Меню

С увеличением температуры обратный ток p n перехода



Зависимость параметров и характеристик p-n-перехода от температуры

Рассмотрим обратный ток насыщения р-n-перехода с тонкой базой:

. (1.85)

От температуры зависят коэффициенты диффузии Dn и Dp , концентрации легирующих примесей Nd(nno), Na(ppo)и собственная концентрация носителей заряда, которая экспоненциально зависит от температуры. Квадрат этой концентрации

(1.86)

где В = 1,5×10 33 К -3 см -6 для кремния.

Из всех электрофизических параметров, входящих в формулу (1.85), наиболее сильную зависимость от температуры имеет собственная концентрация носителей заряда ni. Зависимость ni(Т) в основном определяется наличием Т в показателе экспоненты. Поэтому с большой степенью точности можно представить температурную зависимость тока Is в следующем виде:

(1.87)

где — ток насыщения при температуре, стремящейся к бесконечности.

Величину можно считать постоянной. Формула (1.87) неудобна для практических расчетов. Приведем ее к иному виду. Для заданной температуры Т можно записать Is(T):

(1.88)

Разделив почленно (1.87)на(1.88), можно записать:

.

(1.89)

где ; коэффициент .

Перейдя от основания eк основанию 2, перепишем формулу (1.89) в удобном для расчетов виде:

,где температура удвоения тока насыщения (для кремния К.

В обратном токе кремниевого р-n-перехода ток генерации значительно преобладает над током насыщения (приблизительно, ). Ток генерации пропорционален концентрации собственных носителей заряда в первой степени (а не в квадрате,как для тока насыщения).

Следовательно,

и температура удвоения для кремния в этом случае

.

Прямой ток с изменением температуры изменяется в соответствии с выражением

. (1.90)

Ток при заданном прямом напряжении увеличивается с возрастанием температуры, но скорость его нарастания снижается при увеличении U.

При фиксированном прямом токе с ростом температуры напряжение на ОПЗ р-n-перехода уменьшается. Логарифмируя обе части выражения(1.90), получим

(1.91)

Температурный коэффициент прямого напряжения на ОПЗ p-n-перехода при заданном прямом токе через диод

отрицателен и зависит от прямого тока, но слабо, так как всегда I

При высоком уровне инжекции нужно учитывать величину напряжения, падающегона сопротивление базы, т.е. URБ. В диапазоне рабочих температур концентрация основных носителей в базе примерно постоянна и равна концентрации легирующей примеси. Поэтому сопротивление базы

с ростом температуры увеличивается, так как подвижность μn(T) сростом температуры падает. При увеличении сопротивления базы возрастает падение напряжения URБ. Поэтому результирующий коэффициент напряжения на диоде TKU определяется значением прямого тока: при малых токах TKU 0.

Контактная разность потенциалов р-n-перехода ψк с ростом температуры уменьшается. Это связано с тем, что при увеличении Т уровень Ферми как в р-, так и в n-областях стремится к середине запрещенной зоны. Уменьшение ψк с ростом температуры определяет некоторое уменьшение ширины ОПЗ и увеличение барьерной емкости p-n-перехода.

Длительность переходных процессов (а значит, и частотные свойства) определяется временем жизни неосновных носителей в базе, которое достаточно сильно зависит от температуры (рис.1.17).

С ростом температуры уровень Ферми ЕF смещается к середине запрещенной зоны. Вероятность заполнения рекомбинационных ловушек, находящихся на энергетическом уровне Et, больше 50 %, если этот уровень находится ниже уровня Ферми, и меньше 50 % — если выше. Дырки, инжектированные в n-базу, при достаточно низких температурах (энергетический уровень ловушек Et находится ниже уровня Ферми ЕF) рекомбинируют с электронами, находящимися на энергетическом уровне Еt. Процесс рекомбинации через ловушечные уровни проходит в два этапа: первый этап — электрон, находясь в ловушке и стремясь к минимуму энергии, попадает на инжектированную в базу дырку, которая в данный момент оказалась под этой ловушкой (рис.1.17, а, 1), второй этап — электрон из зоны проводимости займет освободившуюся ловушку (рис.1.17, а, 2). Оба этапа проходят быстро, и время tp мало.

Рисунок 1.17– Схематическое представление влияния температуры на время жизнинеосновных носителей в n-базе p-n-перехода: а – изменение условий для актов рекомбинации в базе при увеличении температуры; б – зависимость от 1/T; Е – энергетический уровень ловушек

При увеличении температуры растет вероятность того, что ловушка, под которой в данный момент оказалась инжектированная дырка, пуста и акт рекомбинации произойти не может. В этом случае последовательность этапов процесса рекомбинации меняется местами: первый этап — электрон занимает уровень ловушки (см. рис.1.17, а, 1), второй — электрон «падает» на инжектированную в базу дырку, если она в этот момент оказалась под уровнем ловушки. Процесс рекомбинации затрудняется, так как электрон очень короткое время находится на ловушечном уровне, и время жизни дырок tp растет (рис.1.17, б). Таким образом, с ростом температуры длительность переходных процессов в p-n-переходе увеличивается, частотные свойства ухудшаются.

Контрольные вопросы

1. Что такое электронно- дырочный переход?

2. Почему электронно-дырочный переход является выпрямляющим контактом?

3. Как и почему изменяется высота потенциального баръера p-n-перехода с изменением температуры и типа полупроводникового материала?

4. Какие параметры p-n-перехода изменяются при приложении прямого и обратного напряжения?

5. Что такое «инжекция» и «экстракция»?

6. Чем обеднена ОПЗ?

7. Где и как возникает ток генерации и почему он учитывается при обратном смещении p-n-переходов, изготовленных из широкозонных полупроводниковых материалов?

8. Что такое барьерная емкость и от чего она зависит?

9. Какие составляющие входят в величины прямого и обратного токов p-n-перехода?

10. Как различают p-n-переходы по ширине базы?

11. В чем смысл диффузионной емкости и от чего зависит ее величины?

12. Почему обратный ток кремниевого p-n-перехода увеличивается с ростом величины обратного напряжения вне зависимости от ширины базы?

13. Что такое и от чего зависит время восстановления обратного сопротивления тока p-n-перехода (диода)?

14. Почему величина напряжения лавинного пробоя больше величины напряжения туннельного пробоя, а величина критической напряженности поля при лавинном пробое меньше чем при туннельном?

15. Чем определяются частотные свойства p-n-перехода?

16. В чем отличие работы p-n при малом и высоком уровнях инжекции?

17. Как изменяются частотные свойства p-n- перехода при увеличении температуры?

ГЛАВА 2. КОНТАКТЫ МЕТАЛЛ – ПОЛУПРОВОДНИК

Большинство электронных приборов, из которых состоит ИС, соединяется друг с другом с помощью контактов металл – полупроводник. Эти контакты на практике получили наибольшее распространение прежде всего из-за того, что благодаря различным электрофизическим свойствам металла и полупроводника (диэлектрическая проницаемость, ширина запрещенной зоны, работа выхода) контакт между ними может быть в отличие от p-n-перехода как выпрямляющим, так и невыпрямляющим.

Дата добавления: 2014-11-13 ; просмотров: 73 ; Нарушение авторских прав

Источник

Влияние температуры на вах p-n-перехода

Вольтамперные характеристики p-n-перехода для двух значений температуры окружающей среды приведены на рис. 2.6. С ростом температуры падает прямое напряжение на p-n-переходе при заданном токе и растет обратный ток при заданном напряжении. Прямой ток p-n-перехода определяется ПОНЗ, который зависит от величины потенциального барьера в p-n-переходе. Увеличение температуры приводит к уменьшению потенциального барьера, а следовательно, к увеличению прямого тока.Обратный ток p-n-перехода определяется ПННЗ. Увеличение температуры приводит к увеличению скорости тепловой генерации, концентрация неосновных носителей заряда в полупроводнике растет, а следовательно, растет обратный ток.

Для количественной оценки влияния температуры на ВАХ p-n-перехода используют два параметра.

Температурный коэффициент напряжения (ТКН) показывает, на сколько изменится прямое напряжение на p-n-переходе (U) при заданном изменении температуры Т при постоянном токе через p-n-переход:

.

Для германиевых p-n-переходов ТКН  -2 мВ/град, для кремниевых p-n-пе-реходов ТКН  -3 мВ/град.

Температура удвоения обратного тока p-n перехода Т * позволяет рассчитать обратный ток iОБР + Т) при возрастании температуры на Т по известному значению обратного тока при заданной температуре Т.

Для германиевых p-n-переходов обратный ток удваивается на каждые 10C (Т* = 10C) , для кремниевых — Т* = 8C.

Подвижность носителей заряда в полупроводниках.

Развитие технологии изготовления полупроводниковых приборов.

Базовые элементы логических микросхем разных типов.

. Базовые логические элементы

Всякая микросхема, реализующая сложную логическую функцию, по существу, представляет совокупность элементов И-НЕ или ИЛИ-НЕ. Для всех микросхем серии элемент И-НЕ (ИЛИ-НЕ) является базовым.

Базовый ТТЛ-элемент И-НЕ. В этом элементе обе логические операции (И и НЕ) осуществляются транзисторами, чем определяется название типа логики: транзисторно-транзисторная.

Конъюнктор элемента (рис. 2.4,а) выпол-нен на многоэмиттерном транзисторе (МЭТ) VT1, который легко реализуется методами интегральной технологии. Его база через резистор Rб соединена с положительным зажимом источника питания Еп, эмиттеры являются входами элемента, а в цепь коллектора включен эмиттерно-базовый переход транзистора VT2. Потенциал базы VT1 выше

Читайте также:  Найти индуктивность через зарядили силу тока

потенциала коллектора, поэтому коллекторный переход VT1 отперт. Режим эмиттерного перехода зависит от ситуации на входах элемента. Если хотя бы на одном входе присутствует низкий потенциал логического 0 (например, x1=0), то потенциал эмиттера uэ меньше потенциала базы uб – эмиттерный переход отперт. Таким образом, оба перехода VT1 открыты, и он насыщен. При этом практически весь ток базы проходит в цепь эмиттера, а напряжение uк1 на коллекторе составляет доли вольта. Если же на всех вхо-дах элемента высокий потенциал U1 логической 1 (x1=x2=x3=1), то uэ>uб – эмиттерный переход заперт и ток базы VT1 переключает-ся в цепь коллектора, напряжение uк1 на котором составляет теперь около 2 В.

Инвертор рассматриваемого элемента называют сложным. Он должен обеспечить элементу большую нагрузочную способность, т. е. обладать незначительным выходным сопротивлением. Напомним, что выходное сопротивление простого транзисторного ин-вертора (рис.2.3) зависит от его режима. Когда транзистор насыщен, на коллекторе низкий уровень логического 0 и Rвых весьма мало: оно равно сопротивлению rнас насыщенного транзистора. Если транзистор заперт, на его коллекторе высокий u1087 потенциал, а Rвых ≈Rк. Чтобы Rвых рассматриваемого элемента было незначительно при обоих уровнях потенциала на выходе, к последнему подключены две цепи: первая из них содержит транзистор VT4, а вторая – транзистор VT3 и диод VD1. Когда заперт VT3 и насы-щен VT4, на выходе низкий потенциал (логический 0), а Rвых= rнас. Когда заперт VT4 и открыт VT3, на выходе высокий потенциал (логическая 1); при этом каскад на транзисторе VT3 работает в активном режиме как эмиттерный повторитель (с малым Rвых), на-грузкой которого являются подключенные к выходу Rн и Сн. Резистор Rк3 имеет небольшое сопротивление, и в данном случае с его влиянием можно не считаться.

Рассмотрим, как осуществляется включение и выключение транзисторов VT3 и VT4. Ранее отмечалось, что если, к примеру, x1=0, то напряжение uк1 на коллекторе VT1 незначительно. В этом режиме оно меньше 0,6 В — напряжения, при котором появляется заметный ток в коллекторных цепях кремниевых транзисторов данной микросхемы. Поэтому транзистор VT2 практически заперт – его эмиттер имеет потенциал, близкий к нулю, а коллектор – высокий потенциал. В результате VT3 открыт, а VT4 заперт (uвых= U1, у=1). Таким образом, при логическом 0 на одном из входов (например, при x1=0) на выходе будет логическая 1 (y=1).

Ранее также было установлено, что если на всех входах элемента присутствует высокий потенциал (логическая 1), то эмиттерный переход VT1 заперт и ток базы поступает в его коллектор, т. е. в базу транзистора VT2. В результате VT2 насыщается, по сравне-нию с предыдущим режимом потенциал его эмиттера uЭ2 возрастает, а потенциал коллектора uК2 уменьшается до 1 В. Следствием увеличения uЭ2 является насыщение транзистора VT4 (uвых=U0 ≈0,2 В – логический 0). Таким образом, при x1=x2=x3=1 y=0. Сопос-тавляя это с режимом х1=0, y=1, приходим к выводу, что рассматриваемый элемент реализует логическую функцию И-НЕ.

В отсутствие диода VD1 на эмиттерно-базовый переход VT3 при uвых= U0 воздействовало бы напряжение uбэ3 = uк2-uвых =1- 0,2 = 0,8 В, в _________результате чего VT3 оказался бы отпертым. При наличии диода VD1 часть напряжения uк2 — uвых выделяется на нем, так что напряжение uБЭ3 становится меньше 0,6 В и VT3 оказывается практически запертым. Резистор Rк3 ограничивает начальный ток зарядки емкости нагрузки Сн, который проходит через транзистор VT3 при uвых=U1 и может оказаться значительным.

Обратимся к цепи диода VD2, показанной на рис.2.4,а пунктиром. Он обеспечивает «третье состояние» выходов микросхемы.

Если потенциал его катода соответствует уровню логической 1 (u=U1), то диод заперт и схема работает так, как это описано ра-нее. При u=U0 диод отпирается, за счет чего запирается транзистор VT3, так как Uбэ ≈0. Кроме того, ток базы VT1 проходит в цепь эмиттера, имеющего низкий потенциал, благодаря чему запирается транзистор VT2 и, как следствие, транзистор VT4. Таким обра-зом, выход элемента оказывается отсоединенным от положительной клеммы источника питания и от “земли”, т. е. на нем не мо-жет появиться ни 1, ни 0 – вход последующего устройства не чувствует ни низкого, ни высокого логического потенциала и по-этому бездействует. Это равносильно отключению последующей части устройства от данного элемента, т. е. высокоомному (высо-коимпедансному, третьему) состоянию его выхода.

Если выходы используемых элементов обладают указанным свойством, то при работе на общую нагрузку они могут соединяться, но при условии, что элементы функционируют не одновременно. На рис. 2.4,б показан дополнительный атрибут обозначения эле-мента, выход которого может устанавливаться в высокоомное состояние.

К классу ТТЛ относятся, в частности, микросхемы серий 155, 133, 531, 1533 .

Базовый КМОП-элемент ИЛИ-НЕ. Рассматриваемый элемент реализован на полевых транзисторах класса металл—диэлектрик – полупроводник с индуцированными каналами p- и n-типов (на комплиментарных транзисторах). Как было сказано ранее, название элемента составлено из первых букв слов “комплиментарный”, “металл”, “окисел”, “полупроводник”.

Основу структуры такого элемента составляет ключ на КМОП-транзисторах. По существу КМОП-элемент (рис. 2.5) пред-ставляет собой делитель напряжения Еп источника питания. Одно плечо делителя составляют транзисторы VT1, VT2, VT3 (ком-мутирующие, или управляющие), другое – транзисторы VT4, VT5, VT6 (нагрузочные). В силу разной проводимости каналов тран-зисторов логический сигнал на входе запирает один из управляющих транзисторов и отпирает нагрузочный транзистор, или на-оборот. Когда на любой из входов (например, первый) подается высокий потенциал U1 (х1=1, x2=x3=0), то VT1 открывается и со-противление плеча, состоящего из управляющих транзисторов, уменьшается. Одновременно запирается транзистор VT4 и сопро-тивление плеча, состоящего из нагрузочных транзисторов, становится весьма значительным – большая часть напряжения Еп вы-деляется на нагрузочных транзисторах, и на выходе элемента – низкий потенциал U0 (у=0).

Только когда на всех входах присутствует низкий по-тенциал U0 (x1=x2=x3=0), управляющие транзисторы заперты, а нагрузочные – открыты. Поэтому падение напряжения на нагрузочных транзисторах мало, а на управляющих – вели-ко: на выходе высокий потенциал U1 (y=1). Таким образом, при xi=1 y=0; при x1=x2=x3=0 у=1, т.е. элемент реализует функцию ИЛИ-НЕ.

Логические КМОП-элементы имеют значительные дос-тоинства. В стационарных состояниях в цепи источника Еп находится запертый транзистор, так что потребляемая эле-ментом мощность незначительна; по существу, потребление энергии происходит при переключении элемента и возрастает с увеличением частоты переключении. Входное сопро-тивление полевого транзистора весьма велико. Поэтому эле-ментами на полевых транзисторах данный элемент мало на-гружается. При исполнении по интегральной технологии по-левой транзистор занимает на подложке меньшую площадь, чем биполярный.

Однако по сравнению с биполярным полевой транзистор является менее быстродействующим и имеет большее сопротивление u1074 в открытом состоянии, благодаря чему остаточное напряжение на нем сравнительно велико. В структурах, использующих комплиментарные полевые транзисторы, эти недостатки ослабляются: первый за счет того, что нагружающая выход емкость оказывается всегда подключенной к цепи, содержащей открытый транзистор (управляющий или нагрузочный), через который она может быст-ро перезаряжаться, а второй ослабляется регулируемой нагрузкой: малое напряжение на выходе обусловлено большим сопротив-лением запертого в это время нагрузочного транзистора.

К классу КМОП относятся, в частности, микросхемы серий 564, 561, 1561, 1554.

Базовый ЭСЛ-элемент ИЛИ / ИЛИ-НЕ. В этом элементе обе логические операции (ИЛИ, НЕ) выполняются эмиттерно-связанными транзисторами, чем и обусловлено название типа логики. Элемент имеет два выхода, на одном из которых фиксирует-ся результат операции ИЛИ, а на другом – операции ИЛИ-НЕ. Обозначают такой элемент ИЛИ ⁄ИЛИ-НЕ.

Основу структуры рассматриваемого элемента (рис.2.6) составляет переключатель тока. Он собран на входных VT1, VT2, VT3 и опорном VTоп транзисторах, эмиттеры которых связаны. Потенциал базы VTon относительно минусовой шины Еп имеет ста-бильное значение ЕБ, а относительно “земли” — значение UБоп= ЕБ-ЕП, которое лежит между уровнями входных сигналов: U0 7 / 7 7

Источник

Температурная зависимость обратного тока полупроводникового диода

Соотношение (50), описывающее ВАХ идеального p-n перехода называют формулой Шокли. При приложении к p-n переходу положительного напряжения наклон ВАХ в полулогарифмическом масштабе постоянен. При T=300 К для увеличения плотности тока в 10 раз требуется увеличить напряжение на p-n переходе на ≈59.2 мВ ( ). При приложении же к p-n переходу отрицательного напряжения плотность обратного тока JR через него становится постоянной и равной по модулю плотности тока насыщения JR=-JS (рис.3).

Читайте также:  Что такое реле тока с торможением

Рассмотрим теперь влияние температуры на плотность обратного тока идеального p-n перехода, то есть тока насыщения. Для простоты ограничимся рассмотрением асимметричного p + -n перехода, (NA>>ND). При этом

, (52)

где — эффективные плотности состояний соответственно в зоне проводимости и в валентной зоне.

Учитывая, что

, выделим зависящую от температуры часть плотности тока насыщения

, (53)

где C=const.

Степенной член по сравнению с экспоненциальным членом слабо зависит от температуры. При обратном смещении, когда , модуль обратного тока будет увеличиваться с температурой примерно по экспоненте.

Прологарифмировав обе части уравнения (53) получим линейную зависимость логарифма плотности обратного тока от обратной температуры.

. (54)

Наклон зависимости будет определяться шириной запрещенной зоны Eg.

Из уравнения (54) можно получить ширину запрещенной зоны полупроводника в Дж:

. (55)

Сплошная кривая 1 (Ge) на рис.4 представляет собой зависимость в координатах Аррениуса , для идеального p-n перехода в германии (IS – плотность тока насыщения при температуре 25 °C).

Рассмотрим теперь ток термогенерации при обратном смещении p-n перехода. Так как при обратном смещении будут уменьшаться концентрации носителей заряда в обедненном слое (pn 2 ), то скорость термогенерации электронно-дырочных пар согласно теории Шокли-Рида-Холла при условиях p

где Ei – энергия середины запрещенной зоны полупроводника, Et – энергия уровня генерации-рекомбинации, σn – сечение захвата электрона, σp – сечение захвата дырки, vTh – тепловая скорость носителей заряда, Nt – плотность центров генерации-рекомбинации, τg – эффективное время жизни.

Плотность тока термогенерации электронно-дырочных пар в области пространственного заряда полупроводникового диода будет равна.

, (57)

где W – толщина слоя ОПЗ.

Полный обратный ток в асимметричном p + -n переходе (при pn>>np и ) приближенно можно представить суммой диффузионного тока в нейтральной области и тока термогенерации в ОПЗ.

. (58)

При неизменной температуре плотность тока JTG пропорциональна толщине ОПЗ W, которая зависит от приложенного к p + -n переходу обратного напряжения UR. Для резкого p + -n перехода плотность тока термогенерации пропорциональна корню квадратному из суммы контактной разности потенциалов и обратного напряжения.

. (59)

В полупроводниках с большим значением собственной концентрации, например, в германии, при комнатной температуре преобладает диффузионный ток, и обратный ток p-n перехода подчиняется уравнению Шокли (рис.3 и рис.5, пунктирная кривая).

При малом значении собственной концентрации ni, например, в кремнии, может преобладать ток термогенерации (рис.6, сплошная кривая).

Для p-n переходов в полупроводниках с достаточно широкой запрещенной зоной (например, в кремнии), если эффективное время жизни τg не зависит или слабо зависит от температуры, то в уравнении (58) можно пренебречь первым членом, и плотность обратного тока такого p + -n перехода будет пропорциональна собственной концентрации носителей ni.

. (60)

То есть при обратном смещении , когда модуль плотности обратного тока будет увеличиваться с температурой примерно по экспоненте.

Поэтому наклон зависимости будет определяться половиной ширины запрещенной зоны .

. (61)

Прологарифмировав обе части уравнения (61) получим линейную зависимость логарифма удельной электропроводности от обратной температуры.

, (62)

Из уравнения (62) можно получить ширину запрещенной зоны полупроводника в Дж:

. (63)

Пунктирная кривая на рис.4 представляет собой зависимость в координатах Аррениуса , для p+-n перехода в кремнии (IR – плотность обратного тока при температуре 25 °C).

Учет температурной зависимости ширины запрещенной зоны

Величина ширины запрещенной зоны, вычисленная по формуле (55) или (63), даёт истинное значение Еg, лишь в случае, когда Еg не зависит от температуры. В действительности ширина запрещенной зоны зависит от температуры. Эта зависимость определяется рядом причин, обусловленных статическими и динамическими факторами. К уменьшению ширины запрещенной зоны может приводить рост амплитуды тепловых колебаний атомов кристаллической решетки и увеличение расстояний между атомами при термическом расширении кристалла. Строго учесть эти факторы невозможно, поэтому зависимость ширины запрещенной зоны от температуры Eg(T) находят эмпирически.

, (64)

где Eg(0) – ширина запрещенной зоны полупроводника при температуре абсолютного нуля, α и β – постоянные.

Для линейного участка при температурах от 280 K до 400 K эту зависимость Еg(Т)можно представить в линейной функции температуры

, (65)

где Еg ширина запрещенной зоны, полученная экстраполяцией линейной зависимости к абсолютному нулю; g температурный коэффициент.

Величины Еg(0 K), α, β, Еg(З00 K), Еg и g для кремния и германия приведены в таблице 1.

Полупроводник Еg(0), эВ α∙10 4 , эВ∙K -1 β, K Еg(300 K), эВ Еg, эВ g , эВ∙град -1
Ge 0.743 4.774 235 0.67 0.785 4.06∙10 -4
Si 1.170 4.730 636 1.12 1.209 2.81∙10 -4

Графики эмпирических зависимостей Eg(T) и экстраполирующих прямых (линейных линий тренда) в диапазоне температур от 280 K до 400 K представлены на рис.6. На этом же рисунке приведены данные линий тренда и коэффициенты корреляции, показывающие, что совпадение линий тренда с эмпирическими данными достаточно хорошее (R 2 ≥0.99).

Для германиевого p-n перехода подставим зависимость (65) в выражение (55) и получим

. (66)

В координатах Аррениуса , это выражение представляет собой прямую линию (рис.4, сплошная кривая). Ширина запрещенной зоны, определенная по представленной на рис.4 сплошной кривой составляет ≈0.66 эВ, что соответствует ширине запрещенной зоны германия при температуре 300 K.

Ширина запрещённой зоны определяется из значений производной функции ln(IR) по .

. (67)

Подставив же зависимость (65) в выражение (62) получаем

. (68)

В координатах Аррениуса , выражение (67) представляет собой прямую линию (рис.4, пунктирная кривая).

Ширина запрещенной зоны, определенная по представленной на рис.4 пунктирной кривой 2 Eg≈1.12 эВ, что соответствует ширине запрещенной зоны кремния при температуре 300 K.

Окончательно ширина запрещённой зоны (в эВ), полученная экстраполяцией к абсолютному нулю, равна:

, (69)

где .

Для нахождения ширины запрещённой зоны при комнатной температуре необходимо воспользоваться формулой (65).

Источник

Температурные и частотные свойства p-n-перехода

Свойства p-n -перехода существенно зависит от температуры отгружающей среды. Из за повышения температуры возрастает генерация пар носителей заряда электронов и дырок, то есть увеличивается концентрация не основных носителей и собственная проводимость полупроводника. При повышении температуры прямой и обратные токи растут, а p-n-переход теряет свое основное свойство — одностороннюю проводимость . Прямой ток при p-n-переходе при нагреве растет не так сильно, как обратный ток- это объясняется тем, что прямой ток возникает главным образом за счет примесной проводимости, а концентрация примесей от температуры не зависит.

Свойства p-n-перехода зависят также от частоты приложенного напряжения, это объясняется наличием собственной емкости между слоями полупроводника с разными типами проводимости. При работе на высоких частотах емкостное сопротивление уменьшается и обратный ток может пройти через эту емкостью не смотря на большую величину сопротивления Rобратн. Это нарушает нормальную работу прибора, так как p-n-переход теряет свойства односторонней проводимости, поэтому для работы на высоких частотах используется в основном точечные полупроводниковые приборы у которых площадь p-n-перехода незначительно и собственная емкость мала.

ПРОБОЙ P-N-ПЕРЕХОДА

При некотором значении . возникает пробой p-n-перехода при котором обратный ток резко возрастает и сопротивление запирающего слоя резко уменьшается. Таким образом под пробоем p-n-перехода понимают значительное уменьшение обратного сопротивления сопровождающееся возрастанием обратного тока при увеличении приложенного напряжения. Различают 2 вида пробоев:

1) Электрический (обратимый)

которые необходимо изучить самостоятельно

Туннельныйпробой возникает при малой ширине p-n-перехода (например, при низкоомной базе), когда при большом обратном напряжении электроны проникают за барьер без преодоления самого барьера. В результате туннельного пробоя ток через переход резко возрастает и обратная ветвь ВАХ идет перпендикулярно оси напряжений вниз.

Лавинныйпробой возникает в том случае, если при движении до очередного соударения с нейтральным атомом кристалла электрон или дырка приобретают энергию, достаточную для ионизации этого атома, при этом рождаются новые пары электрон-дырка, происходит лавинообразное размножение носителей зарядов; здесь основную роль играют неосновные носители, они приобретают большую скорость. Лавинный пробой имеет место в переходах с большими удельными сопротивлениями базы («высокоомная база»), т.е. в p-n-переходе с широким переходом.

Тепловойпробой характеризуется сильным увеличением тока в области p-n-перехода в результате недостаточного теплоотвода.

Читайте также:  Генератор тока своими руками для дачи

Если туннельный и лавинный пробои, называемые электрическими, обратимы, то после теплового пробоя свойства перехода меняются вплоть до разрушения перехода.

Напряжения и токи в p-n-переходах зависят от параметров перехода и его температуры.

ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ПРИБОРЫ

Основаны на эффектах обусловленных переносом заряда в твердом теле и предназначены для усиления , генерирования и преобразования . Параметры полупроводцниковых приборов определяются, как геометрическими размерами, так и свойствами материалов полупроводника из которого изготовлен прибор. Большинство полупроводниковых приборов применяемых в устройства промышленной электроники и радиоаппаратуры можно разделить на следующие группы:

1) Полупроводниковые диоды

Полупроводниковые диоды относятся к двухэлектродным приборам . Транзисторы — трёхэлектродным . Тиристоры существуют как в двухэлектродном(динисторы), так и в трехэлектродным (тринисторы) исполнении. Основой перечисленных полупроводниковых приборов является кристалл полупроводника с одним или несколькими p-n-переходами. В промышленной электронике помимо этого также находят применение беспереходные полупроводниковые приборы — полупроводниковые резисторы у которых p-n-переход отсутствует. Такие резисторы изготовляют из однородного полупроводникового материала, электрические свойства которого определяют характеристики и параметры резисторов. Маломощные полупроводниковые приборы изготовляют, как в дискретном (отдельном) , так и в интегральном исполнении. Мощные (силовые) полупроводниковые приборы изготовляют только в дискретном исполнении . Технология изготовления не изменяя общего характера процессов протекающих в приборе оказывает существенное влияние на его технические и эксплуатационные показатели .

ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ РЕЗИСТОРЫ

Полупроводниковые резисторы представляют обширный класс полупроводниковых приборов принцип действия которых основан на свойствах полупроводников изменять свое сопротивление под действием температуры электромагнитного излучения приложенного напряжения и других факторов. Одним из основных механизмов которые используются в таких приборах является процесс генерации пар электрон-дырка под воздействием внешних факторов. К полупроводниковым резисторам относят 0терморезисторы, терморезисторы, фоторезисторы , варисторы) .

Терморезисторы — приборы, сопротивление которых значительно изменяется при изменении температуры

Фоторезисторы — приборы принцип действия которых основан на фоторезистивном эффекте — изменении сопротивления полупроводникового материала под действием электромагнитного излучения.

Варисторы — приборы, работа которых основана на эффекте уменьшения сопротивления полупроводникового материала при увеличении приложенного напряжения.

САМОСТОЯТЕЛЬНО ИЗУЧИТЬ (РАССМОТРЕТЬ) ТЕРМОРЕЗИСТОРЫ (ЧТО ТАКОЕ ЗАЧЕМ ПОЧЕМУ) ФОТОРЕЗИСТОРЫ ВАРИСТОРЫ . ПРЯМЫЕ И ОБРАТНЫЕ РЕЛЕЙНЫЕ ЭФФЕКТЫ, ТЕРМИСТОР ТЕРМОПАРА.

ТЕМЗОРЕЗИСТОРЫ(ноу нид)

Диод — простейший полупроводниковый прибор, который позволяет току течь только в одном направлении. Полупроводниковый диод представляет собой электропреобразовательный полупроводниковый прибор с одним p-n- переходом и двумя внешними выводами под областей кристалла с разными типами электропроводности. Именно p-n-переход является основой любого полупроводникового диода(кроме диодов с барьером металл-полупроводник, то есть диодов шеттки и диодов Ганна и определяет его свойства, его технические характеристики и параметры. Наибольшее применение получили Германиевые и Кремневые полупроводниковые диоды, а так же диоды, выполненные на основе арсенида галлия. В зависимости от способов получения p-n-переходов полупроводниковые диоды делятся на 2 типа: плоскостные и точечные. Диод создается соединением вместе n и p типа. В области контактов этих материалов образуется переход , такой диод называется диодом на основе p-n-перехода. При формировании перехода подвижные заряды в его окрестности притягиваются к зарядам противоположного знака и дрейфуют по направлению к переходу( электроны в одну сторону, дырки в другую) . По мере накопления зарядов этот процесс усиливается . Некоторые электроны из полупроводника n — типа перемещаются через переход , заполняя дырки вблизи перехода в материале p — типа. В материале n- типа в области перехода электронов становится меньше. Эта область перехода, где концентрация электронов и дырок уменьшена называетсяобедненным слоем . Он занимает небольшую зону с каждой стороны перехода. В обедненном слое нет основных носителей . и материалы n и p- типа не являются больше электрически нейтральными. Материалы n- типа становятся положительно заряженным близи перехода , а материал p -типа — отрицательно. обедненный слой не может стать большим , так как взаимодействие зарядов быстро ослабевает при увеличении расстояния , и слой остается малым. Размер слоя ограничен зарядами противоположного знака , расположенными по обе стороны перехода . Как только отрицательные заряды располагаются вдоль перехода они отталкивают другие электроны , и не дают им пересечь переход . Положительные заряды поглощают свободные электроны и так же не дают им пересечь переход . Эти заряды противоположного знака выстроившиеся с двух сторон перехода создают напряжение называемое потенциальным барьером. Это напряжение может быть представлено, как внешний источник тока, хотя существует только на p-n-переходе. Потенциальный барьер мал, его величина оставляет только несколько десятых долей вольты (0.3 для германия, 0.7 для кремния ) . Потенциальный барьер проявляется, когда к p-n-переходу прикладывается внешнее напряжение. Напряжение, приложенное к диоду называется напряжением смещения. Напряжение смещения бывают прямым и обратным . Когда ток течет от n(-)-типа к материалу p-(+)типа то говорят что диод смещен в прямом направлении . То, текущий через диод, смещенный в прямом направлении ограничен сопротивлением материала p и n -типов и внешним сопротивлением цепи. Сопротивление диода не велико. Следовательно подсоединение источника тока к диоду в прямом направлении создает большой ток. При этом может выделиться такое количество тепла , которого достаточно для разрушения диода. Для того, чтобы ограничить ток последовательно с диодом необходимо включить резистор. Диод проводит ток в прямом направлении только тогда , когда величина внешнего напряжения больше потенциального барьера . Когда диод начинает проводить ток , на нем появляется падение напряжения равное потенциальному барьеру и называется прямым падением напряжения(Eпр ) . В диоде на который подано напряжение смещения в прямом направлении отрицательный вывод внешнего источника тока соединен с материалом n- типа, а положительный вывод с материалом p -типа. Если эти выводы поменять местами диод не будет проводить ток и про него говорят, что он смещен в обратном направлении . В результате обедненный слой p-n-перехода становится шире и сопротивление перехода увеличивается . Приложенное в обратном направлении напряжение смещения увеличивает потенциальный барьер . Если напряжение внешнего источника равно величине потенциального барьера электроны и дырки не могут поддерживать протекание тока . При обратном напряжении смещения течет очень маленький ток. Этот ток утечки называется обратным током и существует благодаря наличию не основных носителей . Таким образом можно сказать, что диод на основе p-n-перехода является устройством пропускающим ток только в одном направлении. Это свойство позволяет использовать диод в качестве выпрямителя , который преобразует переменное напряжение в постоянное.

МЕТОДЫ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ДИОДОВ

Обозначения полупроводниковых диодов.

Обозначения полупроводниковых диодов состоят из 6 элементов.

1 элемент(буква или цифра) обозначает исходный материал:

Г или цифра 1 — германий, К или 2 — кремний, А или 3 — соединения галлия. Обозначения, начинающиеся с цифры присваиваются приборам , которые могут работать при повышенных температурах или других внешних факторах.

2 элемент(буква) указывает на тип полупроводникового диода:

Д — выпрямительные, универсальные, импульсные диоды

Ц — выпрямительные столбы и блоки

А — сверхвысокочастотные диоды

С — стабилитроны и стабисторы

И — туннельные и обращенные диоды

Л — излучающие диоды

Г- генераторы шума

К — стабилизаторы тока

3 элемент(цифра) определяет назначение и качественные свойства диодов

4 и 5 элементы (цифры) обозначают порядковый номер разработки от 0.1 до 99(за исключением стабилитронов и стабисторов).

У стабилитронов имеющих напряжение стабилизации в вольтах от 1 до 9.9 вольта и от 10 до 99 вольт 4 и 5 элементы обозначают напряжение стабилизации. У стабилитронов имеющих напряжение стабилизации от 100 до 199 вольт — разность между номинальным значением напряжения и стабилизации и 100 вольтами.

У стабисторов имеющих напряжение стабилизации менее 1 вольта 4 и 5 элементы обозначают десятые и сотые доли вольта .

6 элемент(буква) определяет разновидность прибора по технологическим признакам, а для стабилитронов и стабисторов указывает на последовательность разработки .

+ А
К —

Схематическое обозначение диода выглядит следующим образом:

На схематическом изображении полупроводникового диода треугольник является анодом(p область) . Черточка — катод (n часть).

Iпр

Прямой ток течет

Прямой ток проходит тогда, когда анод имеет положительный потенциал относительно катода.

Треугольник нужно рассматривать, как стрелку показывающую условное направление прямого тока .

Опора деревянной одностоечной и способы укрепление угловых опор: Опоры ВЛ — конструкции, предназначен­ные для поддерживания проводов на необходимой высоте над землей, водой.

Организация стока поверхностных вод: Наибольшее количество влаги на земном шаре испаряется с поверхности морей и океанов (88‰).

Механическое удерживание земляных масс: Механическое удерживание земляных масс на склоне обеспечивают контрфорсными сооружениями различных конструкций.

Источник