р-n - переход

p-n переход Слайд 1. Всего 27
Раздел 2
Электроника
Лекция 2
р-n - переход
Автор Останин Б.П.
Конец слайда
p-n переход Слайд 2. Всего 27
Структура p-n перехода
Е
p
_
_
_
_
_
_
_
_
_
_
_
_
_
_
_
_
_
_
_
_
_
n
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
p-n переход
Дырки диффундируют из слоя р в слой n (их концентрация в
слое р значительно выше, чем в слое n).
Электроны диффундируют из слоя n в слой p (их концентрация в
слое n значительно выше, чем в слое p).
Автор Останин Б.П.
Конец слайда
p-n переход Слайд 3. Всего 27
В приграничных областях слоёв p и n возникает
слой, обеднённый подвижными носителями заряда.
Возникает электрическое поле с напряжённостью Е.
Это поле препятствует переходу дырок из слоя р в
слой n и переходу электронов из слоя n в слой р.
Зато помогает переходу дырок из слоя n в слой р и
переходу электронов из слоя р в слой n (возникает
дрейфовый ток). В установившемся режиме
дрейфовый ток равен диффузионному току.
Возникает потенциальный барьер.
Для кремния   0,75 В.
Для германия   0,2 В.
Автор Останин Б.П.
Конец слайда
p-n переход Слайд 4. Всего 27
p
n

0

х
Автор Останин Б.П.
Конец слайда
p-n переход Слайд 5. Всего 27
Симметричный р-n переход
n
p
p-n переход
Несимметричный р-n переход
p
n
p-n переход
Автор Останин Б.П.
Конец слайда
p-n переход Слайд 6. Всего 27
р-n переход под внешним напряжением
Область p-n
перехода
А
р
n
К
Невыпрямляющие
контакты
Автор Останин Б.П.
Конец слайда
p-n переход Слайд 7. Всего 27


0
Автор Останин Б.П.
х
Конец слайда
p-n переход Слайд 8. Всего 27
Прямое включение
U
А
р
n
К

U

0
Автор Останин Б.П.
х
Конец слайда
p-n переход Слайд 9. Всего 27
Обратное включение
U
А
р
n
К

U

0
Автор Останин Б.П.
х
Конец слайда
p-n переход Слайд 10. Всего 27
Для идеального р-n перехода
u
i  is  (e T  1)
T 
kT
q
- температурный потенциал,
при температуре 20С (эта температура называется комнатной
в отечественной литературе) Т = 0,025 В,
при температуре 27С (эта температура называется комнатной
в зарубежной литературе) Т = 0,026 В,
is - ток насыщения (тепловой ток), индекс s от английского
saturation current, для кремниевых р-n переходов обычно is = 1015…10-13 А;
k - постоянная Больцмана,
Т - абсолютная температура, К
q - элементарный заряд, q = 1,610-19 Кл.
Автор Останин Б.П.
Конец слайда
p-n переход Слайд 11. Всего 27
k  1,38  10
Дж
5 эВ
 8,62  10
К
К
 23
u
i  is  (e T  1)
i
is
0
u
Автор Останин Б.П.
Конец слайда
p-n переход Слайд 12. Всего 27
Полезно отметить, что, как следует из
приведённого выражения, чем меньше ток is, тем
больше напряжение u при заданном прямом токе.
У кремния ток is меньше, чем у германия.
i
Ge
Si
0
u
Автор Останин Б.П.
Конец слайда
p-n переход Слайд 13. Всего 27
Iпр
1
2
0
Uобр
Uпр
3
4
5
Iобр
Автор Останин Б.П.
Конец слайда
Пробой p-n перехода
p-n переход Слайд 14. Всего 27
Пробой это резкое изменение режима работы
перехода находящегося под обратным напряжением.
Резко уменьшается дифференциальное сопротивление.
du
rДИФ 
di
Iпр
1
2
0
Uобр
Uпр
3
rДИФ резко уменьшается
rДИФ 
4
du
0
di
Iобр
Автор Останин Б.П.
Конец слайда
p-n переход Слайд 15. Всего 27
В основе пробоя лежат три физических явления
1. туннельный эффект;
2. лавинный пробой;
3. тепловой пробой.
Туннельный пробой – электрический пробой
Лавинный пробой – тоже электрический пробой.
Тепловой пробой – пробой, разрушаюший переход.
Автор Останин Б.П.
Конец слайда
p-n переход Слайд 16. Всего 27
Туннельный пробой
р
n
з
Автор Останин Б.П.
Конец слайда
p-n переход Слайд 17. Всего 27
Туннельный пробой
р
з
n
Туннелирование
Лавинный пробой
После электрического пробоя p-n переход не
изменяет своих свойств.
Тепловой пробой
Автор Останин Б.П.
Конец слайда
p-n переход Слайд 18. Всего 27
Ёмкость p-n перехода
Барьерная ёмкость
-Q
IОБР
Q
n
p
UОБР
Q
0
Автор Останин Б.П.
U
Конец слайда
p-n переход Слайд 19. Всего 27
На постоянном токе
С БАР 
Q
U
На переменном токе
С БАР 
dQ
dU
СБАР
0
U
Барьерная ёмкость вредно влияет на выпрямление
переменного тока (особенно на высоких частотах),
так как шунтирует диод.
Автор Останин Б.П.
Конец слайда
p-n переход Слайд 20. Всего 27
Диффузионная ёмкость
Q
IПР
p
-Q
n
UПР
С ДИФ
Автор Останин Б.П.
dQ

dU
Конец слайда
p-n переход Слайд 21. Всего 27
Ёмкость называют диффузионной, так как
рассматриваемый заряд Q лежит в основе
диффузии носителей в базе. СДИФ удобно и
принято описывать не как функцию напряжения U,
а как функцию тока перехода.
Сам заряд Q прямо пропорционален току I. Ток
u
экспоненциально зависит от напряжения U: i  is  (e T  1).
dI
Поэтому производная dU
также прямо пропорциональна
току. Отсюда следует, что ёмкость СДИФ прямо
пропорциональна току I
I 
С ДИФ 
T
Автор Останин Б.П.
Конец слайда
p-n переход Слайд 22. Всего 27
С ДИФ 
I 
T
 - среднее время пролёта (для тонкой базы), или
время жизни (для толстой базы).
Q
CДИФ
0
I
Среднее время пролёта – это время, за которое
инжектируемые носители заряда проходят базу.
Время жизни – это время от инжекции носителя
заряда в базу до рекомбинации.
Автор Останин Б.П.
Конец слайда
p-n переход Слайд 23. Всего 27
Диффузионная ёмкость значительно больше
барьерной, но использовать её не удаётся, так как она
зашунтирована малым прямым сопротивлением
самого диода.
Автор Останин Б.П.
Конец слайда
p-n переход Слайд 24. Всего 27
Общая ёмкость p-n перехода
С ПЕР  С БАР  С ДИФ
При обратном смещении перехода (U<0)
диффузионная ёмкость практически равна нулю.
При прямом смещении обычно
С ДИФ  С БАР
Автор Останин Б.П.
Конец слайда
p-n переход Слайд 25. Всего 27
Температурные свойства
У германиевых p-n-переходов обратный ток
увеличивается в 2 раза на каждые 10 С. Это можно
выразить формулой
I ОБР  I ОБР ( 20 С )  2
t  20
10
Например, если температура перехода возросла с
20 С до 70 С, то обратный ток возрастёт в 25, т.е. в
32 раза.
Кроме того у германиевых переходов снижается
напряжение электрического пробоя.
Автор Останин Б.П.
Конец слайда
p-n переход Слайд 26. Всего 27
У кремниевых p-n-переходов обратный
увеличивается в 2,5 раза на каждые 10 С.
I ОБР  I ОБР ( 20 С )  2,5
ток
t  20
10
У кремниевых p-n-переходов напряжение
электрического
пробоя
при
повышении
температуры сначала несколько возрастает, а затем
уменьшается.
Автор Останин Б.П.
Конец слайда
p-n переход Слайд 27. Всего 27
Iпр
50 С
20 С
0
Uобр
Uпр
20 С
50 С
Iобр
С
повышением
температуры
как
у
германиевых, так и у кремниевых p-n-переходов
несколько возрастает барьерная ёмкость.
ТКЕ  10 4...10 3 К 1
Автор Останин Б.П.
Конец слайда