлом и полупроводником обладает вентильными свойствами. Переход называют барьером Шотки.

Аналогичные процессы имеют место при контакте металла с полупроводником n-типа, у которого уровень Ферми выше, чем у металла. Электроны из полупроводника переходят в металл, искривляя вверх энергетические уровни и обедняя контактный поверхностный слой основными носителями заряда.

Это приводит к нарушению электронейтральности на данном участке и образованию областей, состоящих из нескомпенсированных положительных ионов донорной примеси. Возникают контактная разность потенциалов и переход, обладающий вентильными свойствами.

В зависимости от положения уровня Ферми в металле, при его контакте с полупроводником в полупроводнике может образоваться инверсный слой, имеющий противоположный тип электропроводности. Это явление возникает, если взять металл, у которого уровень Ферми ниже середины запрещенной зоны ?F и полупроводник n-типа и соединить. Энергетические уровни изогнутся так сильно, что вблизи валентной зоны уровень Ферми будет ближе, чем половина запрещенной зоны 0.5?3. Такое положение уровня Ферми характеризует электропроводность р-типа.

Контакт полупроводников р- и n- типов.

Электронно-дырочный переход, у которого концентрации основных носителей равны , называют симметричным. Если концентрации основных носителей заряда в областях различны (nn >> nF или nF >> nn) и отличаются в 100...1000 раз, то такие р-n-переходы называют несимметричными. Наиболее распространены несимметричные переходы.

В зависимости от характера распределения примесей, обеспечивающей требуемый тип электропроводности в областях, различают два типа переходов: резкий (cтупенчатый) и плавный. В резком переходе концентрации примесей ан границе раздела областей изменяются на расстоянии, соизмеримом с диффузной длиной, в плавном - на расстоянии, значительно большем диффузной длины. В плавном переходе вентильные свойства ослаблены.

Свойства несимметричного р-n-перехода.

Пусть концентрация дырок в области полупроводника р-типа намного выше концентрации электронов в области n-типа, т.е. слой р более низкоомный. В результате диффузии часть дырок перейдет в n-область, где в близи границы окажутся избыточные дырки, которые будут рекомбинировать с электронами.

Соответственно, в близи границы уменьшится концентрация свободных электронов и образуется область нескомпенсированных положительных ионов донорной примеси.

В р-области после ухода дырок из граничного слоя образуется область с нескомпенсированными отрицательными зарядами акцепторных примесей, созданными ионами.

Аналогично происходит диффузия электронов из n-слоя в р-слой. Перемещение носителей заряда происходит до тех пор, пока уровни Ферми обоих слоев не уравняются. Область образовавшихся неподвижных пространственных зарядов (ионов) и есть область p-n-перехода.

В ней возникает пониженная концентрация основных носителей заряда, т.е. повышенное сопротивление. В зонах, прилегающих к месту контакта p-n-областей, нарушаются условия электронейтральности: в p-области имеется нескомпенсированный отрицательный заряд акцепторных примесей а в n-области - положительный заряд донорных примесей. За пределами p-n-перехода все заряды взаимно компенсируют друг друга, полупроводник остается электронейтральным.

Электрическое поле, возникающее между разноименными ионами, препятствует перемещению основных носителей заряда. Поэтому поток дырок из р-области в область n и электронов из области n в р уменьшается с ростом напряженности электрического поля p-n-перехода. Однако это поле не препятствует движению через переход неосновных носителей заряда, которые генерируются в объеме полупроводника.

Переход неосновных носителей приводит к уменьшению объемного заряда в переходе и, следовательно, уменьшению задерживающего электрического поля.

Как следствие, поток основных носителей заряда увеличивается в результате диффузии и поле принимает исходное значение. При равенстве потоков основных и неосновных носителей заряда и, соответственно, токов, наступает динамическое равновесие.

Ионы в p-n-переходе создают разность потенциалов Uk которую называют потенциальным барьером или контактной разностью потенциалов. Напряженность электрического поля в переходе равна . Значение контактной разности потенциалов определяется положениями уровней Ферми в областях n и p

o - основные, i - неосновные носители заряда.

*При T=300k концентрация донорных примесей , акцепторных примесей , для германиевых полупроводников , для кремниевых полупроводников .

Если к p-n-переходу приложить напряжение U "+" - к p-области, "-" - к n-области, то переход будет смещен в прямом направлении. Это напряжение почти полностью будет падать на p-n-переходе, сопротивление которого во много раз выше сопротивления областей p и n. В p-n-переходе возникает дополнительное внешнее электрическое поле, уменьшающее его внутреннее поле. Потенциальный барьер уменьшится и станет равным U1 = Uk - U. Собственно уменьшится ширина p-n-перехода и его сопротивление. В цепи потечет ток. Но до тех пор, пока |Uk| > |U|, p-n-переход, обедненный носителями заряда, имеет высокое сопротивление и ток мал. При |Uk| = |U| толщина p-n-перехода стремится к 0 и при дальнейшем повышении |U| переход как область, обедненная носителями заряда, исчезает вообще. В результате компенсации потенциального барьера внешним напряжением электроны и дырки, являющиеся основными носителями заряда в p и n областях, свободно диффундируют в области с противоположной электропроводностью. Через переход течет ток, называемый прямым. Введение носителей заряда через электронно-дырочный переход в область полупроводника, где они являются неосновными носителями заряда, за счет снижения потенциального барьера называется инжекцией.

В несимметричном p-n-переходе концентрация дырок в p-области выше на 3-4 порядка ( 103 - 104 ) концентрации электронов в n-области. Диффузный поток дырок во много раз превышает поток электронов и электронным током по этому пренебрегают: имеет место односторонняя инжекция дырок. Инжектирующий слой с относительно малым удельным сопротивлением называют эмиттером. Слой, в который инжектируются неосновные для него носители - базой. Дополнительные неосновные носители заряда в течение компенсируются основными носителями.

Ток диффузии основных носителей заряда при прямом напряжении U равен

где - ток, протекающий через переход в равновесном состоянии, называемый тепловым или обратным током насыщения.

Ток тепловой равен току неосновных носителей заряда через переход при равновесном состоянии. При приложенном напряжении ток неосновных носителей остается без изменения, поэтому результирующий ток через p-n-переход при приложении прямого напряжения равен

Это уравнение идеализированного p-n-перехода, на основе которого рассчитывают вольт-амперные характеристики полупроводниковых приборов.

Переход, смещенный в обратном направлении.

Если к p-n-переходу приложено обратное напряжение: "+" - к n-области, "-" - к p-области, то общий потенциальный барьер повышается.

Движение основных носителей через p-n-переход уменьшится и при некотором значении U совсем прекратится. В этом случае электроны и дырки начнут двигаться от p-n-перехода и дефицит свободных носителей заряда в p-n-переходе увеличится.

При этом ток обусловлен движением неосновных носителей, которые, попав в поле электронно-дырочного перехода, будут им захватываться и переноситься через p-n-переход. Процесс отбора неосновных носителей заряда при обратном включении напряжения называется экстракцией. Уход неосновных носителей заряда из области p-n-перехода приводит к тому, что их концентрация у границ снизится до нуля. Неосновные носители заряда из областей p и n полупроводника начнут диффундировать к границе, компенсируя убыль заряда и создавая электрический ток. При малых значениях обратного напряжения кроме этого тока через p-n-переход движутся основные носители заряда, вызывая противоположно направленный ток

Результирующий ток p-n-перехода при приложении обратного напряжения равен

Тепловой ток , вызванный движением неосновных носителей заряда, остается неизменным при приложенном напряжении. Тепловой ток называют обратным током насыщения или обратным током.

Из рассмотренных случаев следует, что p-n-переход обладает вентильными свойствами. Кроме p-n-переходов существуют p-i, n-i переходы, где i - индекс, обозначающий собственную проводимость.

Наличие высокоомной области с собственной проводимостью приводит к тому, что на переходе падает малая часть приложенного напряжения, вентильные свойства p-i и n-i переходов выражены значительно слабее, чем в p-n-переходе. На основе p-i и n-i переходов создают полупроводниковые приборы, допускающие высокие обратные напряжения.

Особенности реальных p-n-переходов.

В идеальном p-n-переходе обратный ток не зависит от приложенного напряжения. В реальных p-n-переходах обратный ток сильно увеличивается при увеличении напряжения. В кремниевых структурах обратный ток на 2-3 порядка выше теплового. Это объясняется термогенерацией носителей заряда в области p-n-перехода и существованием канальных токов и токов утечки. Канальные токи обусловлены наличием поверхностных энергетических состояний, искривляющих энергетические зоны вблизи поверхности и приводящие к появлению инверсных слоев. Эти слои называются каналами.

На ряду с электропроводностью p-n-переход имеет емкость. Емкостные свойства перехода обусловлены наличием по обе стороны от его границы электрических зарядов, созданных ионами примесей, а так же подвижными носителями зарядов, находящимися вблизи границы. Емкость p-n-перехода подразделяют на барьерную, обусловленную перераспределением зарядов в самом p-n-переходе и диффузную, обусловленную перераспределением зарядов вблизи p-n-перехода. При прямом смещении перехода в основном проявляется диффузная емкость, при обратном смещении заряды в p-n-переходе (в базе) практически не меняются и основную роль играет барьерная емкость. Внешнее напряжение влияет на ширину p-n-перехода, значение пространственного заряда и концентрацию инжектированных носителей заряда, т.е. емкость p-n-перехода зависит от приложенного напряжения и его полярности.

Зависимость

называют вольт-фарадной характеристикой.

Виды пробоев.

Пробой p-n-перехода возникает в случае значительного уменьшения обратного сопротивления, сопровождающегося возрастанием обратного тока при увеличении приложенного напряжения. Имеют место три вида пробоя: туннельный, лавинный, тепловой.

Туннельный пробой возникает в результате туннелирования электронов через потенциальный барьер, высота которого больше, чем энергия носителей заряда. Туннельный пробой наступает тогда, когда напряженность электрического поля возрастает настолько, что становится возможным туннельный переход электронов из валентной зоны полупроводника с электропроводностью одного типа в зону проводимости полупроводника с электропроводностью другого типа.

Туннельный пробой возникает у полупроводниковых приборов, имеющих узкий переход и малое значение удельного сопротивления. При пробое напряженность электрического поля должна быть высокой . При такой напряженности энергетические зоны искривляются настолько, что энергия электронов валентной зоны полупроводника p-типа становится такой же, как и энергия свободных электронов в зоне проводимости полупроводника n-типа. В результате перехода электронов "по горизонтали" из области p в область n возникает туннельный ток. Начало туннельного пробоя оценивается по превышению в 10 раз туннельного тока над обратным. При увеличении температуры напряжения, при котором возникает туннельный пробой, уменьшается. Вольт-амперная характеристика 2 туннельного пробоя представлена на графике.

Лавинный пробой вызывается ударной ионизацией, которая происходит тогда, когда напряженность электрического поля при обратном напряжении велика. Неосновные носители заряда, движущиеся через p-n-переход, ускоряются настолько, что при соударении с атомами в зоне p-n-перехода ионизируют их. В результате ионизации генерируются пары электрон-дырка. Вновь появившиеся носители заряда ускоряются электрическим полем и, в свою очередь, могут вызывать ионизацию следующего атома и т.д. Если процесс ударной ионизации идет лавинообразно, то по тому же закону увеличиваются количество носителей заряда и обратный ток. При лавинной ионизации ток в цепи ограничен только внешним сопротивлением.

Количественной характеристикой лавинного пробоя является коэффициент лавинного умножения MЛ, который показывает, во сколько раз ток IЛ превращает обратный ток MОБР:

Коэффициент MП определяется эмпирическим выражением

где UЛ - напряжение лавинного пробоя, n=3 для p(Si)-n(Ge), n=5 для p(Ge)-n(Si).

Лавинный пробой возникает в высокоомных полупроводниках, имеющих достаточно большую ширину p-n-перехода. Напряжение лавинного пробоя зависит от температуры полупроводника и растет с ее увеличением из-за сокращения длины свободного пробега носителей заряда.

При лавинном пробое падение напряжения на p-n-переходе постоянно, кривая 1.

Тепловой пробой возникает в результате разогрева p-n-перехода, когда количество теплоты, выделяемой током в p-n-переходе, больше количества теплоты, отводимой от него. При разогреве p-n-перехода происходит интенсивная генерация электронно-дырочных пар и увеличение обратного тока через переход. Это вызывает дальнейшее увеличение температуры и обратного тока. В итоге ток через p-n-переход резко увеличивается и наступает тепловой пробой (кривая 3).

Один вид пробоя p-n-перехода может возникнуть как следствие другого вида пробоя.

Размещено на Allbest.ur