какое присоединение внешнего напряжения к p n переход называют прямым обратным включением
Прямое включение pn-перехода
Рисунок 1. Прямое включение электронно-дырочного перехода
Рисунок 2. Энергетические зоны полупроводника в районе при подаче прямого напряжения
Увеличение диффузионного тока через при том же значении дрейфового тока приводит к нарушению термодинамического равновесия, описываемым выражением (3) в статье «Электронно-дырочный переход в состоянии равновесия». В результате через переход будет проходить прямой ток Iпр, определяемый диффузией основных носителей зарядов.
Дополнительная диффузия носителей зарядов под воздействием внешнего напряжения приводит к тому, что на границе повышаются концентрации «дырок» в до значения pn1 и электронов в до значения np1.
Повышение концентраций неосновных носителей в p— и под воздействием внешнего напряжения, приложенного к электронно-дырочному переходу, получило название инжекции неосновных носителей. Область, из которой происходит инжекция, получила название эмиттер (излучатель — англ.), а область, в которую осуществляется инжекция — базой.
а концентрация инжектированных электронов:
Дата последнего обновления файла 08.06.2020
Вместе со статьей «Прямое включение pn-перехода» читают:
Прямое и обратное включение перехода
При использовании \(p\)-\(n\)-перехода в реальных полупроводниковых приборах к нему может быть приложено внешнее напряжение. Величина и полярность этого напряжения определяют поведение перехода и проходящий через него электрической ток. Если положительный полюс источника питания подключается к \(p\)-области, а отрицательный — к \(n\)-области, то включение называют прямым включением. При изменении указанной полярности включение \(p\)‑\(n\)‑перехода называют обратным включением.
При прямом включении \(p\)-\(n\)-перехода внешнее напряжение создает в переходе поле, которое противоположно по направлению внутреннему диффузионному электрическому полю. Напряженность результирующего поля падает, что сопровождается сужением запирающего слоя. В результате этого большое количество основных носителей зарядов получает возможность диффузионно переходить в соседнюю область (ток дрейфа при этом не изменяется, поскольку он зависит от количества неосновных носителей, появляющихся на границах перехода), т.е. через переход будет протекать результирующий ток, определяемый в основном диффузионной составляющей. Диффузионный ток зависит от высоты потенциального барьера и по мере его снижения увеличивается экспоненциально.
Повышенная диффузия носителей зарядов через переход приводит к повышению концентрации дырок в области \(n\)-типа и электронов в области \(p\)-типа. Такое повышение концентрации неосновных носителей вследствие влияния внешнего напряжения, приложенного к переходу, называется инжекцией неосновных носителей. Неравновесные неосновные носители диффундируют вглубь полупроводника и нарушают его электронейтральность. Восстановление нейтрального состояния полупроводника происходит за счет поступления носителей зарядов от внешнего источника. Это является причиной возникновения тока во внешней цепи, называемого прямым током.
При включении \(p\)-\(n\)-перехода в обратном направлении внешнее обратное напряжение создает электрическое поле, совпадающее по направлению с диффузионным, что приводит к росту потенциального барьера и увеличению ширины запирающего слоя. Все это уменьшает диффузионные токи основных носителей. Для неосновных носителе поле в \(p\)-\(n\)-переходе остается ускоряющим, и поэтому дрейфовый ток не изменяется.
Обратное включение pn-перехода
Рисунок 1. Обратное включение
Рисунок 2. Энергетические зоны полупроводника в районе при подаче обратного напряжения
Уменьшение диффузионного тока приведет к нарушению условия равновесия, описываемого выражением (3) в статье «Электронно-дырочный переход в состоянии равновесия». Через переход будет протекать ток, определяемый в основном током дрейфа неосновных носителей.
Концентрация неосновных носителей у границ из-за уменьшения диффузионного перемещения основных носителей уменьшится до некоторых значений np1 и pn1. По мере удаления от концентрация неосновных носителей будет возрастать до равновесной. Значение концентрации неосновных носителей заряда на любом удалении x от границ можно рассчитать по следующим формулам, полученным при решении уравнения непрерывности для обратного включения :
, (2) 
, (3)
Выводы. При обратном включении :
Дата последнего обновления файла 08.06.2020
Понравился материал? Поделись с друзьями!
Вместе со статьей «Обратное включение p-n перехода» читают:
p-n переход
p-n переход
При контакте слоев с различными типами проводимости (p- и n-слоев) часть электронов проводимости переходит из n-слоя в p-слой и происходит их рекомбинация с дырками (То есть отрицательный электрон закрывает положительно заряженную дырку, и вместе их заряд равен нулю). Часть атомов акцепторной примеси (алюминия, бора), имеющих отрицательный заряд, не компенсируется положительным зарядом дырок, и в этой области p-слоя возникает отрицательный объемный заряд. Электроны, ушедшие из n-слоя, перестают компенсировать положительный заряд атомов донорной примеси (фосфор, сурьма, мышьяк), и в n-слое образуется положительный объемный заряд. Таким образом, вблизи границы p- и n-слоев возникает двойной электрический слой (рис. 1. 1, в). Область двойного-слоя электрических объемных зарядов называется электронно-дырочным переходом, или p-n переходом. Объемные заряды препятствуют дальнейшему диффузионному движению электронов из n-слоя в p-слой и дырок из p-слоя в n-слой. В результате возникновения объемных зарядов образуется потенциальный барьер, высота ф0 которого определяется соотношением концент
раций примесных атомов в p-n переходе и обычно составляет 0,6—0,9 В.
Прямое включение p-n пер ехода
Обратное включение p-n перехода
Если изменить полярность источника ЭДС так, что положительный полюс окажется соединен с n-слоем, а отрицательный — с p-слоем (рис. 1.1 в), то переход дырок из р-слоя в n-слой и электронов из n-слоя в p-слои сокращается. Более того, дырки, ранее перешедшие из p-слоя в n-слой и не успевшие прорекомбинировать с электронами, будут оттягиваться полем p-n перехода в p-слой. Аналогичным образом электроны проводимости, перешедшие из n-слоя в p-слой, будут оттягиваться полем p-n перехода в n-слой. При этом через полупроводниковую структуру протекает значительный ток (единицы — сотни ампер в зависимости от режима нагрузки), ограниченный только сопротивлением внешней цепи и противоположный по направлению ранее протекавшему прямому току. Такое состояние полупроводниковой структуры называется обратным проводящим состоянием, а протекающий ток — током восстановления запирающих свойств. Спустя некоторое время обычно несколько десятков микросекунд, концентрация избыточных носителей в окрестности р-n перехода уменьшается до нуля и ток через полупроводниковую структуру также уменьшается. Потенциальный барьер p- n перехода увеличивается на величину приложенного напряжения. Такая полярность прилагаемого напряжения называется обратной, а состояние полупроводниковой структуры после восстановления запирающих свойств — обратным запертым состоянием.
Заключение
Как видно из выше сказанного p-n переход пропускает ток только в одном направлении (при прямом включении).
Вопрос. Прямое и обратное включение p-n переходов
Обратное включение p-n-перехода.Включение, при котором к p-n переходу прикладывается внешнее напряжение Uобр в фазе с контактной разностью потенциалов, называется обратным. Этот случай иллюстрирует рис. 1.8, а.
Рисунок 1.7. Рисунок 1.8.
Для неосновных носителей (дырок в n-области и электронов в p-области) потенциальный барьер в электронно-дырочном переходе отсутствует. Неосновные носители втягиваются полем в переход и быстро преодолевают его. Это явление называется экстракцией.
При обратном включении преобладающую роль играет дрейфовый ток. Он имеет небольшую величину, так как создается движением неосновных носителей. Этот ток называется обратными может быть определен по формуле Iобр = Iдр — Iдиф. Величина обратного тока практически не зависит от напряжения Uобр. Это объясняется тем, что в единицу времени количество генерируемых пар «электрон — дырка» при неизменной температуре остается неизменным. Поскольку концентрация неосновных носителей значительно меньше концентрации основных носителей заряда, обратный токp-n перехода существенно меньше прямого (обычно на несколько порядков). Это определяет выпрямительные свойства p-n перехода: способность пропускать ток только в одном направлении.
Для получения хороших выпрямительных свойств желательно уменьшить обратный ток, что достигается очисткой исходного полупроводникового материала с целью снижения концентрации неосновных носителей заряда. Высокая степень чистоты полупроводниковых материалов обеспечивается специальной дорогостоящей технологией.
Электрический пробой происходит в результате внутренней электростатической эмиссии и под действием ударной ионизации атомов. Внутренняя электростатическая эмиссия в полупроводниках аналогична электростатической эмиссии электронов из металла. Под действием сильного электрического поля часть электронов освобождается из ковалентных связей и получает энергию, достаточную для преодоления высокого потенциального барьера p-n перехода. Двигаясь с большой скоростью, электроны сталкиваются с нейтральными атомами и ионизируют их. В результате ударной ионизации появляются новые свободные электроны и дырки. Они, в свою очередь, разгоняются полем и создают дополнительные носители тока. Описанный процесс носит лавинообразный характер и приводит к значительному увеличению обратного тока через p-n переход. Электрическому пробою соответствует участок 3на рис. 1.6. Если чрезмерно увеличивать обратное напряжение (до значений, превышающих максимально допустимое напряжение Uo6p max,указанное на рис. 1.6), то произойдет тепловой пробой p-n перехода, и он потеряет свойство односторонней проводимости. Обратная ветвь характеристики при тепловом пробое имеет вид участка 4.
Тепловой пробой p-n перехода происходит вследствие вырывания валентных электронов из связей в атомах при тепловых колебаниях кристаллической решетки. Тепловая генерация пар «электрон — дырка» приводит к увеличению концентрации неосновных носителей заряда и росту обратного тока. Увеличение тока сопровождается дальнейшим повышением температуры. Процесс нарастает лавинообразно, происходит изменение структуры кристалла, и переход необратимо выходит из строя. Если же при возникновении пробоя ток через p-n переход ограничен сопротивлением внешней цепи и мощность, выделяемая на переходе, невелика, то пробой обратим.
Анализ ВАХ p-n перехода позволяет рассматривать его как нелинейный элемент, сопротивление которого Rдизменяется в зависимости от величины и полярности приложенного напряжения. Нелинейные свойства p-n перехода лежат в основе работы полупроводниковых диодов, транзисторов и других приборов.
Рисунок 1.9 Рисунок 1.10
На рис. 1.9 приведена модель реального p-n перехода. Здесь помимо управляемого сопротивленияRдпоказаны неуправляемые сопротивления контактов Rи емкости p-n перехода: барьерная Сб и диффузионная Сдиф. Наличие у реальных p-n переходов сопротивлений контактов Rсказывается на виде ВАХ в области прямых управляющих напряжений: характеристика располагается ниже по сравнению с идеализированным p-n переходом (область 5 на рис. 1.6).
Потенциальный барьер образован неподвижными зарядами: положительными и отрицательными ионами. Емкость, обусловленная этими зарядами, называется барьерной.При изменении запирающего напряжения меняется толщина p-n перехода, а следовательно, и его емкость. Величина барьерной емкости пропорциональна площади p-n перехода, концентрации носителей заряда и диэлектрической проницаемости материала полупроводника. При малом обратном напряжении толщина p-n перехода мала, носители зарядов противоположных знаков находятся на небольшом расстоянии друг от друга. При этом собственная емкость p-n перехода велика. В случае увеличения обратного напряжения толщина p-n перехода растет и емкость p-n перехода уменьшается. Таким образом, p-n переход можно использовать как емкость, управляемую обратным напряжением: Сб =qб/Uобр, где qб— объемный заряд равновесных носителей.
При прямом напряжении p-n переход, кроме барьерной емкости, обладает диффузионной емкостью Сдиф. Эта емкость обусловлена накоплением подвижных носителей заряда в n-и p-областях. При прямом напряжении основные носители заряда в большом количестве диффундируют через пониженный потенциальный барьер и, не успев рекомбинировать, накапливаются в n- и p-областях.
Диффузионная емкость не оказывает существенного влияния на работу p-n перехода, так как она всегда зашунгирована малым прямым сопротивлением Rд. Зависимости емкостей p-n перехода от управляющего напряжения имеют вид, изображенный на рис. 1.10.
48 вопрос. Классификация полупроводниковых приборов.
Полупроводниковыминазываются приборы, действие которых основано на использовании свойств полупроводниковых материалов. Классификация полупроводниковых приборов приведена на рис. 2.31. Ниже даются краткие характеристики полупроводниковых приборов.
Полупроводниковые резисторы — приборы с двумя выводами, в которых электрическое сопротивление зависит от приложенного напряжения, температуры, освещенности; механических деформаций и других управляющих параметров. Полупроводниковые резисторы широко используются в качестве датчиков освещенности, в системах регулирования температуры, тепловой защиты, противопожарной безопасности и т.д.
Полупроводниковые фотоэлектрические приборы — это приборы, в которых используется эффект взаимодействия оптического излучения (видимого инфракрасного или ультрафиолетового) с носителями заряда (электронами или дырками). Эти приборы широко используются в системах автоматики, контрольно-измерительных устройствах, в системах оптоволоконной техники, в качестве элементов солнечных батарей и др.
Биполярные транзисторы — полупроводниковые приборы, имеющие два р- n-перехода и используемые для усиления и генерации электрического сигнала.
Полевые транзисторы — полупроводниковые приборы, в которых используются полупроводниковые материалы с различными типами электропроводности и которые образуют один р — n-переход. Полевые транзисторы применяются в качестве усилителей и генераторов на высоких частотах.
Тиристоры — полупроводниковые приборы, имеющие три или более р — n-переходом и работающие в двух устойчивых состояниях — открытом и закрытом. Тиристоры широко применяются в качестве быстродейcтвующих переключателей.
Полупроводниковые микросхемы — микроэлектронные изделия, предназначенные для преобразования электрического сигнала, все элементы и межэлементные соединения которых выполнены в объеме и на поверхности полупроводникового кристалла.
Комбинированные полупроводниковые приборы представляют собой различные полупроводниковые приборы, объединенные в один корпус. Эти приборы широко применяются всистемах автоматики и связи, в вычислительной технике и т.д.
Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет