Понятие об электронно – дырочном (p – n)переходе.

Граница между двумя полупроводниками с различными типами электропроводности называется электронно – дырочным переходом или p –n – переходом.

Так как в области n-типа концентрация электронов больше, то они начинают диффундировать (переходить) в область p –типа. Поскольку в области p – типа концентрация дырок больше, то они начнут диффундировать в область n–типа. Электроны, расположенные в приконтактной области, диффундируя в p – область, оставят на границе раздела положительные ионы донорной примеси. Дырки, расположенные в приконтактной области, диффундируя в n– область, оставят на границе раздела отрицательные ионы акцепторной примеси. В результате около границы раздела с двух сторон образуются слои с неподвижными объёмными зарядами противоположных знаков. Эта область полупроводника представляет собой слой, обеднённый носителями заряда. В нём нет ни электронов, ни дырок, поэтому он обладает большим сопротивлением. Это приводит к образованию электрического поля напряжённостью Е.

Поле препятствует дальнейшему перемещению носителей заряда в противоположные области. Поскольку обеднённый слой обладает незначительной электропроводностью, то его называют запирающим слоем. Действие электрического поля проявляется в том, что через p – n– переход могут перемещаться (дрейфовать) только неосновные носители заряда. Двойной электрический слой в области p – n –перехода обуславливает контактную разность потенциалов, называемую потенциальным барьером.

Данная картина будет наблюдаться до тех пор, пока к p–n – переходу не приложено внешнее напряжение. Рассмотрим движение носителей заряда через границу раздела при внешнего электрического поля.

В зависимости от полярности внешнего источника напряжения различают включение в прямом и в обратном направлении.

Включение в прямом направлении. Если к p –области подключить плюс , а к n- области минус источника внешнего напряжения, то действие сил поля, созданного внешним источником будет противоположно направлению сил внутреннего поля, поэтому внутреннее поле ослабляется, основные носители заряда свободно проходят через p – n– переход. В результате p – n – переход пополняется основными носителями заряда, ширина обеднённого слоя уменьшается, сопротивление его падает. Величина потенциального барьера будет равна разности напряжений перехода и внешнего источника . Диффузионный ток резко возрастает. Такое включение называется включением в прямом направлении, а ток через p – n–переход прямым.

Включение в обратном направлении. Если к p –области подключить минус, а к n- области плюс источника внешнего напряжения, то действие сил поля, созданного внешним источником будет того же направления, что и действие сил внутреннего поля, поэтому внутреннее поле усиливается, основные носители заряда не смогут свободно проходить через p – n– переход. Основные носители заряда будут оттягиваться от границы раздела к краям областей. В результате p – nширина обеднённого слоя увеличивается, сопротивление его растёт. Величина потенциального барьера будет равна сумме напряжений перехода и внешнего источника . Диффузионный ток резко уменьшается, ток через p –n –переход определяется неосновными носителями заряда. Поскольку концентрация неосновных носителей в десятки тысяч раз меньше чем основных, то ток оказывается очень малым. Такое включение называется включением в обратном направлении, а ток через p – n–переход обратным.

Работа всех полупроводниковых приборов основывается на использовании явлений на границе полупроводников с различными типами проводимости. К полупроводниковым приборам относятся диоды, биполярные транзисторы, полевые транзисторы, тиристоры. Все они составляют элементарную базу электронных схем.

Элементы электронных схем

Полупроводниковые диоды.

Диод – это полупроводниковый прибор с одним p– n– переходом и двумя выводами. Конструктивно диод представляет собой кристалл полупроводника, в котором одним из технологических приёмов (сплавление, диффузия) выполнен p – nпереход.

Принцип действия диода основан на свойствах p–n – перехода, образованного в результате соединения полупроводников с различными типами проводимости. Основной характеристикой диода служит его вольт – амперная характеристика.

ВАХ полупроводникового диода.

ВАХ показывает, что прямой ток в десятки мА получается при прямом напряжении в десятые доли вольта. Поэтому сопротивление бывает несколько десятков Ом. Нелинейность в начале характеристики для прямого тока объясняется тем, что существует сопротивление запирающего слоя, которое уменьшается при увеличении . При напряжении в десятые доли вольта запирающий слой исчезает и остаётся постоянное сопротивление, поэтому далее характеристика линейна.

Характеристику для обратного тока показывают в другом масштабе. Обратный ток при обратном напряжении до сотен вольт составляет единицы или десятки мкА. При увеличении обратного напряжения обратный ток увеличивается незначительно. Рост тока в дальнейшем происходит за счёт нагрева перехода в результате ударной ионизации (увеличения носителей заряда). Это явление вызвано тем, что при высоком электроны, приобретая большую скорость, выбивают из кристаллических решёток других атомов всё больше электронов. Процесс усиливается с увеличением напряжения. При некотором значении возникает пробой p – n -перехода, при котором обратный ток резко возрастает и сопротивление запирающего слоя резко уменьшается. Различают электрический и тепловой пробой p – n– перехода. Электрический пробой (участок АБВ) является обратимым, то есть при данном виде пробоя в диоде не происходит необратимых явлений. Тепловой пробой (участок ВГ) необратим, он сопровождается разрушением структуры вещества в месте p–n – перехода.

Разновидности диодов

Выпрямительные диоды

Предназначены для преобразования (выпрямления) переменного тока в постоянный. К их быстродействию, ёмкости p – n– перехода и стабильности параметров высоких требований не предъявляют.

Выпрямительные диоды характеризуются малым сопротивлением в прямом направлении и позволяют пропускать большие токи (до десятков и сотен ампер) при допустимых обратных напряжениях до 1000 В. Для этого площадь p – n– перехода выполняется относительно большой и ёмкость перехода достаточно велика (десятки пикофарад). Поэтому переходные процессы из открытого состояния в закрытое и, наоборот (при смене полярности приложенного напряжения) протекают относительно долго.

Выпрямительный диод представляет собой вентиль. Подаче на вход переменного напряжения диод откроется при положительной полуволне и закроется при отрицательной полуволне. При этом напряжение на выходе будет иметь вид, представленный на рисунке.

Стабилитроны

Стабилитроны –диоды, использующие при работе участок вольт – амперной характеристики, соответствующей обратному электрическому пробою.

Стабилитрону свойственна стабильность, то есть неизменность падения напряжения на нём при изменениях в несколько раз тока, протекающего через него.

Благодаря этому свойству стабилитроны применяются в качестве источников опорного напряжения, которое должно оставаться неизменным при изменении других параметров схемы

Во избежание теплового пробоя последовательно со стабилитроном в цепь включают резистор , ограничивающий ток , который является обратным для структуры стабилитрона.

При изменениях входного напряжения меняется ток и падение напряжения на сопротивлении .

Избыток напряжения выделяется на сопротивлении , а остаётся неизменным, следовательно и напряжение на нагрузке, включённой параллельно стабилитрону, будет стабильно.

ВАХ при обратном токе показывает, что в режиме стабилизации напряжение меняется мало. Характеристика для прямого тока стабилитрона такая же, как и для обычных диодов.

Кремниевые стабилитроны могут быть изготовлены на малые напряжения (единицы вольт), а именно такие нужны для питания многих транзисторных схем.

Напряжение стабилизации может быть примерно от 5 до 200 В, изменение тока стабилитрона от до составляет десятки и даже сотни миллиампер.

Основные параметры стабилитронов:

1. Напряжение стабилизации – напряжение на стабилитроне при протекании через него тока стабилизации;
2. Ток стабилизации – значение постоянного тока, протекающего через стабилитрон в режиме стабилизации;
3. Дифференциальное сопротивление стабилитрона – дифференциальное сопротивление при заданном значении тока стабилизации, т. е .

Стабисторы.

Полупроводниковые приборы, предназначенные для работы в стабилизаторах напряжения. Однако, в отличии от стабилитронов, у стабисторов используется не обратное напряжение, а прямое. Значение напряжения мало зависит от тока в некоторых его пределах. При изменении прямого тока в диапазоне от до падение напряжения будет изменяться в относительно в небольшом диапазоне .

В основном стабисторы выполняются из кремния и имеют напряжение стабилизации в среднем около 0,7 В.

Ток стабисторов обычно может быть от 1 мА до нескольких десятков мА.

Чтобы получить стабильное напряжение в единицы вольт, необходимо последовательно соединить несколько стабисторов. Особенность стабисторов – отрицательный температурный коэффициент напряжения, то есть напряжение стабилизации с повышением температуры уменьшается.Основные параметры стабисторов такие же, как у стабилитронов.

ВАХ стабистора.

Варикапы.

Диоды, работающие при обратном напряжении, от которого зависит барьерная ёмкость. Таким образом, варикап представляет собой конденсатор переменной ёмкости, управляемый электрически, то есть изменением обратного напряжения.

Ёмкость конденсатора представляет собой зависимость: С =

где S – площадь обкладок конденсатора, d- расстояние между

обкладками, e, –абсолютная и относительная диэлектрические проницаемости среды.

Вольт-фарадная характеристика

При постоянной абсолютной и относительной диэлектрических проницаемостей материала и площади p–n –перехода, ёмкость варикапа зависит только от ширины p – n–перехода.

Ширина p –n – перехода dзависит от приложенного обратного напряжения (чем больше обратное напряжение, тем больше ширина p – n -перехода). Поэтому чем больше обратное напряжение, тем больше ширина p – n–перехода и тем меньше ёмкость варикапа.

Светодиод
Схема работы светодиода
Светодиод - устройство, основанное на p-n переходе, включенном в прямом направлении. Под действием электрического поля внешнего источника потоки электронов и дырок движутся навстречу друг другу. В зоне p-n перехода они встречаются, и происходит рекомбинация (исчезновение) электронов и дырок. Однако, исчезая, они выплескивают свою энергию в виде квантов света – фотонов. Таким образом, светодиод излучает свет. У светодиодов КПД преобразования электрической энергии в световую очень высок, и составляет 20-70%. Если сравнивать с лампой накаливания, то у нее лишь 4% энергии переходит в световую.
Светодиоды используют в качестве экономичных источников света, индикаторов, цветных сигнализаторов.

Фотодиод
Фотодиод представляет собой p-n-переход включенный в обратном направлении. В этом случае при отсутствии светового потока фотодиод ток не пропускает.

Схема работы фотодиода.
Если на изолирующий слой направить свет, то в этом p-n переходе при поглощении фотонов будут рождаться пары электрон-дырка. Этот процесс обратный тому, что происходит в светодиодах. Образовавшиеся электроны и дырки под действием электрического поля разбегаются в противоположные стороны из изолирующего слоя, образуется электрический ток.
Фотодиоды являются светочувствительными приборами, так же как и фоторезисторы. Однако они выгодно отличаются большей чувствительностью, очень малыми размерами и весом. Фотодиоды являются быстродействующими при­борами, что позволяет их использовать в качестве приемников и детекторов модулированного светового сигнала.
С помощью большого количества фотодиодов создаются фотодиодные матрицы, которые могут считывать изображения, преобразуя его в электрический сигнал. На такой технологии основана работа видеокамер.

Биполярный транзистор

Биполярный транзистор – это полупроводниковый прибор с двумя p–n – переходами, имеющий три электрода. Две крайние области обладают одинаковым типом проводимости. Если средняя область обладает электронной проводимостью, то транзистор p – n – p–типа, если же средняя область p– типа, то транзистор n – p – n–типа.

n – p – n p – n - p

Средняя область транзистора - база. Одна из крайних областей транзистора – эмиттер. Она предназначена для инжекции (впрыскивания) неосновных носителей зарядав область базы. Электронно – дырочный переход между эмиттером и базой называется эмиттерным. Вторая крайняя область, предназначенная для экстракции (изъятия) из базы неосновных носителей заряда называется коллектором. Переход между базой и коллектором называется коллекторным.