р- n - переход

р-n - переход

Раздел 2Электроника

Лекция 2

Автор Останин Б.П. Конец слайда

p-n переход Слайд 1. Всего 27

Структура p-n перехода

Дырки диффундируют из слоя р в слой n (их концентрация в слое р значительно выше, чем в слое n).

Электроны диффундируют из слоя n в слой p (их концентрация в слое n значительно выше, чем в слое p).

_ +_

_

_

_

_

_

_

_

_ _

_

_

_

_

_

_

_ +

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

_

_

_

+

+

+

Е

p-n переход

p n

Автор Останин Б.П. Конец слайда

p-n переход Слайд 2. Всего 27

В приграничных областях слоёв p и n возникает слой, обеднённый подвижными носителями заряда. Возникает электрическое поле с напряжённостью Е. Это поле препятствует переходу дырок из слоя р в слой n и переходу электронов из слоя n в слой р. Зато помогает переходу дырок из слоя n в слой р и переходу электронов из слоя р в слой n (возникает дрейфовый ток). В установившемся режиме дрейфовый ток равен диффузионному току.

Возникает потенциальный барьер. Для кремния 0,75 В. Для германия 0,2 В.

Автор Останин Б.П. Конец слайда

p-n переход Слайд 3. Всего 27

х0

np

Автор Останин Б.П. Конец слайда

p-n переход Слайд 4. Всего 27

Симметричный р-n переход

Несимметричный р-n переход

np

p-n переход

np

p-n переход

Автор Останин Б.П. Конец слайда

p-n переход Слайд 5. Всего 27

А К

Область p-n перехода

Невыпрямляющие контакты

р n

р-n переход под внешним напряжением

Автор Останин Б.П. Конец слайда

p-n переход Слайд 6. Всего 27

0 х

Автор Останин Б.П. Конец слайда

p-n переход Слайд 7. Всего 27

А Кр n

U

U

0 х

Прямое включение

Автор Останин Б.П. Конец слайда

p-n переход Слайд 8. Всего 27

А Кр n

U

U

0 х

Обратное включение

Автор Останин Б.П. Конец слайда

p-n переход Слайд 9. Всего 27

Для идеального р-n перехода

)1( T

u

s eii

q

kTT - температурный потенциал,

при температуре 20С (эта температура называется комнатной в отечественной литературе) Т = 0,025 В,при температуре 27С (эта температура называется комнатной в зарубежной литературе) Т = 0,026 В,

is - ток насыщения (тепловой ток), индекс s от английского saturation current, для кремниевых р-n переходов обычно is = 10-15…10-13 А;k - постоянная Больцмана,

Т - абсолютная температура, Кq - элементарный заряд, q = 1,610-19 Кл.

Автор Останин Б.П. Конец слайдаАвтор Останин Б.П. Конец слайда

p-n переход Слайд 10. Всего 27

К

эВ

К

Джk 523 1062,81038,1

is

i

0u

)1( T

u

s eii

Автор Останин Б.П. Конец слайдаАвтор Останин Б.П. Конец слайда

p-n переход Слайд 11. Всего 27

Полезно отметить, что, как следует из приведённого выражения, чем меньше ток is, тем больше напряжение u при заданном прямом токе. У кремния ток is меньше, чем у германия.

Sii

0u

Ge

Автор Останин Б.П. Конец слайдаАвтор Останин Б.П. Конец слайда

p-n переход Слайд 12. Всего 27

Uпр

Iпр

Uобр

0

1

Iобр

2

3

4

5

Автор Останин Б.П. Конец слайда

p-n переход Слайд 13. Всего 27

Пробой p-n перехода

Пробой это резкое изменение режима работы перехода находящегося под обратным напряжением. Резко уменьшается дифференциальное сопротивление.

di

durДИФ

Uпр

Iпр

Uобр

0

1

Iобр

2

3

4

rДИФ резко уменьшается

0di

durДИФ

Автор Останин Б.П. Конец слайда

p-n переход Слайд 14. Всего 27

В основе пробоя лежат три физических явления

1. туннельный эффект;2. лавинный пробой;3. тепловой пробой.

Туннельный пробой – электрический пробойЛавинный пробой – тоже электрический пробой.

Тепловой пробой – пробой, разрушаюший переход.

Автор Останин Б.П. Конец слайда

p-n переход Слайд 15. Всего 27

Туннельный пробой

з

р n

Автор Останин Б.П. Конец слайда

p-n переход Слайд 16. Всего 27

Туннельный пробой

з

р n

Туннелирование

Лавинный пробой

После электрического пробоя p-n переход не изменяет своих свойств.

Тепловой пробой

Автор Останин Б.П. Конец слайда

p-n переход Слайд 17. Всего 27

Ёмкость p-n перехода

np

Q-Q

IОБР

UОБР

Барьерная ёмкость

U

Q

0

Автор Останин Б.П. Конец слайда

p-n переход Слайд 18. Всего 27

На постоянном токе U

QСБАР

На переменном токе dU

dQСБАР

U

СБАР

0

Автор Останин Б.П. Конец слайда

p-n переход Слайд 19. Всего 27

Барьерная ёмкость вредно влияет на выпрямление переменного тока (особенно на высоких частотах), так как шунтирует диод.

Диффузионная ёмкость

np

Q -Q

IПР

UПР

dU

dQС ДИФ

Автор Останин Б.П. Конец слайда

p-n переход Слайд 20. Всего 27

Ёмкость называют диффузионной, так как рассматриваемый заряд Q лежит в основе диффузии носителей в базе. СДИФ удобно и принято описывать не как функцию напряжения U, а как функцию тока перехода.

Сам заряд Q прямо пропорционален току I. Ток

экспоненциально зависит от напряжения U: . Поэтому производная также прямо пропорциональна току. Отсюда следует, что ёмкость СДИФ прямо пропорциональна току I

)1( T

u

s eii

dU

dI

TДИФ

IС

Автор Останин Б.П. Конец слайда

p-n переход Слайд 21. Всего 27

I

Q

0

CДИФ

TДИФ

IС

- среднее время пролёта (для тонкой базы), или время жизни (для толстой базы).

Среднее время пролёта – это время, за которое инжектируемые носители заряда проходят базу. Время жизни – это время от инжекции носителя заряда в базу до рекомбинации.

Автор Останин Б.П. Конец слайда

p-n переход Слайд 22. Всего 27

Диффузионная ёмкость значительно больше барьерной, но использовать её не удаётся, так как она зашунтирована малым прямым сопротивлением самого диода.

Автор Останин Б.П. Конец слайда

p-n переход Слайд 23. Всего 27

Общая ёмкость p-n перехода

ДИФБАРПЕР ССС

При обратном смещении перехода (U<0) диффузионная ёмкость практически равна нулю. При прямом смещении обычно

БАРДИФ СС

Автор Останин Б.П. Конец слайда

p-n переход Слайд 24. Всего 27

Температурные свойства

У германиевых p-n-переходов обратный ток увеличивается в 2 раза на каждые 10 С. Это можно выразить формулой

10

20

)20(2

t

СОБРОБР II

Например, если температура перехода возросла с 20 С до 70 С, то обратный ток возрастёт в 25, т.е. в 32 раза.

Кроме того у германиевых переходов снижается напряжение электрического пробоя.

Автор Останин Б.П. Конец слайда

p-n переход Слайд 25. Всего 27

У кремниевых p-n-переходов обратный ток увеличивается в 2,5 раза на каждые 10 С.

10

20

)20(5,2

t

СОБРОБР II

У кремниевых p-n-переходов напряжение электрического пробоя при повышении температуры сначала несколько возрастает, а затем уменьшается.

Автор Останин Б.П. Конец слайда

p-n переход Слайд 26. Всего 27

134 10...10 КТКЕ

С повышением температуры как у германиевых, так и у кремниевых p-n-переходов несколько возрастает барьерная ёмкость.

Uпр

Iпр

Uобр

0

Iобр

20 С50 С

20 С

50 С

Автор Останин Б.П. Конец слайда

p-n переход Слайд 27. Всего 27