Контрольная работа
по курсу преобразовательная техника
Вариант № 7
Студент-заочник 3 курса
Группы № 883121
Вербовский
Андрей Валерьевич
Минск, 2011
Объясните вид каждого участка ВАХ p-n перехода
Если в кристалл полупроводника с одной стороны ввести примесь, превращающую его в полупроводник типа «n», а с другой, - в полупроводник типа «р», то в кристалле появляется р-n переход. Таким образом, р-n переход это граница двух слоев полупроводника с разным типом проводимости. Обычно р-n переходы бывают несимметричные, то есть концентрация примесей в слоях отличается на несколько порядков. В основе всех замечательных свойств полупроводниковых приборов лежат процессы на р-n переходе.
Для пояснения процессов представим, что р-n переход создается путем соединения двух кристаллов с разным типом проводимости. При соединении свободные электроны и дырки диффундируют в соседние слои. На р-n переходе они встречаются и рекомбинируют. Ионы примесей, зажатые в кристаллической решетке, лишаются зарядов, компенсирующих их поле. На переходе появляется нескомпенсированный объемный заряд ионов, создающих потенциальный барьер. Этот потенциальный барьер препятствует дальнейшей диффузии. На р-n переходе устанавливается динамическое равновесие: наиболее быстрые электроны и дырки диффундируют в соседние слои, а навстречу им под действием электрического поля дрейфуют носители зарядов противоположного знака.
Приложение внешнего напряжения к р-n переходу называется смешением р-n перехода. Если внешнее напряжение создает поле встречное полю потенциального барьера, то смещение называется прямым; если полярность внешнего напряжения противоположна, то смешение называется обратным.
Рисунок 1. Вольтамперные характеристики p-n перехода
вольтамперный мультивибратор гибридный силовой модуль
При прямом смещении основные носители преодолевают потенциальный барьер и переходят в соседний слой. Переход основных носителей заряда в соседний слой, где они становятся неосновными, называется инжекцией. При прямом смешении через р-n переход протекает прямой ток. Зависимость тока через р-n переход от приложенного напряжения I = f(U) называется вольтамперной характеристикой электронно-дырочного перехода.
На рис. 1 в первом квадранте показана вольтамперная характеристика (ВАХ) р-n перехода при прямом смещении. На участке OA преодолевается потенциальный барьер и ток мал, на участке АВ ток резко увеличивается из-за перехода в соседний слой большого количества носителей заряда и резкого уменьшения его сопротивления.
При обратном смещении через р-n переход протекает обратный ток. На рис. 1 в третьем квадранте показана вольтамперная характеристика р-n перехода при обратном смещении. Обратный ток (ток дрейфа) обусловлен только неосновными носителями, поэтому он мал и уже при небольшом напряжении быстро достигает значения насыщения (участок ОС) и далее остается постоянным (участок CD).
При достижении высокого напряжения в точке D ток резко возрастает, происходит лавинный пробой. Лавинный пробой возникает, когда на длине свободного пробега электрон приобретает энергию достаточную для ионизации атомов (участок DF). Лавинный пробой обратим, то есть после снятия обратного смещения р-n переход не разрушается.В точке F выделяется большая мощность и может произойти тепловой пробой (участок FE). Он необратим и приводит к разрушению р-n перехода. При повышении температуры различные участки ВAХ изменяются по-разному (рис. 1).
При прямом смещении с ростом температуры число основных носителей, определяющих прямой ток, изменяется незначительно, так как оно определяется числом атомов примеси и мало увеличивается за счет термогенерации пар электрон - дырка. Поэтому падение напряжения на прямо смещенном переходе при повышении температуры уменьшается незначительно.
Особенно сильно меняется обратный ток, так как он создается неосновными носителями зарядов, количество которых определяется термогенерацией. Он удваивается при росте температуры на 7... 10 °С.
С ростом температуры уменьшается длина свободного пробега электронов и, чтобы электроны на меньшей длине приобрели энергию достаточную для ионизации, необходимо приложить большее напряжение. Поэтому при увеличении температуры напряжение лавинного пробоя растет.
Рассмотрим переходные процессы, происходящие при прямом и обратном смещении р-n перехода.
При приложении прямого смещения происходит процесс накопления заряда. В начале прохождения прямого тока падение напряжения на р-n переходе велико, а затем оно уменьшается. Время установления прямого сопротивления - это время спада напряжения от максимального значения до заданной величины. При приложении обратного смещения происходит процесс рассасывания заряда. При приложении обратного напряжения к проводящему р-n переходу вначале протекает большой обратный ток, который, по мере рассасывания накопленных ранее зарядов, уменьшается. Время установления обратного сопротивления (время восстановления вентильной прочности) - это время от начала нарастания обратного тока до спада его до заданной величины (например, до пятикратного установившегося значения).