Полупроводниковый p-n- переход

Полупроводниковым p-n- переходом называют тонкий слой, образующийся в месте контакта двух областей полупроводников акцепторного и донорного типов (см. рис. 19). Обе области полупроводника, изображенные на рисунке, электрически нейтральны, поскольку как сам материал полупроводника, так и примеси электрически нейтральны. Отличия этих областей - в том, что левая из них содержит свободно перемещающиеся дырки, а правая свободно перемещающиеся электроны.

 

Рисунок 19 Распределение зарядов в области p-n- перехода

В результате теплового хаотического движения одна из дырок из левой области -типа может попасть в правую область -типа, где быстро рекомбинирует с одним из электронов. В результате этого в правой области появится избыточный положительный заряд, а в левой области - избыточный отрицательный заряд (см. рис. 19). Аналогично, в результате теплового движения один из электронов из левой области может попасть в правую, где быстро рекомбинирует с одной из дырок. В результате этого в правой области также появится избыточный положительный заряд, а в левой области - избыточный отрицательный заряд.

Появление этих зарядов приведет к появлению электрического поля на границе областей полупроводника. Это поле будет отталкивать дырки - области от границы раздела полупроводников, а электроны -области - вправо от этой границы. С электрическим полем можно связать потенциальную энергию дырки и электрона в областях (см. рис. 19). Получается, что дырка для перехода из -области в -область должна "забраться" на потенциальный порог высоты . На аналогичный порог должен "забраться" электрон для перехода из -области в -область.

Если к переходу приложить внешнюю разность потенциалов , как это показано на рис. 20 (а) (это - так называемое прямое включение перехода), то внешнее поле уменьшит существующее в кристалле поле , (так как не совпадает по направлению с внутренним), высота порогов на рис. 20 уменьшится, тогда ток основных носителей возрастет.

 

Рисунок 20 Потенциальные пороги вблизи p-n- перехода при прямом включении внешнего напряжения на нем

 

Рисунок 21 Потенциальные пороги вблизи p-n- перехода при обратном включении внешнего напряжения на нем

Лекция 6

ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ

Полупроводниковый диод – это полупроводниковый прибор (устройство) с двумя выводами, в котором используются свойства р-n- перехода.

По назначению полупроводниковые диоды можно кратко классифицировать:

• выпрямительные;
• стабилитроны;
• туннельные;
• варикапы.

Выпрямительные диоды

Выпрямительный полупроводниковый диод – это полупроводниковый диод, предназначенный для преобразования переменного тока, полярность которого меняется в течении периода колебаний (синусоида) в ток одной полярности.

В основе работы выпрямительных диодов лежит свойство односторонней проводимости р-n- перехода, которое заключается в том, что последний хорошо проводит ток (имеет малое сопротивление) при прямом включении и практически не проводит ток (имеет очень высокое сопротивление) при обратном включении. Напомним, что работа всех полупроводниковых приборов зависит от их температуры.

На рисунке приведена типичная характеристика диода. Она называется «Вольт-Амперной» и показывает как меняется ток (Ампер) через диод при изменении напряжения на нем (Вольт). Следует обратить внимание, что масштабы на полуосях как аргумента так и функции разные.

 

Рисунок 22 Вольт-амперные характеристики диода

Первая четверть соответствует прямому включению p-n перехода, а третья – обратному. Сильное увеличение силы прямого тока при малых изменениях напряжения (малое сопротивление диода) приводит к тому, что диод сильно нагревается проходящим током и может разрушиться от высокой температуры. Это не восстановимое разрушение и называется «Тепловой пробой»

При обратном включении обратный ток даже при очень больших напряжениях изменяется очень мало до определённого предела значения обратного напряжения, после которого происходит резкое увеличения обратного тока. Это наступает «Электрический пробой», не разрушающий p-n перехода. После снятия напряжения диод восстанавливается и может работать дальше. Это явление используется для стабилизации напряжения при изменении силы тока.

На рисунке приведена схема элементарного выпрямителя и временные диаграммы процессов, протекающих в нем. Условное обозначение диода похоже на стрелочку. Направление стрелки показывает направление прямого тока (или плюсовой вывод диода)

 

Рисунок 23 Схема параметрического выпрямителя

Когда ЭДС источника имеет положительную полуволну, диод включается в прямом направлении и имеет малое сопротивление, следовательно, суммарное сопротивление цепи составляет в основном сопротивление нагрузки, оно же и определяет по закону Ома значение проходящего тока. При отрицательной полуволне источника диод включается в обратном направлении, общее сопротивление цепи резко возрастает и ток практически отсутствует. Таким образом, в нагрузке появляется пульсирующий ток, но одной полярности. Его нельзя назвать постоянным, но так как он одной полярности, его можно назвать «выпрямленным». Пульсацию можно сгладить разными фильтрами.

Стабилитроны

Полупроводниковый стабилитрон – это полупроводниковый диод, напряжение на котором в области электрического пробоя слабо зависит от тока и который используется для стабилизации напряжения.

В полупроводниковых стабилитронах используется свойство незначительного изменения обратного напряжения на р-n- переходе при электрическом (лавинном или туннельном) пробое. Это связано с тем, что небольшое увеличение напряжения на р-n- переходе в режиме электрического пробоя вызывает более интенсивную генерацию носителей заряда и значительное увеличение обратного тока.

 

Рисунок 24 Вольтамперная характеристика стабилитрона

Из рисунка видно, что значительное изменение обратного тока через диод приводит к незначительному изменению обратного напряжения.

Далее на рисунке представлена простейшая схема стабилизатора напряжения на нагрузке

 

Рисунок 25 Принципиальная схема параметрического стабилизатора напряжения

По первому закону Кирхгофа ток в ограничивающем сопротивлении R_огр представляет собой сумму токов в стабилитроне и в резисторе нагрузки. Стабилитрон (как диод) включен к источнику в обратном направлении и параллельно нагрузке. По свойству параллельно соединённых элементов, напряжение на нагрузке будет равно напряжению на стабилитроне, которое меняется незначительно, пропуская через себя возросший ток из-за возросшего питающего напряжения.

Туннельные диоды

Туннельный диод – это полупроводниковый диод в котором туннельный эффект приводит к появлению на вольт - амперной характеристике при прямом напряжении участка с отрицательным дифференциальным сопротивлением.

Туннельный диод изготовляется из германия или арсенида галлия с очень большой концентрацией примесей, т.е. с очень малым удельным сопротивлением. Такие полупроводники с малым сопротивлением называют вырожденными. Это позволяет получить очень узкий р-n переход. В таких переходах возникают условия для относительно свободного туннельного прохождения электронов через потенциальный барьер (туннельный эффект). Туннельный эффект состоит в том, что при достаточно малой высоте потенциального барьера возможно проникновение электронов через барьер без изменения их энергии.

 

 

Рисунок 26 Вольтамперная характеристика туннельного диода

 

На участке характеристики, где аргумент от значения U_п – напряжение пика увеличивается до значения U_в – напряжение впадины, на этом же участке сила тока уменьшается, то есть дифференциальное сопротивление (смотри ниже «нелинейные цепи») отрицательное.

Туннельные диоды используются для генерации и усиления электромагнитных колебаний, а также в быстродействующих переключающих и импульсных схемах.

Диоды Шоттки

Диод Шоттки — полупроводниковый диод с малым падением напряжения при прямом включении. Назван в честь немецкого физика Вальтера Шоттки. Диоды Шоттки используют переход металл-полупроводник в качестве барьера Шоттки (вместо p-n перехода, как у обычных диодов).

Диоды Шоттки — составные части современных дискретных (цифровых) полупроводниковых приборов

Рисунок27 Структура диода Шоттки

Структура детекторного Шоттки диода: 1 — полупроводниковая подложка; 2 — эпитаксиальная плёнка; 3 — контакт металл — полупроводник; 4 — металлическая плёнка; 5 — внешний контакт

Варикапы

В узкой области p-n перехода происходит разделение зарядов (см. рис), то есть появление ёмкости.

Варикап – это полупроводниковый диод, в котором используется зависимость емкости p-n перехода от величины обратного напряжения и который предназначен для применения в качестве элемента с электрически изменяемой емкостью.

 

 

Рисунок 28 Вольтфарадная характеристика варикапа

 

Варикапы широко применяются в различных схемах для автоматической подстройки частоты, в параметрических усилителях, то есть в усилителях, в которых усиление достигается за счет использования каких-то электрических параметров элементов, входящих в состав усилителя.

 

Фотодиоды

 

Фотодио́д — приёмник оптического излучения, который преобразует попавший на его фоточувствительную область свет в электрический заряд за счёт процессов в p-n-переходе. Полупроводниковый фотодиод – это полупроводниковый диод, обратный ток которого зависит от освещенности.

Фотодиод может работать в двух режимах:

• фотогальванический — без внешнего источника энергии (в этом режиме получается высокая чувствительность к свету).
• фотодиодный — с внешним обратным напряжением

Обычно в качестве фотодиода используют полупроводниковые диоды с p-n переходом, который смещен в обратном направлении внешним источником питания (фотодиодный режим).

 

 

1 – кристалл полупроводника, 2 – контакты, 3 – выводы, Е – источник постоянного тока, R_н - нагрузка

Рисунок 29 Схема включения в фотодиодном режиме

 

При поглощении квантов света в p-n переходе или в прилегающих к нему областях образуются новые носители заряда. Неосновные носители заряда, возникшие в областях, прилегающих к p-n переходу на расстоянии, не превышающей диффузионной длины, диффундируют в p-n переход и проходят через него под действием электрического поля. То есть обратный ток при освещении возрастает. Поглощение квантов непосредственно в p-n переходе приводит к аналогичным результатам. Величина, на которую возрастает обратный ток под действием света, называется фототоком.

Свойства фотодиода можно охарактеризовать следующими характеристиками.

а) вольт-амперная характеристика фотодиода представляет собой зависимость светового тока при неизменном световом потоке и темнового тока I_темн от напряжения.

б) световая характеристика фотодиода, то есть зависимость фототока от освещенности, соответствует прямой пропорциональности фототока от освещенности. г) спектральная характеристика фотодиода – это зависимость фототока от длины волны падающего света на фотодиод.

д) постоянная времени – это время, в течение которого фототок фотодиода изменяется после освещения или после затемнения фотодиода в «е» раз (63%) по отношению к установившемуся значению после освещения.

е) темновое сопротивление – сопротивление фотодиода в отсутствие освещения (в фотодиодном режиме).

ж) интегральная (общая) чувствительность

 

где – фототок, – поток электромагнитного излучения.

Известно несколько типов фотодиодов.

P-i-n фотодиод

В p-i-n структуре средняя i-область заключена между двумя областями противоположной проводимости. При достаточно большом напряжении оно пронизывает i-область, и свободные носители, появившееся за счет фотонов при облучении, ускоряются электрическим полем p-n переходов. Это дает выигрыш в быстродействии и чувствительности (используются в СВЧ технике). Эти фотодиоды имеют недостаток - сложность получения высокой чистоты i-области.

Фотодиод Шоттки (фотодиод с барьером Шоттки).

Структура металл-полупроводник. При образовании структуры часть электронов перейдет из металла в полупроводник p-типа.

Лавинный фотодиод

В структуре используется лавинный пробой. Он возникает тогда, когда энергия фотоносителей превышает энергию образования электронно-дырочных пар. Лавинные фотодиоды за счет лавинного пробоя обладают очень высокой чувствительностью к обнаружению лучистого потока.

Светодиоды

 

 

Светодио́д или светоизлучающий диод (СД, СИД, LED англ. Light-emitting diode) —излучает некогерентный свет при пропускании через него электрического тока. Излучаемый свет лежит в узком диапазоне спектра, его цветовые характеристики зависят от химического состава использованного в нем полупроводника. Как и в любом полупроводниковом диоде, в светодиоде имеется p-n переход. При пропускании электрического тока в прямом направлении, носители заряда — электроны и дырки — рекомбинируют с излучением фотонов (из-за перехода электронов с одного энергетического уровня на другой).

Не всякие полупроводниковые материалы эффективно испускают свет при рекомбинации. Лучшие излучатели относятся к полупроводникам, в которых разрешены прямые оптические переходы зона-зона, например, GaAs или InP, ZnSe или CdTe. Варьируя состав полупроводников, можно создавать светодиоды для всевозможных длин волн от ультрафиолета (GaN) до среднего инфракрасного диапазона (PbS).

По сравнению с другими электрическими источниками света (преобразователями электроэнергии в электромагнитное излучение видимого диапазона), светодиоды имеют следующие отличия:

• Высокий КПД. Современные светодиоды уступают по этому параметру только люминесцентной лампе с холодным катодом.
• Высокая механическая прочность, вибростойкость (отсутствие спирали и иных чувствительных к вибрациям составляющих).
• Специфический спектральный состав излучения. Спектр довольно узкий.

В настоящее время уже созданы мощные светодиоды, способные работать в качестве осветительных устройств.

Другие типы диодов

Кроме рассмотренных в лекции диодов существуют другие типы диодов:

• Солнечный элемент Подобен фотодиоду, но работает без смещения. Падающий на p-n переход свет вызывает движение электронов и генерацию тока.
• Диоды Ганна. Используются для генерации и преобразования частоты в СВЧ диапазоне.
• Лавинно-пролётный диод. Диод, работающий за счёт лавинного пробоя.
• Магнитодиод. Диод, вольт-амперная характеристика которого существенно зависит от значения индукции магнитного поля и расположения его вектора относительно плоскости p-n-перехода.
• Стабисторы. При работе используется участок ветви вольт-амперной характеристики, соответствующий «прямому напряжению» на диоде.
• Смесительный диод — предназначен для перемножения двух высокочастотных сигналов.

Лекция 7

ТРАНЗИСТОРЫ

Транзистором называется управляемый преобразовательный полупроводниковый прибор, имеющий не менее трех выводов, предназначенный для усиления мощности электрического сигнала. Под термином «сигнал» следует понимать возникающую разность потенциалов, то есть напряжение. Мощность электрического сигнала (в самом простом определении) это произведение силы тока на напряжение.

Биполярные транзисторы

Принцип действия и способы применения транзисторов существенно зависят от их типа и внутренней структуры.

Транзисторы по внутренней структуре принято делить на:

· биполярные, в которых ток создаётся двумя типами носителей – положительно заряженными дырками и отрицательно заряженными электронами (две полярности); эти транзисторы управляются током;

· полевые, в которых ток создаётся только основными носителями (это могут быть или электроны либо дырки) и управляются транзисторы электрическим полем.