Чем объясняются емкостные свойства p n перехода

Емкостные свойства p-n перехода.

1.4.1.Барьерная (зарядная) емкость перехода. Так как объемный заряд представляет собой двойной слой противоположных по знаку неподвижных зарядов, то каж­дый из слоев можно уподобить обкладке плоского конденсатора. Отличи­тельной особенностью его от конденсатора с металлическими обкладками является то, что заряды распределены по некоторому объему.

Емкость такого конденсатора определяется отношением изменения объемного заряда к изменению напряжения: .

Ее назвали барьерной или зарядной емкостью p-n перехода.

Теория показывает, что барьерную емкость можно вычислить по фор­муле

емкости обычного плоского конденсатора:

Поскольку ширина перехода зависит от постоянного напряжения U, приложенного к переходу, то и C _бар будет зависеть от U. Так, для ступенчатого

.

1.4.2. Диффузионная емкость p-n перехода. При прямом смещении p-n перехода в p и n областях за счет явления инжекции происходит накопление подвижных неравновесных носителей заряда. Отношение изменения инжектированного заряда

к изме­нению напряжения на переходе определяет диффузионную емкость, т.е.

.

Полная емкость p-n перехода .

При малых обратных напряжениях и при прямом смещении, преобладает диффузионная емкость, а при больших обратных напряжениях (|U|>(3¸4)j_T)-барьерная.

Наличие ёмкости перехода приводит к появлению емкостного фазово­го сдвига между током и напряжением при работе электронно-дырочного перехода на малом переменном токе. p-n переход для малой переменной составляющей тока можно представить в виде эквивалентной схемы, пока­занной на рис.1.15. Заметим, что параметры эквивалентной схемы за­висят от постоянного смещения, поданного на переход. За счет ёмкости p-n перехода ухудшаются его выпрямляющие свойства с увеличением частоты переменного напряжения.

Дата добавления: 2015-06-12 ; просмотров: 1528 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ

Источник

2.6. Емкостные свойства р-n-перехода

P—n—переход обладает емкостными свойствами, т.е. способностью накапливать и соответственно отдавать заряд носителей при увеличении или уменьшении приложенного напряжения. Накопление заряда происходит в самом переходе и вблизи него (в базовой области), в соответствии с этим различают две составляющие емкости перехода ( ): барьерную ( ) и диффузионную ( ).

Емкость p—n-перехода равна сумме барьерной и диффузионной емкостей:

Барьерная (или зарядная) емкость характеризуется сосредоточением по обе стороны границы раздела р- и n-слоев объем­ных зарядов, создаваемых ионами примесей. Физическим аналогом барьерной емкости приближенно может служить емкость плоского конденсатора.

Значение барьерной емкости может быть рассчитано по формуле для плоского конденсатора:

где S – площадь металлургического контакта, l – толщина перехода.

Наличие барьерной (зарядной) емкости проявляется протеканием тока через p—n-переход вследствие изменения объемных зарядов (а следовательно, ширины p—n-перехода) при изменении напряжения на переходе и определяется из соотношения:

Зарядная емкость возрастает с уменьшением толщины p—n-перехода, т.е. при снижении обратного напряжения. Она выше при прямых напряжениях, чем при обратных. Величина барьерной емкости зависит от площади p—n-перехода и мо­жет составлять десятки и сотни пикофарад. Зависимость барьерной емкости p—n-перехода от обратного напряжения используется в варикапах (параметрических диодах), применяемых в качестве конденсаторов переменной емкости, управляемых напряжением.

Барьерная емкость (рис. 2.11) зависит от обратного напряжения. Эта зависимость называется – вольт-фарадной характеристикой p—n-перехода. Она нелинейная, поскольку обратно пропорциональна ширине перехода (см. формулу (2.7)), а ширина перехода пропорциональна квадратному корню из напряжения на переходе (см. формулу (2.5)).

В отличие от барьерной емкости, зависящей от ширины области объемного заряда p—n-перехода, диффузионная емкость зависит от изменения суммарных зарядов неравновесных элек­тронов и дырок соответственно слева и справа от p—n-перехода в ре­зультате изменения напряжения на нем (см. рис. 2.4, в). Так как эти заряды создаются за счет диффузии (инжекции) носителей через p—n-переход, диффузионную емкость следует учитывать при прямом напряжении смещения. В несимметричных p—n-переходах, для кото­рых p_p > n_n диффузионная емкость определяется преимущест

венно суммарным зарядом неравновесных дырок в n-слое, величина кото­рого изменяется при изменении прямого напряжения.

Значение диффузионной емкости зависит от протекающего через р-п-переход прямого тока и может составлять сотни и тысячи пикофарад, т.е. она существенно больше барьерной емкости. Таким образом, при прямых напряжениях смещения емкость p—n-перехода опреде­ляется в основном диффузионной емкостью, а при обратных напряжениях, когда диффузионная емкость равна нулю, – барьерной емкостью.

Источник

Емкостные свойства p-n перехода

Кроме электропроводимости, p-n переход имеет и определённую ёмкость. Это обусловлено тем, что по обе стороны от металлургической границы могут появляться как неподвижные заряды в виде ионов примесей, так и подвижные в виде электронов и дырок.

Различают барьерную и диффузионную ёмкости.

Барьерная ёмкость С_бар обусловлена наличием в обеднённом слое противоположно заряженных ионов примесей, выполняющих роль диэлектрика, а низкоомные области (n и p) – роль “пластин’ конденсатора.

Известно, что ёмкость плоского конденсатора определяется:

где: S – площадь пластин конденсатора;

d – расстояние между пластинами (толщина диэлектрика).

Величину С_бар для резкого перехода можно определить из приближённого выражения:

где: S и d – площадь и толщина p-n перехода, соответственно.

С увеличением обратного напряжения (U_обр) барьерная ёмкость уменьшается из-за увеличения толщины перехода d.

Зависимость С_бар=f(U_обр) называется вольт-фарадной характеристикой

При подключении к p-n переходу прямого напряжения барьерная ёмкость несколько увеличивается вследствие уменьшения d. Однако в этом случае приращение зарядов за счёт инжекции играет большую роль и теперь ёмкость p-n перехода определяется, в основном, диффузионной составляющей ёмкости.

Диффузионная ёмкость С_диф. характеризует накопление неравновесных зарядов (неосновных носителей) по обе стороны металлургической границы. Так как время жизни электронов и дырок до наступления рекомбинации конечно, то по обе стороны металлургической границы появляются дополнительные объёмные заряды, величина которых для малых приращений напряжений линейно увеличивается при увеличении прямого тока I_пр:

С_диф.= К_д•I_пр.; где К_д – коэффициент, определяемый свойствами p-n перехода.

U_пр

График изменения тока через p-n переход при

U_обр изменении полярности напряжения

I_пр

При прямом токе, как правило С_диф. > С_бар.

Источник

Емкостные свойства р-n перехода

Наличие в р-n переходе ионов примесей и подвижных носителей заряда, находящихся вблизи границы перехода, обуславливает его емкостные свойства (рис. 5).

Имеются две составляющие емкости р-n перехода: барьерная (зарядная) С_бар и диффузионная С_диф. Барьерная емкость обусловлена наличием в р-n переходе ионов донорной и акцепторной примесей, р- и n-области образуют как бы две заряженные обкладки конденсатора, а сам обедненный слой служит диэлектриком. В общем случае

, (8)

где С₀ – емкость р-n перехода при U_обр = 0 (300…600 пФ);

γ – коэффициент, зависящий от типа перехода (для резких р-n переходов γ = 1/2, для плавных γ = 1/3).

С увеличением обратного напряжения барьерная емкость уменьшается. Такое свойство барьерной емкости позволяет использовать переход как емкость, управляемую величиной обратного напряжения.

Зависимость емкости от приложенного напряжения называется вольтфарадной характеристикой. Характер зависимости С_бар = f(U_обр) показан на рис. 6, где кривая 1 соответствует плавному р-n переходу, а кривая 2 – резкому.

Диффузионная емкость обусловлена изменением числа неравновесных носителей заряда в базе при возрастании прямого напряжения на переходе (кривая 3 на рис. 6):

, (9)

где I_пр – прямой ток, протекающий через переход;

τ – время жизни инжектированных носителей.

Диффузионная емкость всегда зашунтирована малым прямым сопротивлением р-n перехода и во многом определяет быстродействие полупроводниковых элементов.

ЛИТЕРАТУРА

2. Основы промышленной электроники /Под ред. В.Г. Герасимова.- М.: Высшая школа, 1985.

3. Основы теории цепей; Учебник для ВУЗов. /В.П.Бакалов и др. 2-ое изд. перераб. и доп. – М.; 2000.

4. Сборник задач по электротехнике и основам электроники / Под ред. В.Г. Герасимова.- М.: Высшая школа, 1987.

6. Хоровиц П., Хилл У.. Искусство схемотехники.- М.:Мир, 1997.

7. Амочаева Г.Г. Электронный конспект лекций.

1. Алексеенко А.Г., Шагурин Н.И. Микросхемотехника. Учебное пособие для вузов.- М.: Радио и связь, 1990.

2. Жеребцов И.П. Основы электроники.- Л.: Энергоатомиздат, 1990.

3. Попов В.П., Основы теории цепей.- Учебник для ВУЗов.- 3-е изд. испр.-М.: Высшая школа, 2000.

4. Электротехника и электроника в экспериментах и упражнениях: Практикум на Electronics Workbench. в 2-х томах, Под ред. Д.И. Панфилова ДОДЭКА, 1999.-т.1-Электроника.

5. Электротехника/Ю.М. Борисов, Д.Н. Липатов, Ю.Н. Зорин. Учебник для вузов.- 2-е изд., перераб. и доп.- М.: Энергоатомиздат, 1985.

Полупроводниковые приборы

План лекции

1. Полупроводниковые диоды.

2. Биполярные транзисторы.

2.1. Режимы работы биполярного транзистора.

2.2. Принцип действия биполярного транзистора.

2.3. Токи в биполярном транзисторе.

2.4. Система h-параметров.

2.5. Параметры биполярных транзисторов.

3. Полевые транзисторы.

3.1. Параметры полевых транзисторов.

Полупроводниковые диоды

Полупроводниковым диодом называется электропреобразовательный прибор, содержащий один или несколько переходов и два вывода для подключения к внешней цепи. Полупроводниковый диод как элемент электрической цепи является нелинейным двухполюсником, имеет два вывода и нелинейную ВАХ.

Большинство полупроводниковых диодов выполняют на основе несимметричных р-n переходов.

Полупроводниковые диоды классифицируются по типу исходного материала, конструктивно-технологическим особенностям, назначению и пр.

По типу исходного материала диоды бывают германиевые, кремниевые, селеновые, карбид-кремниевые, арсенид-галлиевые и др.

По конструктивно-технологическим особенностям диоды бывают точечные, сплавные, микросплавные, диффузионные, эпитаксиальные, с барьером Шотки, поликристаллические и др.

По назначению диоды делятся на

— выпрямительные (силовые), предназначенные для преобразования переменного напряжения источников питания промышленной частоты в постоянное;

— стабилитроны (опорные диоды), предназначенные для стабилизации напряжений, имеющих на обратной ветви ВАХ участок со слабой зависимостью напряжения от протекающего тока;

— варикапы, предназначенные для использования в качестве емкости, управляемой электрическим напряжением;

— импульсные, предназначенные для работы в быстродействующих импульсных схемах;

— туннельные и обращенные, предназначенные для усиления, генерирования и переключения высокочастотных колебаний;

— сверхвысокочастотные, предназначенные для преобразования, переключения, генерирования сверхвысокочастотных колебаний;

— светодиоды, предназначенные для преобразования электрического сигнала в световую энергию;

— фотодиоды, предназначенные для преобразования световой энергии в электрический сигнал.

Биполярные транзисторы

Биполярным транзистором называется полупроводниковый прибор с двумя взаимодействующими р-n переходами. Биполярные транзисторы различаются по структуре. В зависимости от чередования областей различают биполярные транзисторы типа «p-n-p» и «n-p-n» (рис. 1).

Область транзистора, расположенная между р-n переходами, называется базой. Область транзистора, из которой происходит инжекция носителей в базу, называется эмиттером, а соответствующий переход – эмиттерным.

Область транзистора, осуществляющая экстракцию носителей из базы, называется коллектором, а переход – коллекторным.

По применяемому материалу транзисторы делятся на германиевые, кремниевые и арсенид-галлиевые.

По технологии изготовления транзисторы бывают сплавные, диффузионные, эпитаксиальные, планарные. Толщина базы делается значительно меньше диффузионной длины неосновных носителей в ней. При равномерном распределении примеси в базе внутренне электрическое поле в ней отсутствует, и неосновные носители движутся вследствие процесса диффузии. Такие транзисторы называются диффузионными или бездрейфовыми. При неравномерном распределении примесей в базе имеется внутреннее электрическое поле, и неосновные носители движутся в ней в результате дрейфа и диффузии. Такие транзисторы называются дрейфовыми. Кроме того, концентрация атомов примесей в эмиттере и коллекторе (низкоомные области) значительно больше, чем в базе (высокоомная область).

Площадь коллекторного перехода больше эмиттерного, что способствует увеличению коэффициента переноса носителей из эмиттера в коллектор.

По мощности, рассеиваемой коллекторным переходом, транзисторы делятся на:

— малой мощности (Р 1, 5 Вт).

По частотному диапазону транзисторы делятся на:

Источник

Полупроводниковые приборы. Диоды. p-n-переход

Механизм проводимости в полупроводниках, p-n-переход.

Прежде всего поясним само понятие — полупроводник. Нам знакомы уже материалы,
резко отличающиеся друг от друга по проводимости: медь (как проводник с весьма незначительным электрическим сопротивлением), уголь или высокоомный провод (как материал для изготовления резисторов) и различные пластмассы (как изоляционный материал, обладающий очень высоким электрическим сопротивлением). Полупроводник занимает место между проводником и изолятором (диэлектриком). В некоторых условиях он ведет себя как проводник, при других обстоятельствах — как диэлектрик. Чем же это объясняется? Исходным материалом для полупроводниковых диодов служат германий (Ge) и кремний (Si). Из курсов физики и химии нам знакомо строение атома. Мы знаем, что атом состоит из положительно заряженного ядра и отрицательно заряженных электронов, вращающихся вокруг ядра по стабильным орбитам. Электронная оболочка атома германия состоит из 32 электронов, четыре из которых вращаются по его внешней орбите.

Именно эти четыре электрона, называемые валентными, существенным образом определяют его свойства. Атом германия стремится приобрести устойчивую структуру, присущую атомам инертных газов и отличающуюся тем, что на внешней их орбите находится всегда строго определенное число электронов (например, 2, 8, 18 и т. д.).Таким образом, для приобретения подобной структуры атому германия потребовалось бы принять на внешнюю орбиту еще четыре электрона. Практически это осуществляется за счет того, что каждый валентный электрон объединяется в электронную пару с валентным электроном соседнего атома. Орбита каждого из валентных электронов становится общей для двух соседних атомов, а сами атомы германия приобретают устойчивую структуру, характерную для атомов инертных газов. Связи, возникающие при этом в кристалле германия, называют парно-электронными или ковалентными.

Нас в основном интересуют электрические свойства полупроводников. Как видно из рисунка, все электроны на внешних орбитах атомов связаны со своими ядрами; свободных электронов нет. Такой кристалл ведет себя электрически как изолятор (диэлектрик). Под воздействием окружающей температуры атомы в узлах кристаллической решетки будут колебаться относительно положения покоя. В силу различных обстоятельств отдельные электроны время от времени могут отрываться от „своего» атома и свободно перемещаться в кристалле. В том месте, откуда ушел валентный электрон и где, следовательно, теперь недостает отрицательного заряда, образуется положительный пространственный заряд, именуемый дыркой. Такая дырка может быть заполнена электроном с внешней орбиты соседнего атома, в результате чего этот атом также приобретает положительный заряд. Так эстафетным порядком дырка может хаотично перемещаться по всему кристаллу. Если к кристаллу приложить электрическое напряжение, то свободные электроны потекут к положительному полюсу, а дырки (в таком же количестве) — к отрицательному. Для нас важно знать, что электрическая проводимость полупроводника в равной мере определяется как электронами (носителями отрицательного заряда), так и дырками (носителями положительного заряда). С ростом температуры собственная проводимость кристалла (электрическая проводимость беспримесного вещества) все более возрастает. При низких температурах германий ведет себя как диэлектрик, при высоких — как электрический проводник.
Однако на электропроводность полупроводника можно влиять и иным путем. В узлы кристаллической решетки внедряют в качестве примесных посторонние атомы (этот процесс носит название легирования), имеющие пять или три валентных электрона, Примеси с тремя валентными электронами называют акцепторами, с пятью — донорами. Но ведь для образования ковалентных связей требуются, как указывалось выше, четыре валентных электрона. Поэтому в зависимости от типа примесей в кристалле образуются либо дополнительные электроны проводимости, либо дырки, число и подвижность которых уже при комнатной температуре весьма значительны. Донорной примесью, например для германия может быть пятивалентная сурьма. Атом донорной примеси образует с помощью четырех электронов ковалентные связи с четырьмя соседними атомами полупроводника пятый электрон атома примеси уходит и становится свободным. Акцепторная примесь, например индий, наоборот отрывает от атомов полупроводника электроны и присоединяет к себе. В результате образуется огромное количество дырок.

Таким образом, электрическая проводимость полупроводника в результате легирования существенно возрастает. Полупроводник с избыточными электронами проводимости называют полупроводником n-типа, с избыточными дырками полупроводником р-типа. Электрическая проводимость р-типа определяется дырками, поэтому их называют здесь основными носителями заряда, а электроны проводимости — неосновными. В полупроводнике n-типа — наоборот.
Рассмотрим, какие физические процессы происходят при контакте двух полупроводников с различным типом проводимости, или, как говорят, в р—n-переходе. Полученный полупроводниковый прибор называется полупроводниковым диодом.

При контакте плоских шлифов р- и n-полупроводника образуется граничный слой, в котором носители отрицательного и положительного зарядов оказывают взаимное влияние друг на друга. Вследствие диффузии носителей заряда в n-области возникает положительный, а в p-области — отрицательный пространственный заряд. Разность потенциалов между n и p-областями носит название контактной разности потенциалов (у германия

При изменении полярности приложенного напряжения, основные носители начинают отсасываться из контактного слоя. Возникает высокий потенциальный барьер, преодолеть который основные носители практически не в состоянии (высокое электрическое сопротивление). Переход оказывается включенным в запорном направлении. К неосновным носителям (электроны проводимости в p-области и дырки в n-области) сказанное не относится. Их прохождению через граничный слой приложенное напряжение не препятствует. Возникает ток неосновных носителей, называемый обратным током. Поскольку концентрация неосновных носителей значительно ниже, чем основных, обратный ток существенно меньше прямого. Поэтому говорят, что p-n-переход обладает выпрямляющим эффектом.

Емкостные свойства электронно-дырочного перехода

В тонком слое, образующемся на границе двух полупроводников с различными типами электропроводности, содержатся ионизированные неподвижные атомы примеси и почти нет подвижных носителей зарядов — электронов и дырок. Вследствие этого такой слой обладает свойствами диэлектрика, и ЭДП (электронно-дырочный переход) можно рассматривать как плоский конденсатор, обкладками которого являются нейтральные р- и n-области. Если к р- и n-областям приложить обратное напряжение, толщина р-n-перехода и расстояние между «пластинами» конденсатора увеличатся, а его емкость уменьшится.
Эта емкость р-n-перехода получила название зарядной, или барьерной, так как ее наличие обусловлено существованием положительных и отрицательных зарядов, или потенциального барьера на границе р- и n-областей. Барьерная емкость возникает в основном при обратных напряжениях на р-n-переходе.
Емкостные свойства р-n-перехода используются в полупроводниковых диодах, называемых варикапами. В варикапах величину зарядной емкости изменяют путем изменения приложенного к нему обратного напряжения.

Устройство диодов

Характеристика полупроводникового диода

Будем увеличивать прямое напряжение на диоде и замечать величины токов. По полученным данным построим график зависимости прямого тока от прямого напряжения. Рассмотрим этот график.

Теперь изменим полярность подключения батареи. Будем увеличивать обратное напряжение замечая величины токов построим график зависимости обратного тока от обратного напряжения. Рассмотрим его.

Обратный ток очень мал и почти не зависит от величины обратного напряжения т. к. он образован дрейфовым током т. е. неосновными носителями зарядов. Но при каком-то определенном напряжении обратный ток резко возрастает. Это явление называется электрическим пробоем. Объясняется это тем, что электроны приобретают большую скорость и ударяя об атомы выбивают их них электроны. Электрический пробой безопасен, если напряжение уменьшить диод останется исправным. Если же продолжать увеличивать напряжение то электрический пробой переходит в тепловой пробой. Это значит что диод нагревается и ток резко увеличивается за счет ухода электронов со своих атомов от повышения температуры.Тепловой пробой разрушает полупроводник, диод неисправен.

Источник