Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
Полупроводниковый диод
Теоретическое введение
I. р-n-переход
Под р-n-переходом понимают область полупроводника, где проводимость меняет знак, то есть из акцепторной переходит в донорную.
Возможны следующие типы p-n-перехода:
В полупроводник р-типа вплавляется таблетка полупроводника n-типа. Главный недостаток – низкая технологичность и плохая воспроизводимость результатов.
Примесь противоположного знака внедряется за счет диффузии частиц из некоторого источника. Главный недостаток – размытость границ перехода.
Здесь примесь внедряют при помощи ионного легирования, то есть в ионной пушке создается остросфокусированный ионный пучок, которым и облучают исходный полупроводник. Сканируя пучок по поверхности, можно создавать р-п-переходы в нужном месте и требуемых размеров.
Предположим, что р-п-переход каким-либо образом создан и находится в равновесии, то есть внешнее напряжение отсутствует. В области перехода существуют градиенты концентрации дырок и электронов (рис. 4), что в свою очередь приведет к диффузии дырок из р-области в п-область, а электронов из п-области в р-область. Попадая в п-область дырки становятся неосновными носителями и рекомбинируют там с электронами, следовательно, вблизи перехода п-область обедняется электронами и заряжается положительно. Аналогично р-область вблизи перехода обедняется дырками и заряжается отрицательно. Таким образом, в области р-п-перехода образуется объемный заряд, который создает внутреннее электрическое поле (рис. 5), препятствующее диффузии электронов и дырок. Область объемного заряда, обедненная носителями – это и есть область р-п-перехода. Протяженность области объемного заряда определяется условием равновесия между диффузией и воздействием внутреннего электрического поля. Чем больше концентрация примеси, тем сильнее диффузия, следовательно, тем большим должно быть электрическое поле для ее компенсации. А так как поле – это градиент потенциала, то при большой концентрации объемный заряд должен быть сосредоточен в узкой области и наоборот при малой концентрации примеси область объемного заряда расширяется, при этом суммарные заряды должны быть по величине равны друг другу (рис. 6). Ранее (работа 3.05) мы назвали полупроводник с высокой концентрацией примеси сильно легированным , а с низкой концентрацией примеси – слаболегированным , следовательно, чем выше степень легирования полупроводника, тем больше объемный заряд и тем уже область р-п-перехода.
Внутреннее электрическое поле, образованное объемным зарядом, будет менять энергию электронов, то есть в области перехода возникнет потенциальный барьер и энергетические зоны изгибаются. Величина загиба зон легко определяется из условия одинаковости уровня Ферми во всей области, если система находится в состоянии равновесия. На рис. 7 показана зонная схема р-п-перехода в равновесии, то есть при отсутствии внешнего напряжения. Так как зонная схема задает энергию электрона, то верх валентной зоны будет задавать энергию дырки с точностью до знака U, то есть потенциальная энергия электронов и дырок будет иметь вид, показанный на рис. 8.
Неосновных носителей мало, но они с легкостью скатываются с потенциального барьера, то есть дрейфуют под действием внутреннего электрического поля перехода и создают ток неосновных носителей. Основных носителей много, но р-п-переход для них – потенциальный барьер, преодолеть который посредством теплового движения сможет лишь их незначительная часть, которые и создадут ток основных носителей. В состоянии равновесия эти токи компенсируют друг друга и ток через переход будет равен
(1)
Рассмотрим теперь процессы в р-п-переходе при подаче на него некоторого напряжения.
Так как зонная схема задает энергию электрона, то положительное напряжение будет энергию понижать, а отрицательное – энергию повышать. Таким образом, при подключении р-п-перехода к внешнему источнику питания потенциальный барьер изменится на величину ( - приложенное напряжение) и зонные схемы примут вид, показанный на рис. 9 (прямое включение) и рис. 10 (обратное включение). Так как условия дрейфа неосновных носителей изменяются мало (они скатываются вниз с барьера), то ток неосновных носителей практически от напряжения не зависит (рис. 11).
(2)
Основные носители преодолевают барьер при помощи теплового движения, поэтому учитывая, что электроны в зоне проводимости и дырки в валентной зоне находятся на хвосте функции распределения, мы можем использовать для них статистику Больцмана, то есть концентрации основных носителей по разные стороны перехода связаны между собой экспоненциально. Учитывая, что ток пропорционален концентрации носителей, получим (рис. 11)
. (3)
Общий ток через переход будет равен
. (4)
Вольт-амперная характеристика перехода показана на рис. 12. Константы в (2) и (3) одинаковы и равны току неосновных носителей, ибо в противном случае в равновесии ток через переход будет равен нулю.
В построенной нами теории при любых отрицательных напряжениях ток через переход должен быть постоянным и равным току неосновных носителей, однако в реальности это выполняется только до некоторого напряжения, носящего название напряжения пробоя (рис. 12), при котором происходит так называемый пробой перехода. Под пробоем понимают явление резкого роста обратного тока через переход при практически одинаковом напряжении.
Рассмотрим основные виды механизмов пробоя.
, (5)
то для реального прохождения необходимо уменьшать ширину барьера а, то
есть
в нашем случае ширину перехода. Следовательно, туннельный пробой будет в
выcоколегированных полупроводниках, причем для перекрытия зон достаточно
небольших напряжений (в несколько раз больше ), то есть этот пробой
будет низковольтным при малых значениях U (36 В). Зенеровский пробой
также управляем и воспроизводим.
II. Полупроводниковые диоды
Возможны и другие типы полупроводниковых диодов, один из них –
туннельный диод будет рассмотрен в работе 3.08.
III. Полупроводниковые выпрямители
Р-п-переход действует как выпрямитель тока. При включении через переход идет большой ток, а при обратном – значительно меньший. Выпрямительный элемент на основе р-п-перехода называется полупроводниковым диодом (рис. 12).
Рассмотрим две простейши схемы использования диода в качестве выпрямителя. На рис. 18 представлена схема однополупериодного выпрямителя. При положительной полуволне напряжение на выходе к контакту А приложен (+), а к В – (-). Диод (Д) включен в прямом направлении, так что через сопротивление R потечет ток i, и на выходе схемы появится напряжение , повторяющее входное напряжение. При отрицательной полуволне входного напряжения к А приложен отрицательный потенциал, а к В – положительный. Диод становится включенным обратно, и ток через сопротивление практически равен нулю. Значит, и выходное напряжение равно нулю. Таким образом, на выходе образуется пульсирующее напряжение (рис. 18). Для сглаживания пульсаций используют различные фильтры. На рис. 18 представлен RC – фильтр. Если на такой фильтр подается пульсирующее напряжение, то во время увеличения напряжения конденсатор заряжается. Когда же наступает спад входного напряжения, параметры R и C подбирают такими, что разрядка конденсатора происходит медленно, и напряжение на выходе фильтра следует за напряжением разряжающегося конденсатора. Следующий импульс входного напряжения подзаряжает конденсатор и так далее. На выходе фильтра получится сглаженный профиль напряжения. Коэффициент пульсации входного напряжения определяется соотношением:
, (6)
где - постоянная составляющая напряжение (отсчитываемая по вольтметру). На рис. 20 представлена схема с двухполупериодным выпрямлением. Достоинством этой схемы является уменьшенное значение коэффициента пульсации выходного напряжения. Эту схему часто используют совместно с RC фильтром.
Установка.
Схема установки для снятия ВАХ диода выполнена на плате № 1 (рис. 21), схема для исследования выпрямителей – на плате № 2 (рис. 22). В работе используется источник тока УИП-2, осциллограф, вольтметр и миллиамперметр.
Снятие ВАХ диода.
Изучение выпрямителей.