n-тип

Лекция 18
Основы электроники
Проводники, полупроводники,
диэлектрики
• Планетарная модель атома(Бор,
Резерфорд)предусматривает наличие ядра и
вращающихся на определенных
(разрешенных) орбитах вокруг него
электронов.
• Под действием внешних факторов электрон
может переходить с одной разрешенной
орбиты на другую (возбуждение атома).
Самая высокая орбита (внешняя),на которой
электрон очень слабо связан с атомом.
• Картина усложняется, если атом имеет
много электронов и, соответственно,
орбит. Необходимо учитывать не только
взаимодействия с ядром, но и с другими
электронами.
• Поэтому у таких атомов разрешенные
уровни (орбиты) расщеплены на
несколько подуровней, которые
образуют энергетические зоны
(разрешенные для электрона).
Зонная модель кристаллической
решетки
Энергетические зоны
Запрещенные зоны
Подуровни
• Согласно принципу Паули на любом
энергетическом уровне может
находится не более 2х электронов,
отличающихся моментами импульса и
спинами.
• Электроны стремятся занять
(вернуться) на свои уровни, поэтому
они не скапливаются на отдельных
уровнях, а равномерно заполняют все
разрешенные энергетические зоны,
начиная с нижних.
Распределение электронов по
энергетическим уровням подчиняется
квантовой статистике Ферми –Дирака.
Вероятность заполнения энергетического
уровня W при температуре Т:
1
fП 
W f W
e
kT
1
Уровень Ферми Wf –это средний энергетический
уровень, вероятность заполнения которого
электронами равен 0.5 при Т=00K
• Наиболее интересна самая верхняя зона,
которая называется ВАЛЕНТНОЙ, т.е. ее
электроны могут взаимодействовать с
соседними атомами, создавая
молекулярные связи.
• Валентная зона может быть заполнена
полностью или частично.
• Кристаллы с не заполненной валентной
зоной – проводники, с заполненной
валентной зоной - диэлектрики
Разрешенная зона над валентной
зоной называется зоной проводимости
В этой зоне всегда есть свободные электроны
из валентной зоны, освобождая место для
перехода других электронов.
Возможность переноса из валентной зоны в
зону проводимости определяется шириной
запрещенной зоны между ними.
Диэлектрик
Полупроводник
Проводник
WП
WЗ>2эв
WВ
WЗ<2эв
Запрещенная зона Валентная зонаЗона проводимости -
Типичные полупроводники:
германий (Gr), кремний (Si), селен,
арсенид галлия, карбид кремния и т.д.
Например:
Si – порядковый номер 14
(ко-во электронов 14, 4 валентных во
внешней зоне, которые обслуживают
соседние атомы в кристалле)
Фотон
Si
Дырка
Si
Si
Si
Кристаллическая решетка кремния под
действием фотона
Внешнее воздействие (свет,
температура, электрическое поле)
могут порвать валентные связи
между атомами(электрон уходит в
зону проводимости) и на его месте
образуется дырка, которую может
заполнить другой электрон,
образуя другую дырку и.т.д.
Движение дырок – это тоже ток.
Электроны двигаются от «–» к «+»
Дырки двигаются от «+» к «-», имитируя
движение положительных частиц.
В полупроводнике существуют два
типа проводимости соответствующие
двум типам носителей зарядов:
электронная проводимость (n-тип),
дырочная проводимость (Р-тип).
В обычных условиях число переходов
электронов в зону проводимости и
обратно в кристаллах одинаково мало,
поэтому кристаллы полупроводников
легируют, т.е. добавляют примеси.
1тип примеси – пятивалентные
материалы(мышьяк As, сурьма ит.д.).
2 тип примеси –трехвалентные
материалы (индий In, галлий).
1 тип-донорский
Легирование As (5 электронов в валентной зоне)
Один электрон лишний
Gr
Электрон – основной
носитель заряда,
а дырки – не основной
-
Gr
-
As
-
-
Gr
-
As – положительный
ион
+
Gr
Такие полупроводники
наз. n - типом
2 тип – акцепторный
Легирование In ( 3 электрона в валентной зоне)
Дырка – основной
Одина валентная связь
носитель заряда,
отсутствует – избыток
Gr а электрон – не основной
дырок.
+
Gr
-
In
-
-
-
Gr
-
In – отрицательный
ион
-
Gr
Такие полупроводники
наз. Р - типом
Зонные диаграммы
полупроводников
W
Wf
n-тип
W
ЗП
р - тип
ЗП
Уровень акцепторов
Уровень доноров
ВЗ
Уровень Ферми
смещен к ЗП
Wf
ВЗ
Уровень Ферми
смещен к ВЗ
При очень больших концентрациях
примесей в полупроводниках уровень
Ферми может входить за пределы
запрещенной зоны. Либо в зону
проводимости(n-тип), либо в валентную
зону (р - тип). [вырожденные п/п]
Дрейфовый ток – это ток, обусловленный
действием внешнего эл. поля.
Диффузионный ток – это ток обусловленный
разностью концентраций носителей заряда
между двумя областями твердого тела.
Носители заряда в n– типе
полупроводников
• В n-типе полупроводников основными
носителями зарядов являются электроны
«-», не основными – дырки «+».
• В полупроводнике n-типа имеются
положительные ионы + (потерявшие
электроны атомы примеси), которые
находятся в узлах решетки и имеют
практически нулевую подвижность.
Носители заряда в р – типе
полупроводников
В р -типе полупроводников основными
носителями зарядов являются дырки «+», не
основными – электроны «-».
В полупроводнике р-типа имеются
отрицательные ионы
(присоединившие электрон)
Если полупроводники отделены друг от друга,
то кристаллы нейтральны (движение заряженных
частиц хаотическое)
Плотный контакт(соединение) между
отдельными полупроводниками с
различными типами проводимости
называется р-n переходом.
Этот контакт имеет важную
характеристику:
его сопротивление зависит от
направления
приложенного к нему напряжения.
На систему двух полупроводников не
приложено напряжение
n
ЕК
p
Возникает диффузионный ток и образуется
контактное электрическое поле (барьер),
ограничивающий диффузионный ток.
Поле потенциального барьера
+φ1
ЕК = φ1 – (-φ2)
Х
ΔφК
-φ2
Для перемещения основных носителей заряда
через потенциальный барьер необходима
дополнительная энергия. А не основные носители
заряда из этой зоны будут выбрасываться с
ускорением в свои зоны – это дрейфовый ток.
Подключая внешнее поле, совпадающее с
направлением контактного поля, барьер
увеличивается, ток не течет.
(обратное включение)
n
Е
ЕК
p
+
•
+
•-
Потенциальная диаграмма обратного
включения n-p перехода
ЕК + Е
+φ1
Х
-φ2
ΔφК
Подключая внешнее поле, не совпадающее с
направлением контактного поля, барьер
уменьшается и ток в цепи течет.
(Прямое включение)
n
Е
ЕК
p
+
•
-
•+
I
Потенциальная диаграмма прямого
включения n-p перехода
Е - ЕК
+φ1
Х
-φ2
ΔφК
(p – n) или (n - p)
обладают явно выраженной
односторонней
проводимостью
(вентильными свойствами)
(как обычный диод)
Переход «металл – полупроводник»
М
n
WМ < WП/П
М
р
Y
Y
Обогащается ОНЗ
М
n
WМ>WП/П
Y
Обедняется ОНЗ
Обедняется ОНЗ
М
p
Y
Обогащается ОНЗ
Полупроводниковые диоды
П/П диод – это прибор содержащий
один р – n переход либо контакт «м-п/п»,
обладающий вентильными свойствами.
По физике процессов различают:
туннельные диоды, фотодиоды, светодиоды и т.д.
По назначению различают:
выпряимтельные, импульсные, стабилитроны,
варикапы и д.р.
По типу полупроводникового материала:
кремниевые, германиевые, из арсенида галлия
полупроводниковый диод
Ge
Германиевый
диод
(база)
Условное
графическое
обозначение
диода
In
n p
(эмиттер)
Сплав
- катод
+ анод
Вольт – амперная
характеристика вентиля
IП,А
UКР
U0
I0mA
U П, В
UКР – напряжение
пробоя p-n перехода
при обратном
включении вентиля.
Параметры диода
• Статические:
• Номинальный прямой ток – это ток (IПР),
протекающий через открытый диод при
допустимом нагреве и нормальных условиях.
• Напряжение пробоя – обратное напряжение,
соответствующее началу пробоя (UПР).
• Номинальное обратное напряжение –
UН,ОБ =0.5UПР
Номинальное прямое напряжение – это
• напряжение на диоде при протекании IПР
• Номинальный обратный ток – это ток при UН ОБ
Динамические:
• Динамическое сопротивление RДИН= ΔUПР/ΔIПР= tgβ
• Допустимая скорость нарастания прямого
тока - di/dt
• Скорость нарастания обратного
напряжения – dUОБ / dt
• Собственная барьерная емкость - СБ
Соответственно, есть предельные
характеристики диодов
• Выпрямители с
полупроводниковыми диодами
(вентилями) находят широкое
применение в электроизмерительных
приборах, устройствах автоматики,
электронных вычислительных машинах,
а также в различных мощных
установках – в электрическом
транспорте, на электротехнических
предприятиях и т.д.
• Выпрямитель – устройство для
непосредственного преобразования
переменного тока в постоянный
Выпрямитель состоит из электрических
вентилей и вспомогательных устройств
(трансформатора или
автотрансформатора, фильтров и т.д.)
Разделяют:
• Однополупериодный выпрямитель;
• Двухполупериодный мостовой
выпрямитель;
• Двухполупериодный выпрямитель с
выводом средней точки вторичной
обмотки трансформатора;
• Трехфазный выпрямитель с
нейтральным выводом;
• Трехфазный мостовой выпрямитель.
а) Однополупериодный
выпрямитель
ia
iн
u1
u2
uн
Rн
Кривые переменного напряжения и
выпрямленного тока в однополупериодном
выпрямителе
u
i
Um
Im
t
Т
• Средние значения выпрямленных
напряжения и тока в приемнике с
сопротивлением Rн:
U н.ср 
2

U2 
I н.ср 
U 2m

U н.ср
Rн
 0,45U 2
• Ток Iн.ср является в данной схеме
прямым током диода, т.е. Iпр.ср=Iн.ср;
максимальное обратное напряжение
Uобр.max=U2m.
б) Двухполупериодный мостовой
выпрямитель
u1
u2
i a1
Rн i
н
uн
i a3
• Средние значения выпрямленных
напряжения и тока в приемнике с
сопротивлением Rн:
U н.ср 
2 2

U2 
I н.ср 
2U 2 m
U н.ср
Rн

 0,9U 2
• Максимальное обратное напряжение
U обр. max  U 2m  U 2 

2
 Uн
• Средний прямой ток каждого диода
I пр  0.5  I н.ср
• Максимальный прямой ток диода в
данной схеме
U
 U н.ср
I пр .max 
2m
Rн

2

Rн
в) Двухполупериодный
выпрямитель с выводом средней
точки вторичной обмотки
трансформатора
i
a1
u 2а
u1
u 2b
R н iн
uн
ia2
• Средние значения выпрямленных
напряжения и тока в приемнике с
сопротивлением Rн:
U 2a  U 2a  U 2
U н.ср 
I н.ср 
2

U2 
U н.ср
Rн
U 2m

 0,45U 2
• Максимальное обратное напряжение
U обр. max  U ab  2  U 2    U н.ср
• Максимальный прямой ток диода в
данной схеме
I пр .max
U 2m  U н.ср

 
Rн
2 Rн
г) Трехфазный выпрямитель с
нейтральным выводом
iн
u 2а
u 2b
u 2с
uн
Rн
• Средние значения выпрямленных
напряжения и тока в приемнике с
сопротивлением Rн:
U н.ср
3 2

U 2ф  1,17 U 2ф
2
I н.ср 
U н.ср
Rн
• Амплитудное фазное напряжение
источника
2
Uф m 
 U н.ср
3 3
• Средний прямой ток диодов
I пр .ср 
I н.ср
3
• Максимальный прямой ток диода в
данной схеме
I пр . max 
Uф m
Rн

U н.ср
0.827  R н
 1.21 I н.ср
• Максимальное обратное напряжение на
каждом закрытом диоде
U обр. max  2  3  U 2ф
• где
2

 U н.ср  2.09  U н.ср
3
U 2ф  U 2а  U 2b  U 2c
- действующее значение фазного
напряжения
д) Трехфазный мостовой
выпрямитель
u 2а
u 2b
u 2с
а
u 2са
u 2аb
b
iн
u 2bс
Rн
uн
c
• Средние значения выпрямленного
напряжения в приемнике с
сопротивлением Rн:
3 2
3 6
U н.ср 
U 2л 
U 2ф  2.34U 2ф


U 2 л  U 2аb  U 2bc  U 2ca
- действующее значение линейного напряжения
• Амплитудное фазное напряжение
источника
2
Uф m 
 U н.ср
3 3
• Средний прямой ток диодов
I пр .ср 
I н.ср
3
• Максимальный прямой ток диода в
данной схеме
I пр . max 
Uф m
Rн

U н.ср
0.827  R н
 1.21 I н.ср
• Максимальное обратное напряжение на
каждом закрытом диоде
U обр. max  2  U 2 л 

3
 U н.ср  1.047  U н.ср
• Максимальный прямой ток
Uн .ср
пр . max
3R н
I
