Моделі напівпровідникових приладів

Моделі напівпровідникових приладів, як правило, нелінійні, можна сформувати двома способами. При першому (фізичному) способі проводять аналіз електричних процесів, що відбуваються в структурі напівпровідникового приладу, виражають струми й напруги на електродах приладу відповідно до процесів, що відбуваються в ньому, що, власно, і дає ВАХ приладу. Отриману модель представляють базовими моделями резисторів, індуктивностей і ємностей, залежними й незалежними джерелами струму й напруги, додавши реактивні компоненти, що відповідають властивостям конструктивного виконання приладу, одержують повну модель, причому в неї входять параметри структури приладу і його корпуса.

При другому підході використовується ВАХ приладу, що відома або знята експериментально. ВАХ апроксимується із заданою точністю на тій ділянці, на якому передбачається робота приладу. При цьому модель буде містити деякі емпіричні коефіцієнти, не пов'язані з реальною фізичною структурою приладу. При другому підході за основу може бути прийнята також деяка графічна модель.

Модель напівпровідникового діода

Напівпровідниковий діод – електронний перетворювальний прилад, що складається з одного p-n-переходу. Структура діода з електронно-отвірним переходом і його умовне позначення показані на рис. 22.

Рис. 22

Електронно-отвірним переходом називається тонкий шар між двома частинами напівпровідникового кристала, у якому одна частина має електронну провідність (n-типу), а інша – отвірну (p-типу). Будова електронно-отвірного переходу показана на рис. 23.

Рис. 23

[5]. Виникнення різних видів провідності в кристалах напівпровідника обумовлене наявністю в них легуючих домішок. Домішки, що викликають у напівпровіднику збільшення електронів називаються донорними, а збільшення отворів – акцекторними. Концентрація електронів в одній частині й концентрація дірок в іншій частині істотно відрізняються. Крім того в обох частинах є невелика концентрація неосновних носіїв.

Електрони в n-області прагнуть проникнути в p-область, де концентрація електронів значно нижче. Аналогічно дірки з p-області переміщаються в n-область. У результаті зустрічного руху протилежних зарядів виникає так званий дифузійний струм. Електрони й отвори, перейшовши через межу розділу, залишають після себе протилежні заряди, які перешкоджають подальшому проходженню дифузійного струму. Розподіл щільності об'ємного заряду показано на рис. 23.

При цьому всередині кристалу на межі розділу виникає власне електричне поле. Висота потенційного бар'єру на p-n-переході визначається контактною різницею потенціалів областей. Контактна різниця потенціалів залежить від концентрації домішок в областях.

Висоту потенційного бар'єру можна змінювати прикладенням зовнішньої напруги до p-n-переходу. Якщо зовнішня напруга створює поле, що збігається із внутрішнім, то висота потенційного бар'єру збільшується й струм через перехід відсутній. При зворотній полярності прикладеної напруги висота потенційного бар'єру зменшується. Якщо прикладена напруга досягає значення контактної різниці потенціалів, то потенційний бар'єр зникає повністю. У результаті через p-n-перехід починає протікати струм (рис. 24).

Рис. 24

Зворотний струм, що виникає в p-n-переході, викликаний неосновними носіями зарядів однієї з областей.

Вольт-амперну характеристику реального діода можна представити у вигляді рис. 25.

Рис. 25

На практиці досить часто використовують кусочно-лінійну апроксимацію ВАХ, що досить точно відповідає реальній на окремих ділянках характеристики. Замінимо ВАХ наступною кусочно-ламаною лінією (рис. 26):

Рис. 26 Рис. 27

Параметри апроксимуючих прямих: R_i, e₀, I₀, R_у, U_пр, R_пр визначаються по характеристиці на окремих її ділянках. Даній апроксимації відповідає кусочно-лінійна модель напівпровідникового діода. Її можна представити у вигляді наступної еквівалентної схеми (рис. 27): Положення ключа K на зазначеній моделі визначається з наступних умов:

1. положення при i>0, u>e₀.

2. положення при 0≤U≤e₀.

3. положення при -U_пр≤U≤0; i<0.

4. положення при U< -U_пр.

Подібна модель достатня спрощена, вона використовується звичайно при початковому наближеному розрахунку електронної схеми, при самих грубих наближеннях її іноді ще більше спрощують і приводять до виду (рис. 28):

Рис. 28