Полупроводниковые приборы Электропроводность полупроводников (стр. 1 )

Полупроводниковые приборы

Электропроводность полупроводников

Для изготовления п/проводниковых приборов применяются простые п/п вещества – германий, кремний, селен, а также сложные п/п соединения – арсенид галлия, фосфид галлия и т. д.

       Для снижения удельного сопротивления чистых п/п, концентрация носителей зарядов (свободных электронов и дырок) которых ничтожно мала, вносятся определенные примеси чтобы получить электропроводность определенного типа (электронную или дырочную). Такой процесс называют легированием, а соответствующие п/п материалы – легированными. Материалы, отдающие свободные носители зарядов называются донорные (электронные п-), а принимающие – акцекторные ( дырочные р-). Основное значение для работы п/п приборов имеет электронно – дырочные переходы, называемые р-п - переходами, т. е. область на границе двух полупроводников, один из которых имеет электронную, а другой – дырочную электропроводимости. 

Образование р-п – перехода

       Возникает перемещение основных и неосновных носителей зарядов. Основные создают напряжение, что приводит к образованию электрического тока, значение которого велико, т. к. сопротивление соединения в данном направлении мало из-за того, что запирающий слой в этом направлении практически мал.

        При приложении обратного напряжения запирающий слой возрастает, что приводит к увеличению внутреннего сопротивления. Ток в этом направлении является неосновным и достаточно малым и называется обратным. Тогда р-п - переход – закрытым. При увеличении обратного тока возникает лавинообразное размножение носителей зарядов, что приводит к пробою перехода, называемого лавинным.

       В тоже время может возникнуть электрический пробой р-п-перехода, когда при достижении критической напряженности электрического поля перехода за счет энергии поля появляются пары носителей электрон - дырка, и существенно возрастает обратный ток перехода.

       Если температура р-п-перехода возрастает в результате нагрева обратным током при недостаточном теплоотводе, наступает тепловой пробой.

       Закрытый р-п-переход обладает электрической емкостью, которая зависит от его площади и ширины, а также от диэлектрической проницаемости запирающего слоя.

Полупроводниковые диоды

П/п диод – это п/п прибор с одним р-п-переходом и двумя выводами, в котором используются свойства перехода.

       Область р-п-структуры, обладающая большей концентрацией основных носителей зарядов называется эмиттером, а другая – базой. Характеристики и параметры диодов определяются р-п-переходом.

Классификация и условные обозначения  п/п приборов показана на схеме:

  Система обозначения

  п/п диодов

  плоские  точечные

выпрямительные  выпрямительные

стабилитроны  СВЧ-диоды

Туннельные  обращенные

Варикапы  фотодиоды

Светодиоды  фотоэлементы

Также существуют кремниевые (рабочая температура 150-2000С) и германиевые (рабочая температура 85-1600С).

Выпрямительные диоды

       Предназначены для выпрямления переменного тока низкой частоты (50-20000 Гц). Выпускаются в основном в кремниевом исполнении с плоскостным р-п-переходом. Основные параметры:

среднее значение выпрямленного тока Iпр. ср (при допустимом нагреве может длительно протекать через диод. Среднее значение прямого падения напряжения Uпр. ср (определяется по ВАХ диода). Среднее значение обратного тока Iобр при заданном значении обратного напряжения. Диапазон рабочих частот Δf (в его пределах ток не уменьшается ниже заданного значения)

Для повышения допустимого обратного напряжения и увеличения прямого тока промышленность выпускает высоковольтные столбы (диоды включаются последовательно) и выпрямительные блоки (последовательно - параллельное соединение).

Туннельные и обращенные диоды

       П/П диоды на основе вырожденного п/п, в котором туннельный эффект приводит к появлению на ВАХ при прямом направлении участка с отрицательной дифференциальной электрической проводимостью.

Здесь применяется очень узкий р-п-переход, где возникает условие для относительно свободного туннельного прохождения электронов через потенциальный барьер (туннельный эффект). При увеличении напряженности электрического поля в области перехода вероятность процесса возрастает. ВАХ показывает работу туннельных и обращенных диодов. Используемый температурный диапазон от (–1000С) до (+1500С).

Данные диоды используются в быстродействующих переключателях (до 109 переключений в 1 сек.), генераторах и усилителях электрических колебаний сверх высоких частот.

       Одна из разновидностей – обращенные диоды для переключения, детектирования и преобразования частоты.

Основные параметры данных диодов:

Напряжение пика U1. Напряжение впадин U2. Максимальный ток (ток пика) Iпика. Отношение пикового тока к току впадины  Дифференциальное отрицательное сопротивление Ri Сопротивление потерь R1. Предельная частота fmax.

Высокочастотные диоды

       Универсальные диоды, работающие в основном в выпрямительных установках переменного тока широкого диапазона частот (сотни мегагерц и даже до десятков гигогерц).

       Один из разновидностей в/ч диодов является импульсные диоды. Они используются как ключевые элементы в быстродействующих импульсных схемах. Обладают минимальным временем переходных процессов при включении и выключении.

Варикапы

       Это п/п приборы, в которых используется зависимость емкости р-п-перехода от обратного напряжения и который предназначен для применения в качестве элемента с электрически управляемой емкостью.

       В качестве п/п материала служит кремний. Зависимость емкости от обратного напряжения называется вольт – фарадной характеристикой варикапа.

       Основные параметры:

общая емкость Св, фиксируется при небольшом обратном напряжении  Uобр=2-5 В. коэффициент перекрытия по емкости  . Для большого количества варикапов С=10-500 пФ и кС=5-20

Стабилитроны

       П/п приборы, напряжение на которых в области электрического пробоя слабо зависит  от тока и который служит для стабилизации напряжения. В основном кремниевые плоскостные.

       Если в диоде повышается обратное напряжение происходит пробой р-п-перехода и сразу же  резко возрастают обратные токи. Возникает эффект ударной ионизации нейтральных атомов, увеличивающий дополнительные парные заряды, а следовательно, и ток через проход, нарастающий лавинно (лавинный пробой) (участок АВ). Такой участок характеристики используется в стабилитронах с обратным включением в цепь источника  постоянного напряжения. Если же обратный ток не превышает установленного  Iст мах, стабилитрон не выходит из строя. Стабилитроны по допустимой мощности рассеивания бывают:

маломощные (Рмах 0,3 Вт) средней (0,3 Рмах 5 Вт) большой (Рмах> 5 Вт)

Основные параметры:

напряжение стабилизации Uст (при  Iст min) минимальный и максимальный ток Iмин и  Iмах на участке стабилизации Динамическое сопротивление на участке стабилизации  .  Характеризует степень изменения стабилизации при изменении тока через стабилитрон. Температурный коэффициент напряжения стабилизации.

,

и характеризует относительное изменение напряжения стабилизации при изменении температуры окружающей среды на 10С, в %.

       Одна из разновидностей данных диодов – стабистор, т. е. низковольтный стабилитрон, напряжение которого получается, используя прямую ветвь ВАХ.

Тиристоры

       Тиристор - п/п прибор с тремя или более р-п-переходами, ВАХ которого имеет участок с отрицательным дифференциальным сопротивлением и который используется для переключения. Классификация и условные обозначения приводятся на схемах ниже.

Основной п/п материал – кремний. Простейший тиристор с двумя выводами – это диодный тиристор (динистор). Триодный тиристор (тринистор) имеет дополнительный третий,(управляющий ) электрод. Как диодный, так и триодный тиристоры имеют четырехслойную структуру с тремя р-п-переходами П1, П2, и П3.

Питающее напряжение подается на тиристор таким образом, что переходы П1  и П3 открыты, а П2 – закрыт. Сопротивления открытых переходов незначительны, поэтому почти все питающее напряжение Uпр приложено к закрытому переходу П2, имеющему высокое сопротивление. Поэтому ток тиристора мал. При повышении напряжения Uпр ( что достигается увеличением ЭДС  источника питания) ток тиристора увеличивается незначительно, пока напряжение Uпр не приблизится к некоторому критическому значению, равному напряжению включения Uвкл. После этого происходит лавинообразное увеличение количества носителей зарядов за счет лавинного умножения носителей зарядов в р-п-переходе П2, движущимися электронами и дырками. Наступает пробой слоя, не разрушающий переход П2. Этот слой восстанавливается при уменьшении тока.

       Важным параметром триодного тиристора является отпирающий ток управления Iу – ток управляющего электрода, который обеспечивает переключение тиристора в открытое состояние.

       На ВАХ видно, что при подаче на тиристор обратного напряжения в нем возникает небольшой ток, т. к. в этом случае закрыты переходы П1  и П3. Во избежании пробоя тиристора в обратном направлении (который выводит тиристор из строя из-за теплового пробоя перенхода) необходимо, чтобы обратное напряжение было меньше Uобрмах.