Физика Электроника

Лабораторные работы по электронике

Зонная структура полупроводнков

Сближение атомов в твердом теле на расстояние порядка размеров самих атомов приводит к тому, что внешние (валентные) электроны теряют связь с определённым атомом — они движутся по всему объему кристалла, вследствие чего дискретные атомные уровни энергии расширяются в полосы (энергетические зоны). Зоны разрешенных энергий могут быть отделены друг от друга зонами запрещенных энергий, но могут и перекрываться. Глубинные атомные уровни расширяются незначительно, уровни, соответствующие внешним оболочкам атома, расширяются настолько, что соответствующие энергетические зоны обычно перекрываются. Индивидуальность зон, однако, сохраняется: состояния электронов с одной и той же энергией, но принадлежащие разным зонам, различны.

Рис.1. Расщепление энергетических уровней в кремнии

В соответствии с принципом Паули в каждом энергетическом состоянии может находиться не более двух электронов. Поэтому в каждой энергетической зоне кристалла может поместиться не более 2N электронов, где N — число уровней в зоне, равное числу элементарных ячеек кристалла. При Т = 0 К все электроны занимают наиболее низкие энергетические состояния.

Существование с различными электрическими свойствами связано с характером заполнения электронами энергетических зон. Если все зоны либо полностью заполнены электронами, либо пусты, то такие вещества не проводят электрического тока, то есть являются диэлектриками (рис. 2, а). Тела, имеющие зоны, частично заполненные электронами, — проводники электрического тока — металлы (рис. 2, б).

Полупроводники представляют собой диэлектрики (нет частично заполненных зон при Т=0 К) со сравнительно малой шириной запрещенной зоны между последней заполненной (валентной) зоной и первой свободной — зоной проводимости, (рис. 2, в). Наличие дефектов и примесей в кристалле приводит к возникновению дополнительных (примесных) энергетических уровней, располагающихся в запрещенной зоне. У полупроводников эти уровни часто расположены очень близко либо от валентной зоны (рис. 2, д), либо от зоны проводимости (рис. 2, г).

Вещества с аномально малым перекрытием валентной зоны и зоны проводимости называется полуметаллами (например, у Bi ширина перекрытия ~ 10-5 ширины зоны).

Существуют бесщелевые полупроводники, у которых зона проводимости примыкает к валентной (например, сплавы Bi — Sb, Hg — Те с определённым соотношением компонент).

Рис.2. Зонные диаграммы

Возбуждение электронной системы кристалла заключается в приобретении электроном энергии, благодаря чему он оказывается в зоне проводимости, где в основном состоянии электрона не было. Одновременно возникает свободное место (дырка) в валентной зоне, занятой электронами в основном состоянии. Так как электрон и дырка движутся независимо, то их следует считать различными квазичастицами. Другими словами, возбуждение электронной системы заключается в рождении пары квазичастиц — электрона проводимости и дырки.

При Т > 0 К тепловое движение выбрасывает часть электронов из валентной зоны в зону проводимости (т. е. разрушает часть химических связей).

Носители тока в полупроводниках сосредоточены, как правило, в довольно узких областях энергий: электроны - вблизи нижнего края (дна) зоны проводимости Ec, на энергетических расстояниях ~kT от неё, дырки - в области такой же ширины вблизи верхнего края (потолка) валентной зоны Ev.

Стабилитрон

В основе работы стабилитрона лежит явление обратимого электрического пробоя, имеющего место на участке АВ обратной ветви ВАХ (рис. 4.2 а). Обозначение на схемах таких диодов приведено на рис. 4.2 б. Помимо указанных в лабораторной работе № 2, к основным параметрам стабилитрона относится также его дифференциальное сопротивление rдиф=dU/dI на участке АВ (рис.4.2 а). Номинальные значения напряжений и токов стабилизации современных стабилитронов Ucт ном и Icт ном лежат в пределах: Ucт ном=(1÷1000) B, Icт ном=(0,002÷2) A.

Стабилитроны чаще всего используются в схемах стабилизаторов напряжения, простейшая схема одного из которых представлена на рис. 4.2 в. В данной схеме нагрузка Rн подключена параллельно стабилитрону VD, а ограничительный резистор Rогр позволяет задать через него величину необходимого тока. Величина сопротивления Rогр определяется выражением


(4.6)

Варикап

<Варикапом называется полупроводниковый диод, применение которого основано на использовании зависимости его емкости от величины обратного напряжения. Такая зависимость называется вольт-фарадной характеристикой. Примерный вид такой характеристики и условное обозначение варикапа на принципиальных электрических схемах показаны на рис.4.3 а, б)

<

Расчетное задание

Рассчитать по (4.2) согласно заданному варианту ВАХ идеализированного p-n-перехода для значений g=1 и g=2. Величина обратного тока насыщения при комнатной температуре равна I0=10-15А, а температурный потенциал jT=25×10-3 В. Напряжение на переходе изменять в пределах от –100 В до +0,8 В.

 

Таблица 4.1

Вариант

1

2

3

4

5

6

7

8

9

 

Диод

Д

226Б

Д

226В

Д

226Г

Д

226Д

Д

220

Д

220

Д

311

Д 7А

Д

 

Е, В

9

10

11

12

4,5

5

5.5

6

6,5

 

Rн, Ом

560

510

470

430

З60

430

470

160

180

 

По данным расчета при g=1 и g=2 для каждого случая построить графики I=j(U) (не менее 7 точек для прямой и обратной ветвей).

 

Таблица 4.2

Вариант

1

2

3

4

5

6

7

8

9

 

 

Стаби-

литрон

КС

133А

КС

139А

КС

147А

КС

156А

Д

814В

Д

814В

Д

814В

Д

814А

Д

814Б

 

 

Uст. ном, В

3,3

3,9

4,7

5.6

9¸10,5

9¸10,5

9¸10,5

7¸8,5

8¸9,5

 

 

Е, В

5

5,5

6

6,5

12

13

13

10,5

11

 

 

Rн, Ом

100

160

230

110

120

180

390

430

470

 

 

Iст. ном, мА

10

10

10

10

5

5

5

5

5

 

 

Рмакс, мВт

300

300

300

300

340

340

340

340

340

 

Для схемы на рис. 4.1 а определить графоаналитически рабочий режим диода по постоянному току. Значения напряжения источника питания Е и сопротивления нагрузки Rн приведены в табл. 4.1 согласно вариантам.

Рассчитать по (4.6) величину ограничительного резистора Rогр для схемы стабилизатора напряжения, изображенного на рис. 4.2 в. Данные для расчета по вариантам приведены в табл. 4.2.


Сексапильные девочки на портале http://individualkisochi.info/services-types/striptiz/ станцуют лучший танец в вашей жизни.
Полупроводниковые выпрямители