- •Н.Д. Ясенев физические основы электроники Учебное пособие
- •Екатеринбург
- •Предисловие
- •Введение
- •Классификация полупроводниковых приборов
- •Глава 1. Физические основы проводимости полупроводников
- •1.1.Электропроводность полупроводников. Беспримесные и примесные полупроводники
- •1.2.Процессы в электронно-дырочном переходе
- •1.3.Инжекция неосновных носителей. Диффузионная и зарядная емкости
- •1.4. Пробой p-n перехода
- •Глава 2. Полупроводниковые диоды
- •2.1. Устройство полупроводниковых диодов
- •2.2. Основные характеристики и параметры диодов
- •2.3. Выпрямительные диоды
- •2.4. Стабилитроны
- •Глава 3. Биполярные транзисторы
- •3.2. Схемы включения транзисторов
- •3.3. Статические характеристики биполярных транзисторов
- •3.5. Параметры предельных режимов работы транзистора
- •Глава 4. Полевые транзисторы
- •Глава 5. Тиристоры
- •5.1. Устройство и принцип действия тиристора
- •5.3. Разновидности тиристоров
- •Глава 6. Интегральные схемы
- •Глава 7. Усилители напряжения, тока, мощности в схемах автоматики
- •7.3. Усилитель переменного тока с трансформаторной связью каскадов
- •7.4. О режимах работы усилительных каскадов
- •7.5. Усилители постоянного тока
- •7.8. Понятие об операционном усилителе.
- •Глава 8. Полупроводниковые триггеры
- •Глава 9. Мультивибраторы и одновибраторы.
- •9.1. Исходные положения
- •Глава 10. Блокинг-генератор
- •Глава 11. Генераторы линейно изменяющегося напряжения
- •Глава 1. Физические основы проводимости полупроводников 7
- •Глава 8. Полупроводниковые триггеры. 97
- •Глава 9. Мультивибраторы и одновибраторы. 105
- •Глава 10. Блокинг-генератор. 111
- •Глава 11. Генераторы линейно изменяющегося напряжения. 114
- •620002 Екатеринбург, ул. Мира 19
1.2.Процессы в электронно-дырочном переходе
Основой полупроводниковых устройств является электронно-дырочный переход (p-n переход). Это переходный слой между двумя областями полупроводника, одна из которых имеет электропроводность p-типа, а другая – n-типа. P-n переход получают в едином кристалле полупроводника путем легирования его донорной и акцепторной примесями. Слева от границы раздела (рис. 6) электронов меньше, чем справа, поэтому они стремятся дифундировать в р-область. Попадая в р-область они рекомбинируют с дырками и их концентрация быстро падает. Аналогично дырки переходят в n-область и тоже рекомбинируют с электронами. В силу этого имеет место ток диффузии
I диф = Ip диф + In диф , (1.6)
направление которого совпадает с направлением диффузии дырок.
Вследствии диффузии основных носителей в их областях остается нескомпенсированный заряд ионизированных атомов примеси. Таким образом, вблизи границы раздела образуется переходный слой из противоположных по знаку зарядов. Они создают электрическое поле, направленное от положительных доноров к отрицательным акцепторам, т.е. от n-области к p-области. Между p и n областями создается разность потенциалов Uкн , которая называется контактной. Для германиевых p-n переходов U кн = 0,3 - 0,4 В, для кремниевых – Uкн = 0,7 - 0,8 В. Это поле препятствует диффузии основных носителей в соседнюю область , создавая потенциальный барьер. Это, в свою очередь, препятствует выравниванию концентраций носителей по объему кристалла. Поскольку в объеме кристалла имеются неосновные носители (дырки в n-области и электроны в p-области) электрическое поле p-n перехода способствует переходу неосновных носителей в соседнюю область (электронов – в n-область, дырок – в p-область). Таким образом создается ток неосновных носителей, который называется тепловым током
Io = Ion + Iop . (1.7)
Этот ток мал.
За положительное направление тока принимают направление тока диффузии.
Наличие контактной разности потенциалов приводит к снижению тока диффузии, вследствие чего суммарный ток через p-n переход
Ip-n = Iдифo - Io = 0. (1.8)
Это приводит к образованию слоя, обедненного подвижными носителями, который обладает малой удельной проводимостью и называется запирающим. Его ширина
, (1.9)
г
Рис.
6 . р-n
переход:
а
– схематичный
p-n
переход; б
– распределение
концентрации; в
– схема
переноса зарядов; г
– распределение
плотности объемного заряда; д
– диаграмма
напряженности поля; с
– потенциальный
барьер p-n
перехода
– относительная диэлектрическая проницаемость кристалла;
Nд n; Nа p – концентрация ионизированных атомов донорной и акцепторной примесей.
Обычно переход несимметричен. Если Nа >> N д , то
. (1.10)
Рис.6.
Р-n
переход
Обратное смещение p-n перехода
При обратном направлении подаваемого на p-n переход смещения, (рис.7, а) источник подключается так, чтобы поле, создаваемое внешним источником, совпадало по направлению с полем p-n перехода. При этом потенциальный барьер увеличивается и становится равным
U = Uкн + U . (1.11)
Из-за его роста количество носителей заряда, способных преодолеть отталкивающее действие результирующего поля, уменьшается. Соответственно уменьшается и ток диффузии (рис.7).
а б
Рис. 7. р-n переход при: а – обратном смещении; б – прямом смещении
Под действием электрического поля, создаваемого источником напряжения U, основные носители заряда будут оттягиваться от приконтактного слоя. Из-за этого ширина запирающего слоя возрастает. Рост внешнего обратного напряжения приведет к сокращению количества подвижных носителей заряда, отчего диффузионный ток будет стремиться к нулю. Снижение Iдиф происходит по экспоненте:
; , (1.12)
здесь In0, Ip0 – диффузионный ток электронов и дырок при U = 0.
Тепловой ток зависит от концентрации неосновных носителей заряда в n- и p областях и не зависит от напряжения, приложенного к переходу. Полный ток через переход равен
. (1.13)
Прямое смещение p-n перехода
При прямом направлении смещения (рис.7,б) внешний источник напряжения включается так, что поле, создаваемое им в p-n переходе, направлено навстречу собственному полю перехода. Это приводит к уменьшению потенциального барьера. Облегчается диффузия основных носителей заряда и появляется диффузионный ток. Так как прямое напряжение вызывает встречное движение дырок и электронов, их концентрация в переходной области растет, ширина запрещающего слоя уменьшается.
Зависимость тока диффузии от прямого напряжения имеет вид
. (1.14)
Тепловой ток по-прежнему не зависит от напряжения. Полный ток через переход равен
. (1.15)
Вольт-амперная характеристика перехода показана на рис. 8.
Н
Рис.
8. Вольтамперная харак- теристика
p-n
перехода
При прямом смещении с одной стороны растет ток за счет роста I0 , а с другой из-за нагрева уменьшается проводимость полупроводникового кристалла, отчего ток снижается.
Рис.8.
Вольт-амперная характеристика р-n
перехода