ЛЕКЦИЯ-ПЭ № 4 От 13.10. и 21.10. 2016 г.
Р-N переход и его значение в теории и практике полупроводниковых МЭТ
1. Определение и основные понятия.
2. Р-N переход в отсутствие на нем напряжения (смещения).
3. Р-N переход при прямом смещении.
4. Р-N переход при обратном смещении.
5. Полупроводниковый диод.
Билеты № 10, 11, 12.
1.
Определение. Р-N переход- это тесно контактируемая область двух полупроводников (П-П) с различным типом электропроводно-сти (электронной и дырочной), рисунок 1.
Рисунок 1. Структура р-п перехода
«Электронная» - понятно! А что такое дырочная электропроводность?
Дырка – это искусственно введенная положительно (+) заряженная частица с зарядом электрона (q = + 1,6 ∙ 10 -19 кулон), реально не существующая, но вносящая такой же вклад в механизм протекания тока, как и (-) электрон. Что это за вклад такой?
Механизм здесь простой: приложенное к П.П. эл.поле разрывает ковалентную связь в атоме и высвобожденный электрон перемеща-ется по кристаллу, создавая ток проводимости, а «пустое место» отсутствующего электрона (вакансия) перемещается в противопо-ложную сторону. При этом удобнее следить за перемещением этой вакансии, которую и рассматривают как движущуюся (+) частицу. Отсюда и понятие «дырочная электропроводность (часто про-водимость)».
Рассмотрение данной темы является важным, так как р-п переход является основой всех известных полупроводниковых приборов.
Отсутствие смещения, т.е. источника нет (рисунок 2)
Рисунок 2. В тонком слое р-п перехода образуется равновесная контактная разность потенциалов φк = Uк, которую нельзя измерить.
В этом случае в р-п переходе возникает собственное равновес-ное эл.поле с контактной разностью потенциалов(КРП) φк = Uк (п-электроны стремятся к р-области, образуя на ее границе (-) потенциал, а р-дырки - к n-области со своим (+) потенциалом).
|
|
Из физики известно, что эта контактная разность потенциалов φк определяет величину работы выхода электронов
Авых = 
,
которую нужно совершить электрону (или дырке) обеих полупроводников при переходе через слой для создания рабочего тока.
В этом случае в p-n переходе создается структура заряженного конденсатора, где роль обкладок играют p- n- слои, а роль изолятора – обедненный слой [12]. При этом возникает динамическое равновесие с компенсацией двух токов- дырок из n- области, электронов из p-области. А потому возникшую КРП нельзя измерить, так как ее нет!
3.
Прямое смещение (рисунок 3)
Источник подключен минусом к полупроводнику п-типа, а плюсом – к р-типа.
Рисунок 3. Внешнее поле U «сужает» р-п переход, насыщает его носителями зарядов и в замкнутой цепи течет прямой ток.
В этом случае внешнее поле Е источника U, свободно компенси-руя собственное, помогает перемещению зарядов: (-п) электроны устремляются в (+р) область, а (+р) дырки – соответственно в (-п)-область (разноименные заряды притягиваются!), обогащая р-п пе-реход этими носителями заряда, и создавая результирующую раз-ность потенциалов ϕ, равную
ϕ= 
- U
Ширина р-п перехода резко сужается, следовательно, сопротив-ление перехода уменьшится и увеличится прямой ток.
4.
Обратное смещение
При обратном смещении p-область присоединена к отрицатель-ному, а n-область – к положительному зажиму источника (рисунок 4).
|
|
Рисунок 4. Внешнее поле U «расширяет» р-п переход, обедняя его носителями зарядов и в цепи невозможен прямой ток.
В этом случае компенсации нет: наоборот, внешнее Е → и собственное (показано внутри стрелками + → -) поля совпадают. Контактная разность потенциалов КРП φк суммируется с внешним напряжением U и результирующая φ смещает носители тока к кон-цам p-n перехода, полностью его обедняя этими носителями (про-тивоположные заряды притягиваются)
Следовательно, резко увеличится сопротивление перехода и в его замкнутой цепи протекание тока становится невозможным.
Р-п переход - фактически и есть конструктивно оформленный полупроводниковый диод в различных видах и модификациях.
5.
Полупроводниковый диод
Полупроводниковым диодом называется полупроводниковый прибор, состоящий из p-n перехода и двух выводов (омических контактов) для включения во внешнюю электрическую цепь. Вывод, соединенный с p-областью, называется анодом, другой – катодом. При этом, прямому (пропускному) направлению диода соответствуетположительная полярность внешнего напряжения на аноде (рисунок 5).
Рисунок 5. Полупроводниковый диод и его вольтамперная характеристика
Вид вольтамперной характеристики (ВАХ) определяется плотностями носителей тока в соответствующих слоях р-п перехода, и в инженерной практике для комнатных условий выражение ВАХ с приемлемой точностью может быть записано в следующей упрощенной форме:
где Iо - небольшой обратный ток при обратном смещении, т.н. дрейфовый ток неосновных носителей (несколько микроампер для маломощных приборов).
|
|
Из рисунка 5 видно, что при прямом смещении Uпр диод открыт для протекания прямого тока, а при обратном Uобр – практически закрыт (обратный ток пренебрежимо мал), что широко используется в выпрямителях переменного тока в постоянный, где в нагрузку пропускается только положительная полярность синусоидального тока.
На практике щироко используется идеализированная ВАХ (рис.6,а), ключевого диода, в котором сопротивлением r в прямом смещении пренебрегают (r ≈ 0), а сопротивление R в обратном смещении считают бесконечно большим(r ≈ ∞ ). Такая упрощенная модель удобна при больших напряжениях U по сравнению с φк.
Отметим, что ВАХ кремниевых и германиевых диодов существенно различаются, так как у германия примерно в 1000 раз большие плотности токов утечки по сравнению с кремнием. Поэтому кремниевые диоды в основном применяются в высоковольтной аппаратуре (выпрямите-лях), а германиевые – в низковольтной радиотехнической аппара-туре (для детектирования ВЧ колебаний).
Важным параметром диода является т.н. дифференциальное (динамическое) сопротивление диода 
, которое на практике определяют по наклону касательной в соответствующей точке ВАХ, а для приближенных расчетов пользуются зависимостью:
Отметим также, что при больших обратных напряжениях 
в обратной ветви ВАХ наблюдается диэлектрический пробой p-n перехода (рис.6,б).
Рисунок 6. Идеализированная (а) и реальные (б) вольтамперные характеристики диодов
В первой лекции отмечалась сильная зависимость полупроводниковых МЭТ от различных физических факторов (температуры, освещенности, эл.поля, давления и т.д.), что обусловливает наличие огромной номенклатуры полупроводниковых приборов (диодов, транзисторов, фотодиодов, варисторов, тиристоров и т.д). использующих указанные физические факторы.
В следующей лекции дадим краткий обзор этих приборов.
Подробная информация по теме лекций дается в нижеуказанном учебном пособии.
Тихонов А. И. Информационно-измерительная техника и электроника: учеб. пособие по курсу лекций / А. И. Тихонов. – Омск: Изд-во ОмГТУ, 2008. – 312 с. [ В библ.173 экз.].
6. БИЛЕТЫ№ 10, 11, 12
ЭКЗАМЕНАЦИОННЫЙ БИЛЕТ № 10
1. Кодо-импульсная модуляция и критерий оптимальности.
2. Задача на три телеграфных аппарата на трассе протяженностью 13 км.
Три телеграфных аппарата соединены последовательно в цепь, состоящую из однопроводной линии и земли (в качестве второго провода), протяженностью 13 км.
Линия состоит из двух участков: кабеля ПТГ (R=45 Ом/км) протяженнос-ТЬЮ 8 км до второго аппарата и такого же кабеля протяженностью 5 км- до третьего аппарата. Определитьнапряжение на зажимах питающей линию аккумуляторной батареи, включенной у первого аппарата последовательно с заземлением, падение напряжений в обмотке электромагнита каждого аппарата и на каждом участке линии, если общий ток в цепи при работе трех аппаратов 15 мА, сопротивление электромагнита каждого аппарата 300 Ом, сопротивление миллиамперметров в каждом аппарате 10 Ом и сопротивление каждого заземления (у конечных аппаратов) по 42,5 Ом, учитывающее электропроводность земли на всей протяженности телег-рафной трассы. Проверить правильность решения с помощью баланса напряжений. (Ответ: U1= 5,4 В; U2= 3,375 В Uэлмаг = 4,5 В; U∑ = 13,5 В; U∑амп = 0,45 В; U∑зазем = 1,275 В. U∑трассы = 24 В).
