Дифузійна ємність pn переходу. Бар'єрна та дифузійна ємності діода. Способи отримання р

При подачі на p-n-перехід змінної напруги виявляються ємнісні властивості.

Утворення p-n-переходу пов'язані з виникненням просторового заряду, створюваного нерухомими іонами атомів донорів і акцепторів. Прикладене до p-n-переходу зовнішнє напруження змінює величину просторового заряду у переході. Отже, p-n перехід веде себе як своєрідний плоский конденсатор, обкладками якого служать області n- та p-типу поза переходом, а ізолятором є область просторового заряду, збіднена носіями заряду і має великий опір.

Така ємність p-n-переходу називається бар'єрної . Бар'єрна ємність C Б може бути розрахована за формулою

S – площа p-n-переходу; e · e 0 - відносна (e) та абсолютна (e 0) діелектричні проникності; D – ширина p-n-переходу.

Особливістю бар'єрної ємності є її залежність від зовнішньої напруги. З урахуванням (2.2) бар'єрна ємність для різкого переходу розраховується за такою формулою:

де знак ”+” відповідає зворотному, а ”-“ прямому напрузі на переході.

Залежність бар'єрної ємності від зворотного напруження називається вольтфарадною характеристикою (див. рис. 2.6). Залежно від площі переходу, концентрації легуючої домішки та зворотної напруги бар'єрна ємність може набувати значень від одиниць до сотень пікофарад. Бар'єрна ємність проявляється при зворотній напрузі; при прямому напрузі вона шунтується малим опором r pn.

Крім бар'єрної ємності p-n-перехід має так звану дифузійну ємність. Дифузійна ємність пов'язана з процесами накопичення та розсмоктування нерівноважного заряду в основі та характеризує інерційність руху нерівноважних зарядів в області бази.

Дифузійна ємність може бути розрахована наступним чином:

де t n – час життя електронів у основі.

Розмір дифузійної ємності пропорційна струму через p-n-переход. При прямій напрузі значення дифузійної ємності може досягати десятків тисяч пикофарад. Сумарна ємність p-n-переходу визначається сумою бар'єрної та дифузійної ємностей. При зворотному напрузі C Б > C ДІФ; при прямому напрузі переважає дифузійна ємність C ДІФ >> C Б.

Еквівалентна схема p-n-переходу на змінному струмі представлена на рис. 2.7. На еквівалентній схемі паралельно диференційного опору p-n-переходу r pn включені дві ємності C Б і C ДІФ; послідовно з r pn включено об'ємний опір бази r¢ Б. Зі зростанням частоти змінної напруги, поданої на p-n-перехід, ємнісні властивості виявляються все сильнішими, r pn шунтується ємнісним опором і загальний опір p-n-переходу визначається об'ємним опором бази. Таким чином, на високих частотах p-n-перехід втрачає свої нелінійні властивості.

Типи діодів

Діоди класифікуються:

1. За частотою:

2. низькочастотні;

3. середньочастотні;

4. високочастотні;

5. НВЧ – діоди.

6. За технологією виготовлення:

7. точкові;

8. сплавні;

9. дифузійні.

10. За функціональним призначенням:

11. випрямні;

12. універсальні;

13. світлодіоди;

14. тунельні діоди.

Основними характеристиками випрямного діода є такі параметри: I пр, U пр, I пр max, U пр max, I обр, U обр max, r диф, де r диф- Диференціальний опір діода: .

Для стабілітрона основними параметрами є I з min, I з max, U з min, U з max, крім того стабілітрона (визначається в робочій точці), номінальні дані та напруга пробою U обр max. Також дається ТКН (температурний коефіцієнт напруги): або в % на °С: .

Імпульсні діоди характеризуються робочою частотою fта імпульсною характеристикою: t сх(час, протягом якого діод відновлює свої властивості), ємністю p-n-перехода C pnі тими самими характеристиками, як і випрямні діоди: I пр, I обрі т.д.

Система електроживлення. Класифікація та характеристики випрямлячів. Одно- та двонапівперіодний випрямляч з R навантаженням.

Джерела живлення становлять основну частину електронного пристрою. Приблизно 50% від ваги апаратури становить блок живлення через те, що до його складу зазвичай входить трансформатор, який має великі габарити і масу.

Блок живлення складається з: трансформатора, діодної схеми, що згладжує фільтра і стабілізатора .

Система електроживлення - Сукупність первинних та вторинних джерел харчування.

Первинні джерела живлення – пристрої, що перетворюють неелектричну енергію на енергію електричну (генератори тощо)

Вторинні джерела живлення – пристрої, що перетворюють один вид електричної енергії на інший (наприклад змінний струм на постійний ( випрямлячі ), постійний струм у змінний ( інвертори )).

Трансформатор призначений для узгодження діодної схеми з мережею живлення. Відношення кількості витків вторинної та первинної обмоток називається коефіцієнтом трансформації. Друге призначення трансформатора – ізоляція діодної схеми від мережі у разі, якщо навантаження заземлена.

Діодна схема призначена для випрямлення напруги на вході та отримання на виході деякої постійної складової.

U d- Постійна складова напруги;

I d- Постійна складова струму.

Залежно від виду діодної схеми, якість напруги на виході діодної схеми різні. Цю якість оцінює коефіцієнт пульсацій:

Коефіцієнт пульсацій може бути як більше 1 (для двонапівперіодних випрямлячів), так і менше 1 (для однонапівперіодних).

Як згладжуючі фільтри використовують пасивні RC і LC фільтри (частіше використовують LC фільтри). Одна ланка LC фільтра зменшує коефіцієнт пульсацій не більше ніж у 25 разів. Для більш сильного зменшення K пзастосовують 2-х або 3-х ланкові фільтри. (при кількості ланок більше 3 можливе самозбудження).

Стабілізатор призначений для подальшого зменшення пульсацій (зменшує K пу 1000 і більше разів). Як правило, його основа – інтегральні мікросхеми (ОУ або спеціальні мікросхеми).

Сукупність трансформатора, діодної схеми і фільтра, що згладжує, називається випрямлячем . Основними характеристиками випрямляча є:

1) середньовипрямлений струм на навантаженні I 0;

2) середньовипрямлену напругу на навантаженні U 0;

3) коефіцієнт пульсацій на навантаженні K п0;

4) зовнішня характеристика випрямляча U 0 =U 0 (I 0).

Однонапівперіодна схема випрямляча.

Процеси, що відбуваються у схемі, покажемо на осцилограмах:

У позитивний напівперіод напруги U 2діод VD відкривається і через навантаження протікає струм i 2рівний i d. При цьому навантаження напруга має синусоїдальний характер з амплітудою U 2 m(Падінням напруги на діоді нехтуємо).

У негативний напівперіод напруги U 2діод VD замкнений і до нього додана зворотна напруга U обр max =U 2 m. Таким чином напруга та струм на навантаженні мають імпульсний характер (від 0 до p- синусоїдальний характер і від pдо 2pнапруга і струм дорівнюють нулю).

Визначимо характеристики випрямляча:

1. Діюча напруга вторинної обмотки трансформатора:

позначимо wt=uтоді або .

Звідси відразу видно недолік однополуперіодної схеми випрямлення: середньовипрямлену напругу обмотки більш ніж у 2 рази менше U 2.

, де I 2 m- Амплітуда струму вторинної обмотки трансформатора.
Знаючи співвідношення між U dі U 2можна записати наступний вираз:
I 2 =1.57I d,де I d- Середньовипрямлений струм.
Ці вирази дозволяють визначити потужність вторинної обмотки трансформатора, а також отримати вимоги до промотування вторинної обмотки ( P 2 =U 2 I 2).

3. Чинне значення струму первинної обмотки трансформатора:
між струмом первинної та вторинної обмотки залежність лінійна , де n- Коефіцієнт трансформації. В свою чергу i 2 =I 2 -I dтоді . Визначимо чинне значення струму i 1 (I 1):
.
Далі можна визначити потужність P 1первинної обмотки трансформатора ( P 1 =U 1 I 1). Знаючи потужність первинної та вторинної обмоток можна розрахувати типову потужність трансформатора ( S):

4. Зворотне напруження на діоді

5. Частота першої гармоніки напруги на навантаженні ( f н1): f н1 = мережі f = 50 Hz.
Звідси випливає другий недолік однополуперіодної схеми випрямлення. Він у тому, що з частоті 50 Hzпри побудові фільтра, що згладжує, необхідні більш громіздкі L і C.

6. Коефіцієнт пульсацій, де U 1 mвизначається шляхом розкладання в ряд Фур'є кривої напруги на навантаженні (для однонапівперіодної схеми випрямлення U 1 m >U d, Що також є її недоліком).

Т.к. у струмі вторинної обмотки є постійна складова, рівна I d, то трансформатор відчуває вимушене підмагнічування, тому можливе спотворення сигналу на виході трансформатора за рахунок його насичення. Щоб уникнути цього, збільшують розмір трансформатора.

У зв'язку з перерахованими недоліками дана схема використовується, якщо не потрібно високої якості вихідного сигналу.

Двонапівперіодна схема із середньою точкою.

Вона містить трансформатор із середнім висновком та два діоди. Складається з двох однонапівперіодних випрямлячів.

W ' 2 = W '' 2;

Зі схеми відразу видно її недолік: необхідність виведення середньої точки трансформатора і однакове число витків вторинної обмотки.

Зобразимо часові діаграми:

Розглянемо роботу цієї схеми.

У позитивний напівперіод відкритий діод VD1 і через навантаження протікає струм діода i д1. Амплітуда напруги навантаження U н max =U 2 m. У негативний напівперіод закривається діод VD1 і відкривається діод VD2 так як напівобмотки ідентичні, то амплітуда напруги на навантаженні також дорівнюватиме U 2 m. Напруга на навантаженні має імпульсний характер, причому частота основної гармоніки в 2 рази більша за частоту мережі ( f н1 =2f мережі). Струм, що протікає в кожній із напівобмоток відмінний від нуля протягом одного напівперіоду. Щодо сердечника трансформатора магнітні потоки, створювані струмами напівобмоток, мають синусоїдальний характер. Тому можна вважати, що струм вторинної обмотки трансформатора (щодо сердечника) має синусоїдальний характер.

Основні характеристики випрямляча.

1. Середньовипрямлена напруга на навантаженні U d:
т.к. даний випрямляч є комбінацією із двох однополуперіодних випрямлячів, то: .

2. Чинне значення струму вторинної обмотки трансформатора:
т.к. характер струму, що протікає через напівобмотку трансформатора (порівняно з однополуперіодним випрямлячем) не змінився, то співвідношення буде таким самим: .
Далі, зробивши аналогічні висновки, що і для однонапівперіодного випрямляча, отримаємо:

До недоліків схеми можна віднести ускладнення схеми та конструкції трансформатора.

Наявність у р–n-переході іонів домішок та рухомих носіїв заряду, що знаходяться поблизу межі переходу, зумовлює його ємнісні властивості.

Є дві складові ємності р-n-переходу: бар'єрна (зарядна) Cбар та дифузійна Cдиф. Бар'єрна ємність обумовлена наявністю в p-n-переході іонів донорної та акцепторної домішок, p- і n-області утворюють 2 заряджені обкладки конденсатора, а сам збіднений шар служить діелектриком. У випадку залежність зарядної ємності від прикладеного до p-n-переходу зворотної напруги виражається формулою.

де C 0 - Місткість р-n переходу при Uобр = 0.

γ - коефіцієнт, що залежить від типу р–n переходу (для різких переходів γ = 1/2, а плавних γ = 1/3). З цього виразу видно, що зі збільшенням зворотної напруги бар'єрна ємність зменшується. Тобто. зі збільшенням зворотної напруги товщина збідненого шару p-n-переходу зростає, обкладки конденсатора хіба що розсуваються, і ємність його падає. Ця властивість бар'єрної ємності дозволяє використовувати перехід як ємність, керовану величиною зворотної напруги.

Залежність ємності від прикладеної напруги називається вольт-фарадною характеристикою. Де крива 1-планий p-n-перехід, 2- різкий.

Дифузійна ємність обумовлена зміною числа нерівноважних носіїв заряду в p- та n-областях (крива 3).

Iпр - прямий струм, що протікає через перехід, - час життя інжектованих нерівноважних носіїв.

При переході в область прямої напруги зростає не тільки бар'єрна ємність, але і ємність, обумовлена накопиченням нерівноважного заряду в p-і n-областях переходу. Накопичені носії в р- та n-областях швидко рекомбінують, отже дифузійна ємність зменшується в часі. Швидкість спаду залежить від часу життя нерівноважних носіїв заряду. Дифузійна ємність завжди зашунтована малим прямим опором р-n переходу та багато в чому визначає швидкодію напівпровідникових елементів.

Еквівалентна схема p-n-переходу – математична модель, яка використовується для аналізу електронних схем, що включають п/п діоди.

Параметри Lв – індуктивність висновків та Ск – ємність корпусу використовуються коли структура розміщена у корпусі.

Еквівалентна схема для зворотного включення переходу виглядає інакше:

При великих прямих струмах із еквівалентної схеми можна виключити Зб.

16. Класифікація п/п діодів. Система позначень. Умовні графічні позначення п/п діодів.

Напівпровідниковим діодом називається електроперетворювальний прилад, що містить один або кілька переходів та два виводи для підключення до зовнішнього ланцюга.

П/п діоди класифікуються: за родом вихідного матеріалу, конструкторсько-технологічним особливостям, призначенню тощо. За типом вихідного матеріалу діоди бувають: германієві, кремнієві, селенові, карбід-кремнієві, арсенід-галієві та ін. За конструкторсько-технологічними особливостями: точкові, сплавні, мікросплавні, дифузійні, епітаксійні, з бар'єром Шоттки, полікристалічні та ін. на: 1. Випрямлювальні (силові), призначені для перетворення змінної напруги джерел живлення промислової частоти на постійне. 2. Стабілітрони (опорні діоди), призначені для стабілізації напруг, що мають на зворотній гілки ВАХ ділянку зі слабкою залежністю напруги від струму. 3. Варикапи, призначені для роботи у швидкодіючих імпульсних системах. 5. Тунельні та обернені діоди, призначені для посилення, генерування та перемикання високочастотних коливань. 6. Надвисокочастотні, призначені для перетворення, перемикання, генерування надвисокочастотних коливань. 7. Світлодіоди, призначені для перетворення електричного сигналу на світлову енергію. 8. Фотодіоди, призначені для перетворення світлової енергії на електричний сигнал. Система позначень.Вона складається з літерних та цифрових елементів. Першим елементом позначення є буква чи цифра, що визначає вихідний матеріал діода: Г або 1 – германій або його сполуки; або 2 – кремній або його сполуки; А або 3 – арсенід галію та сполуки галію; Другий елемент - літера, що вказує на призначення діода: Д - випрямні, імпульсні; С – стабілітрони; В – варикапи; І – тунельні, обернені; А - надвисокочастотні; Л – світлодіоди; Ф – фотодіоди. Третій елемент – цифра, що вказує на енергетичні особливості діода. Четвертий елемент – дві цифри, що вказують на номер розробки. П'ятий елемент – літера, що характеризує особливі параметри діода. Умовні зображення.

Висновки діода називаються анод та катод. Анод – виведення електронного приладу, до якого прямий струм тече із зовнішнього електричного кола. Катод – виведення електронного приладу, від якого прямий струм тече у зовнішній електричний ланцюг. Стрілка позначення діода вказує на n-область переходу.

При подачі на p-n-перехід змінної напруги виявляються ємнісні властивості.

Утворення p-n-переходу пов'язане із виникненням просторового заряду, створюваного нерухомими іонами атомів донорів та акцепторів. Прикладене до p-n-переходу зовнішнє напруження змінює величину просторового заряду у переході. Отже, p-n перехід веде себе як своєрідний плоский конденсатор, обкладками якого служать області n- та p-типу поза переходом, а ізолятором є область просторового заряду, збіднена носіями заряду і має великий опір.

Така ємність p-n-переходу називається бар'єрної. Бар'єрна ємність C Б може бути розрахована за формулою

S – площа p-n-переходу;  · 0 - відносна () та абсолютна ( 0) діелектричні проникності;  – ширина p-n-переходу.

де знак ”+” відповідає зворотному, а ”-“ прямому напрузі на переході.

Рис. 2.6 Залежність бар'єрної ємності від зворотної напруги

Залежно від площі переходу, концентрації легуючої домішки та зворотної напруги бар'єрна ємність може набувати значень від одиниць до сотень пікофарад. Бар'єрна ємність проявляється при зворотній напрузі; при прямому напрузі вона шунтується малим опором r pn.

Дифузійна ємність може бути розрахована наступним чином:

де t n – час життя електронів у основі.

Рис. 2.7 Еквівалентна схема p-n-переходу на змінному струмі

На еквівалентній схемі паралельно диференційного опору p-n-переходу r pn включені дві ємності C Б і C ДІФ; послідовно з r pn включено об'ємний опір бази rB.

Зі зростанням частоти змінної напруги, поданої на p-n-перехід, ємнісні властивості виявляються дедалі сильнішими, r pn шунтується ємнісним опором і загальний опір p-n-переходу визначається об'ємним опором бази. Таким чином, на високих частотах p-n-перехід втрачає свої нелінійні властивості.

Способи отримання р - n-переходу

Сплавні переходи отримують, наносячи на напівпровідникову кристалічну підкладку "навішення" легкоплавкого металевого сплаву, до складу якого входить необхідна легуюча речовина. При нагріванні утворюється область рідкого розплаву, склад якого визначається спільним плавленням навішування та підкладки. При охолодженні формується рекристалізація. Область напівпровідника, збагачена легуючими атомами. Якщо тип легування цієї області відрізняється від типу легування підкладки, то утворюється різкий р - n-перехід, причому його металургійний кордон х 0 збігається з межею рекристалізації області. У сплавних переходах на цій поверхні різниця змінюється стрибком (різкий р - n-перехід). При витягуванні з розплаву формування переходу відбувається у процесі зростання напівпровідникового зливка шляхом дозованого зміни складу легуючих домішок у розплаві. Дифузійні переходи отримують дифузією легуючих домішок із джерел у газоподібній, рідкій та твердій фазах. Імплантовані переходи утворюються за іонної імплантації легуючих домішок Епітаксіальні переходи отримують методом епітаксійного вирощування або нарощування, в т. ч. методом молекулярно-променевої епітаксії, що дозволяє просторово найбільш тонко (з роздільною здатністю до 1 нм) регулювати закон зміни NД ( x) - N a ( x). Часто застосовуються комбіновані способи: після вплавлення, імплантації або епітаксійного вирощування проводиться дифузійне доведення структури. При отриманні р - n-П. регулюється не лише легування р- І n-областей, а й структура всього перехідного шару; зокрема, виходить необхідний градієнт а = d(NД - N a) /dxу точці металургій. переходу х = х 0 . У більшості випадків застосовуються асиметричні р + - п- або п + - р-П., в яких брало легування однієї з областей (+) набагато сильніше іншої.

Застосування, р - n-П. має нелінійну ВАХ з великим коефіцієнтом випрямлення, на чому заснована дія випрямляючих (напівпровідникових) діодів. За рахунок зміни товщини збідненого шару із зміною напруги Uвін має керовану нелінійну ємність.

Включений у прямому напрямку, він інжектує носії з однієї власної області в іншу. Інжектовані носії можуть керувати струмом ін. р - n-перехід, рекомбінувати з випромінюванням світла, перетворюючи р - n-Перехід. електролюмінесцентне джерело випромінювання, інерційно затримуватися в області інжекції при швидких перемиканнях напруги на р - n-П. Струм р - n-П. керується світлом або ін. Іонізуючими випромінюваннями. Властивості р - n-П. обумовлюють їх застосування в разл. прилади: випрямні, детекторні, змішувальні діоди, біполярні та уніполярні транзистори; тунельні діоди; лавинно-пролітні діоди (НВЧ-генератори); фотодіоди, лавинні фотодіоди, фототранзистори ; тиристори, фототиристори; фотоелементи, сонячні батареї; світлодіоди, інжекційні лазери; детектори частинок та ін. р - n-Перехід витісняються Шоттки бар'єрами, ізотипними гетеропереходами, планарно-легованими бар'єрами.

Дифузійна ємність відбиває перерозподіл зарядів поблизу p-n-переходу і виявляється переважно при прямому зміщенні переходу. Зміна прямої напруги на p-n-переході змінює величину заряду нерівноважних носіїв на основі. Ця зміна заряду зумовлює дифузійну ємність:

Напівпровідникові діоди

Напівпровідниковими діодами називають електроперетворювальні прилади з одним p-n-переходом, що мають 2 електричні виводи.

Позначення діодів за принциповою схемою залежить від своїх функціонального призначення. Основні типи діодів:

1. силові (випрямляючі) діоди;

2. опорні діоди (стабілітрони та стабістори);

3. імпульсні діоди;

4. тунельні діоди;

5. варикапи;

6. НВЧ-діоди;

7. магнітодіди;

8. світлодіоди і т.д.

Силові діоди

Силові діоди призначені для випрямлення струму промислової частоти. Вони використовуються вентильні властивості вольт-амперной характеристики p-n-перехода. На рис.3.1. представлено умовне позначення діода та його вольт-амперна характеристика, поєднана з характеристикою p-n-переходу.

Основні параметри силових діодів:

1. I ін. ¾ середнє допустиме значення прямого струму;

2. U пр.пор. ¾ пряме падіння напруги при допустимому прямому струмі;

3. U зр. max ¾ допустима зворотна напруга діода, що не призводить до електричного пробою;

4. I зр. max ¾ величина зворотного струму діода при допустимій зворотній напрузі;

5. Р дод. ¾ допустима потужність, що розсіюється на приладі;

6. t ° роб. max ¾ максимально допустима робоча температура;

7. f max ¾ гранична робоча частота.

Високочастотні діоди

Високочастотні діоди призначені для перетворення змінного струму в односпрямований при значних частотах змінного струму (від сотень кГц до сотень МГц). Основною причиною, що зумовлює неможливість застосування цих цілей звичайних випрямляючих діодів, є їх значна бар'єрна ємність. Зі зростанням частоти сигналу, що випрямляється, ємнісний опір закритого діода падає, вентильні властивості порушуються, і діод перестає виконувати своє функціональне призначення. Для усунення цього ефекту (для мінімізації ємності переходу) у високочастотних діодах використовується два технологічні прийоми: так звані точкова та мезосплавна технології.

Функції високочастотного діода аналогічні до функцій випрямного діода. Позначення високочастотного діода електричних схемах збігається з позначенням випрямного діода. Крім параметрів, притаманних випрямного діода, додається максимальна ємність діода при нульовому зворотному напрузі.

НВЧ-діоди (надвисокочастотні діоди)

НВЧ-діоди призначені для перетворення сигналів електричного струму до десятків МГц. Виконуються за точковою технологою.

Імпульсні діоди

Позначення та вольт-амперна характеристика імпульсних діодів аналогічні випрямляючим діодам. Імпульсні діоди призначені для роботи з сигналами імпульсного характеру (в режимі перемикання), тому необхідно враховувати інерційність процесів увімкнення та вимкнення діодів. Важливе значення починають набувати час встановлення прямої напруги при стрибкоподібній зміні прямого струму та час відновлення зворотного опору при зміні полярності прикладеної напруги. Обидва ці фактори визначаються швидкістю рекомбінаційних процесів (часом життя вільних носіїв струму). Для підвищення швидкості рекомбінаційних процесів напівпровідникові матеріали цих діодів вводять домішки, що формують "пастки" для вільних носіїв струму (золото, нікель).

Під впливом вхідного імпульсу позитивної полярності (рис.3.2) відбувається інжекція носіїв заряду в базову область діода. Зміна напруги з прямої на зворотне призводить до викиду зворотного струму через наявність дифузійної ємності. Викид зворотного струму можна як зменшення зворотного опору діода з допомогою інжектованого заряду.

Основними параметрами імпульсного діода є:

1. t обр = t 2 – t 1 ¾ час відновлення зворотного опору, тобто. інтервал часу з моменту проходження струму через нуль (після зміни полярності прямої напруги) до моменту досягнення зворотним струмом заданого малого значення;

2. t пр = t 4 – t 3 ¾ час встановлення прямого опору, тобто. інтервал часу від моменту подачі імпульсу прямого струму на діод до досягнення заданого значення прямої напруги на ньому;

3. R і = U пр. max / I пр. імпульсний опір;

4. I пр. max ¾ максимально допустимий імпульсний струм;

5. U пр. max ¾ максимальна імпульсна пряма напруга;

6. Р дод. ¾ максимально допустима потужність розсіювання.

Різновидом імпульсних діодів є діод Шотки, В якому p-n-перехід утворений структурою напівпровідник-метал. Особливістю такого переходу є накопичення надлишкового заряду в основі. Інерційні властивості такого діода пов'язані із зарядом у бар'єрній ємності. Позначення діода Шотки представлено на рі.3.3.

Механізм перебігу зворотного струмучерез перехід щодо простий. Носії заряду є неосновними для однієї з областей, дрейфуючи в електричному полі області об'ємного заряду, потрапляють в область, де вони є вже основними носіями. Оскільки концентрація основних носіїв зазвичай суттєво перевищує концентрацію неосновних носіїв у сусідній області (n n>> n pі р р >> р n), то поява в тій чи іншій області напівпровідника незначної додаткової кількості основних носіїв заряду практично не змінює рівноважного стану напівпровідника.

Інша картина виходить при протіканні прямого струму . У цьому випадку переважає дифузійний компонент струму, що складається з основних носіїв заряду, що долають потенційний бар'єр і проникають в область напівпровідника, для якої є неосновними носіями. Концентрація неосновних носіїв у своїй може істотно зрости проти рівноважної концентрацією. Явище запровадження нерівноважних носіїв називають інжекцією.

При протіканні прямого струму через р-n-перехід з електронної області в дірочну відбуватиметься інжекція електронів, з дірочної області в електронну – інжекція дірок.

Для простоти ми будемо надалі розглядати лише інжекцію дірок з дірочної області напівпровідника в електронну, поширюючи потім усі зроблені висновки на зустрічний процес інжекції електронів у дірочну область. Якщо докласти до р-n-переходу напруга в напрямку пропускання (рис.3.13), то висота потенційного бар'єру знизиться, і деяка кількість дірок виявиться в змозі проникнути в n-область.

Рис.3.13. Схема протікання прямого струму через перехід

До появи цих дірок n-область була електрично нейтральна, тобто. позитивні та негативні заряди в кожному із досить малих обсягів n-області у сумі дорівнювали нулю.

Дірки, інжектовані з р-області в n-область, є деяким позитивним об'ємним зарядом. Цей заряд створює електричне поле, що розповсюджується в об'ємі напівпровідника і призводить основні носії заряду - електрони. Електричне поле, створене дірками, приваблює до дірок електрони, негативний об'ємний заряд яких має компенсувати позитивний об'ємний заряд дірок. Проте зосередження електронів поблизу об'ємного заряду інжектованих дірок призведе до зменшення їхньої концентрації у суміжних обсягах, тобто. до порушення електричної нейтральності та появи об'ємного заряду в цих обсягах.

Оскільки ніякий перерозподіл вільних зарядів усередині електрично нейтрального напівпровідника не може компенсувати об'ємного заряду дірок, то для відновлення стану електричної нейтральності напівпровідника із зовнішнього виводу має увійти додаткова кількість електронів, сумарний заряд яких дорівнюватиме сумарному заряду інжектованих дірок. Оскільки електрон і дірка мають рівні за величиною та протилежні за знаком заряди, то кількість електронів, що входять в об'єм напівпровідника із зовнішнього виведення, має дорівнювати кількості інжектованих дірок.

Таким чином, одночасно з появою в n-області деякої кількості інжектованих дірок - неосновних нерівноважних носіїв -з'являється така ж кількість електронів - основних нерівноважних носіївІ ті, й інші носії є нерівноважними, оскільки створюють концентрацію, що відрізняється від концентрації термодинамічної рівноваги.

Процес компенсації об'ємного заряду неосновних нерівноважних носіїв об'ємним зарядом нерівноважних основних носіїв протікає виключно швидко. Час встановлення цього процесу визначається часом релаксації

і становить для германію (ε = 16), питомий опір якого 10 Ом. см,близько 10 -11 сек.Встановлення процесу можна, отже, вважати миттєвим.

Так як безпосередньо у переходу концентрація носіїв висока, носії за рахунок наявності градієнта концентрації поширюватимуться в глибину обсягу напівпровідника в напрямку менших концентрацій. Одночасно концентрація нерівноважних носіїв зменшуватиметься за рахунок рекомбінації, так що повне значення концентрації прагнутиме рівноважного значення.

Рис.3.14. Крива розподілу концентрації нерівноважних неосновних

носіїв (дірок) в електронній області р-n-переходу

Якщо нерівноважна концентрація мала порівняно з концентрацією рівноважних основних носіїв (низький рівень інжекції), то спадання концентрації нерівноважних носіїв у напрямку переходу вглиб напівпровідника відбуватиметься за експоненційним законом (рис.3.14):

(3.23)

Lхарактеризує ту середню відстань, на яку носії встигають продифундувати за час життя.

У досить віддаленій від переходу точці (х →¥ ) зберігатиметься рівноважна концентрація носіїв заряду.

При малому рівні інжекції концентрація нерівноважних носіїв n-області біля межі розділу експоненційно залежатиме від величини напруги, прикладеної до переходу:

(3.24)

(при U= 0; швидко зростає зі збільшенням позитивних значень U).

Зазначимо, що зміна напруги на переході на Δ uпризведе до збільшення концентрації нерівноважних дірок у n-області, тобто. до зміни заряду. Зміна заряду, викликане зміною напруги, можна як дію деякої ємності. Ємність ця називається дифузійної , оскільки з'являється рахунок зміни дифузійного компонента струму через перехід.

Можна зробити висновок, що дифузійна ємність буде проявлятися при прямих струмах через перехід або малих зворотних напругах, коли величиною струму дифузії ще не можна нехтувати в порівнянні зі струмом провідності.

Подамо дифузійну ємність як зміну заряду Δ Q, віднесене до зміни напруги, що викликало його Δ u:

та оцінимо вплив струму через перехід на величину дифузійної ємності.

Повний заряд неосновних нерівноважних носіїв n-області можна отримати шляхом інтегрування виразу (3.23).

Операційні системи (ОС)

16. Класифікація п/п діодів. Система позначень. Умовні графічні позначення п/п діодів.

Способи отримання р - n-переходу

Вам також може сподобатися