Электрические переходы в полупроводнике, p – n переход, прямое и обратное включение, пробой, ёмкость p – n перехода. Импульсные устройства (и

Федеральное агентство по образованию Российской Федерации 
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования 
Южно-Уральский государственный университет 
Факультет «Механико-технологический» 
Кафедра «Технология машиностроения»

 

 

 

 

 

 

 

 

Электрические переходы в  полупроводнике, p – n переход, прямое и обратное включение, пробой, ёмкость p – n перехода. Импульсные устройства (импульсный режим работы, импульсные сигналы, транзисторные ключи)

РЕФЕРАТ

по дисциплине: «Электроника»

 

 

 

                                                             Проверил:

                                                                                              ____________ /Соколов А.В./

                                                                                                  ___________________ 2013 г.

                                                                    Автор работы

                                                                                      Студент группы МТ-342

                                                                                               _________ /Кондратьев М.А./

                                                                                              __________________ 2013 г.                

                                                                                               

 

Челябинск 2013

 

СОДЕРЖАНИЕ

1. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПЕРЕХОДЫ В ПОЛУПРОВОДНИКЕ..................................3
2. p – n ПЕРЕХОД...........................................................................................................3
1. n – проводимость и p – проводимость...........................................................4
2. Образование запирающего слоя при контакте полупроводников p – и n –типов..................................................................................................................5
3. ПРЯМОЕ И ОБРАТНОЕ ВКЛЮЧЕНИЕ p – n ПЕРЕХОДА..................................6
4. ПРОБОЙ p – n ПЕРЕХОДА.......................................................................................7
5. ЕМКОСТЬ p – n ПЕРЕХОДА....................................................................................8
6. ИМПУЛЬСНЫЕ УСТРОЙСТВА..............................................................................9
1. Импульсный режим работы, импульсные сигналы......................................9
7. ТРАНЗИСТОРНЫЙ КЛЮЧ....................................................................................12
1. Транзисторная ключевая схема....................................................................12
2. Стационарные состояния ключевой системы.............................................13

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПЕРЕХОДЫ В ПОЛУПРОВОДНИКЕ

 

Полупроводник – материал, который по своей удельной проводимости занимает промежуточное место между  проводниками и диэлектриками и  отличается от проводников сильной  зависимостью удельной проводимости от концентрации примесей, температуры и воздействия различных видов излучения. Основным свойством полупроводника является увеличение электрической проводимости с ростом температуры.

Электрическая проводимость – способность тела проводить  электрический ток.

Удельная проводимость –  мера способности вещества проводить  электрический ток.

Электрический переход в  полупроводнике – это граничный  слой между двумя областями твёрдого тела с разными типами и значениями проводимости.

Важнейшие электрические  переходы:

• Между полупроводниками p – типа и n – типа;
• Между полупроводником и металлом;
• Между полупроводником и металлом через диэлектрик.

 

2. p – n ПЕРЕХОД

 

Электронно-дырочный переход (или p – n переход) – это область контакта двух полупроводников с разными типами проводимости. (Толщина обычно достигает от 100 нм до 1 мкм). В полупроводнике n – типа основными носителями свободного заряда являются электроны (несущие отрицательный заряд); их концентрация значительно превышает концентрацию дырок ( >> ). В полупроводнике p – типа основными носителями являются дырки (несущие положительный заряд), их концентрация превышает концентрацию электронов ( >> ).

 

 

 

 

1. n – проводимость и p – проводимость

 

Самый распространённый полупроводник  – это кремний. Он четырёхвалентен. На рисунке изображено его схематическое  строение.

Если в него ввести атомы  пятивалентного элемента (например, фосфор), то картина изменится. У введенного атома остаётся один неспаренный электрон на внешнем уровне.

Если подать напряжение на концы проводника, то на электрон начнёт действовать электрическая сила, и возникнет ток. Введённый атом же станет положительно заряженным ионом. Проводимость обеспечивается электронами, носителями отрицательного заряда (negative), отсюда и название n – проводимость.

 

 

Для образования p – проводимости вводится примесь с валентностью меньше четырёх. Для установления связи трёхвалентному атому примеси (например, бор) не хватает 1 электрона.

Если на концы проводника подать напряжение, то атомы будут  притягивать к себе электроны  соседних атомов, и будут образовываться дырки. Следующий атом тоже будет  притягивать к себе электрон от соседнего  атома. Когда дырка доберётся  до отрицательного заряженного контакта, электрон заполнит её, а с другого  конца полупроводника электрон «убежит», и цикл продолжится. Таким образом, дырки будут двигаться, как будто  они – положительные заряды (positive), отсюда и название p – проводимость.

 

2. Образование запирающего слоя при контакте полупроводников p – и n –типов

 

При контакте двух полупроводников p – и n – типов начинается процесс диффузии (возникает диффузионный ток): дырки из p – области переходят в n – область, а электроны, наоборот, из n – области в p – область. В результате в n – области вблизи зоны контакта уменьшается концентрация электронов и возникает положительно заряженный слой. В p – области уменьшается концентрация дырок и возникает отрицательно заряженный слой. Таким образом, на границе полупроводников образуется двойной электрический слой, поле которого

 

 

 

препятствует  процессу диффузии электронов и дырок  навстречу друг другу. Пограничная область раздела полупроводников с разными типами проводимости

(так называемый запирающий слой) обычно достигает толщины порядка десятков и сотен межатомных расстояний. Объемные заряды этого слоя создают между p – и n – областями запирающее напряжение , приблизительно равное 0,35 В для германиевых p – n переходов и 0,6 В для кремниевых.

 

3. ПРЯМОЕ И ОБРАТНОЕ ВКЛЮЧЕНИЕ p – n ПЕРЕХОДА

 

p – n переход обладает интересным свойством – односторонней проводимостью.

При подключении внешнего источника напряжения положительным  полюсом к n – области, отрицательным к p – области, дырки под действием внешнего электрического поля смещаются влево, а электроны – вправо. В результате запирающий слой расширяется, препятствуя протеканию тока. Тока в цепи нет. Такое подключение называют обратным включением p – n перехода.

 

 

Если же положительный  полюс источника напряжения подключен  к p – области, а отрицательный к n – области, то дырки под действием внешнего электрического поля смещаются вправо, а электроны – влево. Ширина запирающего слоя уменьшается, тем самым способствуя резкому возрастанию электрического тока через p – n переход. Такое подключение называют прямым включением p – n перехода.

 

4. ПРОБОЙ p – n ПЕРЕХОДА

 

Пробоем электронно-дырочного  перехода называют явление очень  быстрого роста обратного тока при  незначительном повышении постоянного  обратного напряжения. Выделяют три  типа пробоев: туннельный (зенеровский), лавинный и тепловой.

Туннельный пробой возникает  при малой ширине p – n перехода (например, при низкоомной базе), когда при большом обратном напряжении электроны проникают за барьер без преодоления самого барьера. В результате туннельного пробоя ток через переход резко возрастает и обратная ветвь ВАХ идёт перпендикулярно оси напряжений вниз.

Лавинный пробой возникает  в том случае, если при движении до очередного соударения с нейтральным  атомом кристалла электрон или дырка  приобретают энергию, достаточную  для ионизации этого атома, при  этом рождаются новые пары электрон – дырка, происходит лавинообразное размножение носителей зарядов; здесь основную роль играют неосновные носители, они приобретают большую  скорость. Лавинный пробой имеет место в переходах с большим удельным сопротивлением базы (высокоомная база), т.е. в p – n переходе с широким переходом.

Тепловой пробой характеризуется  сильным увеличением тока в области p – n перехода в результате недостаточного теплоотвода.

 

 

 

Если туннельный и лавинный пробой, называемые электрическими, –  обратимы, то после теплового пробоя свойства перехода меняются до разрушения перехода.

На вольтамперных характеристиках  электронно-дырочного перехода, лавинный пробой изображён кривой (а), туннельный – на кривой (б), а тепловой пробой отражён в наличии участка дифференциального сопротивления на кривой (в).

 

5. ЕМКОСТЬ p – n ПЕРЕХОДА

 

Изменение напряжения на p – n переходе приводит к перераспределению заряда на нём, а значит, он имеет ёмкость.

Ёмкость p – n перехода принято делить на две составляющие:

• Барьерная ёмкость;
• Диффузионная ёмкость.

Барьерная ёмкость – это  ёмкость конденсатора, обкладками которого являются p – и n – области, а диэлектриком запирающий слой. Барьерная ёмкость является преобладающей при обратных и небольших положительных напряжениях. На практике барьерная ёмкость бывает от долей пФ до сотен пФ. Диффузионная ёмкость обусловлена неравновесными носителями в базе. Эта ёмкость может достигать нескольких мкФ.

 

 

 

При прямом напряжении на переходе общая ёмкость определяется в основном диффузионной ёмкостью, а при обратном напряжении – барьерной. Общий вид зависимости ёмкости  перехода от напряжения показан на рисунке. Эту зависимость называют воль-фарадной характеристикой перехода.

 

6. ИМПУЛЬСНЫЕ УСТРОЙСТВА

 

Импульсные  устройства – устройства, предназначенные  для генерирования и преобразования импульсных сигналов, а так же сигналов, форма которых характеризуется  быстрыми изменениями, чередующимися  со сравнительно медленными процессами (паузами). Импульсные устройства применяются в различных радиоэлектронных устройствах и электронных системах, включая ЭВМ.

 

1. Импульсный режим работы, импульсные сигналы

 

Весьма обширная группа радиоэлектронных устройств  разнообразного назначения работает в  импульсном режиме. Такие устройства подвергаются воздействию электрических  сигналов (радиосигналов) не непрерывно (в течение всего времени работы устройств), а прерывисто. При этом прерывистая структура импульсных сигналов составляет принципиальную основу полезных функций устройства, работающего  в импульсном режиме. Проиллюстрируем  это некоторыми примерами.

 

 

На рисунке (а) изображён простейший импульсный сигнал, фиксируемый на индикаторе радиолокатора, для измерения дальности  до обнаруживаемого объекта (самолёта, корабля). Дальность пропорциональна  интервалу времени T между моментами излучения радиолокатором зондирующего радиоимпульса (чему соответствует импульс 1) и приёма отражённого от объекта радиоимпульса (чему соответствует импульс 2). Следовательно, информация о дальности содержится не только в импульсах 1 и 2, но и в паузе между импульсами, которые в своей совокупности образуют импульсный сигнал.

На рисунке (б) изображён кодированный импульсный сигнал в виде серии из трёх импульсов. Серия импульсов строится по некоторому условному коду, определяемому, в  частности, той или иной расстановкой импульсов в серии; варьируемые  интервалы  и выражают то или иное сообщение, заключённое в кодированном сигнале. Такого вида сигналы применяются в радиотелеуправлении для передачи команд управления, в устройствах опознавания принадлежности самолётов, кораблей и для других целей.

Показанный  на рисунке (в) позиционно-импульсный сигнал применяется в цифровых вычислительных машинах и цифровых автоматах. Такой сигнал выражает в двоичной системе счисления то или иное число N.

Так на рисунке:

N = 1 ∙ + 0 ∙ + 1 ∙ + 1 ∙ + 0 ∙ + 1 ∙ = 32 + 0 + 8 + 4 + 0 + 1 = 45.

 

 

Импульсные  сигналы имеют иногда более сложную  структуру.

Так, в импульсной радиосвязи (рисунок (а)) применяются сигналы в виде последовательных импульсов, повторяющихся через интервалы – в данном случае одинаковые, называемые периодом повторения импульсов; при этом высота (амплитуда) импульсов меняется по закону передаваемого сообщения (амплитудно-импульсная модуляция). Иногда передаваемое сообщение (рисунок (б)) запечатлено в ширине импульсов (широтно-импульсная модуляция). Так же модулируемым параметром может быть период , определяющий частоту повторения импульсов (частотно-импульсная модуляция).