Физика Электроника

Лабораторные работы по электронике

Токи в полупроводниках

Движение носителей заряда в полупроводнике обусловлено двумя механизмами – дрейфовым и диффузионным. Электрическое поле, в которое помещен полупроводник, вызывает направленное движение носителей - дрейф. Причиной же диффузии носителей заряда является наличие градиента концентрации свободных носителей.

Если в полупроводнике есть области повышенной и пониженной концентраций, то в нём возникает «перетекание» носителей, т.к. число частиц, уходящих из любой области в результате хаотического движения, пропорционально числу частиц, находящихся в ней, а число приходящих - пропорционально числу частиц в соседних с ней областях. Диффузионные потоки, выравнивающие концентрации, пропорциональны интенсивности теплового движения и перепаду концентраций и направлены в сторону её уменьшения.

С учетом сказанного плотность тока в полупроводниках в общем случае будет суммой четырех компонент:

 

Основным для круга вопросов, связанных с прохождением электрического тока в полупроводнике, является понятие подвижности носителей μ, определяемое как отношение средней скорости направленного их движения (скорости дрейфа), вызванного электрическим полем UE, к напряжённости Е этого поля.

Подвижности разных типов носителей в одном и том же полупроводнике различны, а в анизотропных полупроводниках различны и подвижности каждого типа носителей для разных направлений поля. Дрейфовая скорость, возникающая в электрическом поле, добавляется к скорости теплового хаотического движения, не дающего вклада в ток. Тот факт, что при заданном поле носитель имеет постоянную дрейфовую скорость, а не ускоряется неограниченно, связан с наличием процессов торможения - рассеяния. В идеальном кристалле даже в отсутствие поля каждый носитель имел бы определённую и неизменную как по величине, так и по направлению скорость. Однако реальный кристалл содержит примеси и различные дефекты структуры, сталкиваясь с которыми носитель каждый раз меняет направление скорости - рассеивается, так что движение его становится хаотическим. Под действием поля носитель эффективно ускоряется только до момента очередного столкновения, а затем, рассеиваясь, теряет направленность своего движения и энергию, после чего ускорение в направлении поля Е начинается заново до следующего столкновения.

Контактные явления. p-n-переход

Контакты с металлом или с другим полупроводником обладают иногда выпрямляющими свойствами, т. е. значительно эффективнее пропускают ток в одном направлении, чем в обратном. Это происходит потому, что в приконтактной области изменяется концентрация или даже тип носителей заряда, т. е. образуется пространственный заряд, обеспечивающий контактную разность потенциалов, необходимую для выравнивания (в состоянии равновесия) уровней Ферми по обе стороны контакта.

В отличие от металлов, в полупроводниках эта область оказывается достаточно широкой, чтобы при малой концентрации носителей обеспечить нужный перепад потенциала. Если знак контактной разности потенциалов таков, что концентрация носителей в приконтактной области становится меньшей, чем в объёме полупроводника, то приконтактный слой определяет электросопротивление всей системы. Внешняя разность потенциалов дополнительно уменьшает число носителей в приконтактной области, если она добавляется к контактной разности потенциалов или, наоборот, увеличивает их концентрацию, если знак её противоположен. Таким образом, сопротивление контакта для токов в прямом и обратном направлениях оказывается существенно разным, что и обеспечивает выпрямляющие свойства контакта (барьер Шотки).

Такие контакты явились первыми полупроводниковыми приборами (выпрямители, детекторы), однако развитие полупроводниковой электроники началось лишь после того, как были созданы р-n-переходы - контакты областей полупроводника с разным типом проводимости внутри единого полупроводникового кристалла. Контактная разность потенциалов в этом случае близка к ширине запрещенной зоны, т.к. F в n-области лежит вблизи дна зоны проводимости Ec, а в р-области - вблизи валентной зоны Ev. Уменьшающая её внешняя разность потенциалов вызывает диффузионные потоки электронов в р-область и дырок в n-область (инжекцию неосновных носителей тока). В обратном направлении р-n-переход практически не пропускает ток, т.к. оба типа носителей оттягиваются от области перехода. В полупроводниках с большой длиной диффузии, таких, как Ge и Si, инжектированные одним р - n -переходом неравновесные носители могут достигать другого, близко расположенного р-n-перехода, и существенно определять ток через него. Ток через р-n-переход можно изменять, создавая вблизи него неравновесные носители каким-либо другим способом, например освещением. Первая из этих возможностей управления током р-n-перехода (инжекция) является физической основой действия транзистора, а вторая (фотоэдс) - солнечных батарей.

На рисунке 4 приведены зонные диаграммы, иллюстрирующие этапы формирования электронно-дырочного перехода.

Рис.4. Схема образования p-n-перехода

Границу, где уровень Ферми пересекает середину запрещенной зоны, называют физическим p-n переходом.

Вольт-амперная характеристика p-n-перехода (диода) с приложенным внешним напряжением Vg будет иметь следующий вид:

, (1)

где Js – плотность тока насыщения, равная:

Рис.5. Вольтамперная характеристика p-n-перехода

Как следует из приведенного выше соотношения (1) и рис.5, вольтамперная характеристика идеального p-n перехода имеет ярко выраженный несимметричный вид. В области прямых напряжений ток p-n перехода диффузионный и экспоненциально возрастает с ростом приложенного напряжения. В области отрицательных напряжений ток p-n перехода - дрейфовый и не зависит от приложенного напряжения.

В настоящей работе рассматривается активный режим работы транзистора. В режимах запирания и насыщения транзисторы работают в импульсных и цифровых схемах.

При работе p-n-р-транзистора в усилительном режиме к его
р-n-переходам прикладываются внешние напряжения, соответствующие полярности, указанной на рис. 5.1 в. К правому (коллектор–база) р-n-переходу прикладывается обратное смещение, и поэтому величина его потенциального барьера равна сумме диффузионного потенциала и напряжения смещения Eб. Сопротивление перехода из-за увеличения ширины потенциального барьера велико. Если бы правый переход был изолирован от левого, то в таком режиме через него протекал бы только небольшой обратный или тепловой ток .

Левая часть транзистора (р-n-переход эмиттер–база) в усилительном режиме находится под прямым смещением и величина потенциального барьера мала. При этом происходит интенсивная инжекция дырок через переход в базовую область. Так как левая область инжектирует дырки, то ее называют эмиттером. Правая область их собирает, и поэтому ее называют коллектором.

Статические характеристики транзисторов

Статические характеристики выражают функциональную связь между токами транзистора и приложенными к нему напряжениями. Наиболее широко используются входные и выходные статические характеристики, представляющие собой зависимости: Iвх=f1(Uвх) при постоянном Uвых и Iвых=f2(Uвых) при постоянном Iвх. Они приводятся, как правило, в справочной литературе для усредненных параметров данного типа транзисторов. Семейства входных и выходных статических характеристик некоторых транзисторов приведены в приложении.

Статические характеристики транзисторов позволяют в любой рабочей точке определить основные параметры последних. Несмотря на относительно невысокую точность определения параметров конкретных приборов по статическим характеристикам, ими широко пользуются при проектировании и расчете различных электронных схем.

Параметры транзисторов

Четырехполюсник можно описать уравнениями, связывающими токи и напряжения на его входе и выходе (рис. 5.2). Наибольшее распространение для описания свойств и параметров транзистора, представленного в виде четырехполюсника, получили системы уравнений, в которых в качестве независимых переменных берутся: входной и выходной ток (система -параметров), входное и выходное напряжения (система  -параметров), входной ток и выходное напряжение (система -параметров):

<

, , .

(5.1)

-, - и -параметры могут быть определены по результатам эксперимента в режимах «холостого хода» и «короткого замыкания» по переменным току и напряжению на входе и выходе четырехполюсника. Их физический смысл следует непосредственно из вида уравнений (5.1). Так, для -параметров (параметров «холостого хода») имеем:

входное сопротивление четырехполюсника при «холостом ходе» для переменного тока на выходе;

сопротивление обратной связи (обратной передачи) при «холостом ходе» для переменного тока на входе;

сопротивление прямой передачи (сопротивление усиления) при «холостом ходе» для переменного тока на выходе;

выходное сопротивление при «холостом ходе» для переменного тока на входе.


Индивидуалка с сайта http://prostitutkistavropolya24.info/types-services/rasslablyayushhij-massazh/ сделает расслабляющий массаж незабываемым.
Полупроводниковые выпрямители