Какими свойствами обладает pn переход
К основным свойствам p-n перехода относятся:
– свойство односторонней проводимости;
– температурные свойства p-n перехода;
– частотные свойства p-n перехода;
– пробой p-n перехода.
Свойство односторонней проводимости p-n
Вольтамперной характеристикой (ВАХ) называется графически выраженная зависимость величины протекающего через p-n переход тока от величины приложенного напряжения. I=f(U).
Температурное свойство p-n перехода показывает, как изменяется
работа p-n перехода при изменении температуры
Частотные свойства p-n перехода показывают, как работает p-n переход при подаче на него переменного напряжения высокой частоты. Частотные свойства p-n перехода определяются двумя видами ёмкости перехода:
– ёмкость, обусловленная неподвижными зарядами ионов донорной и акцепторной примеси. Она называется зарядной, или барьерной ёмкостью;
– диффузионная ёмкость, обусловленная диффузией подвижных носителей заряда через p-n переход при прямом включении.
Вывод: чем меньше величина ёмкости p-n перехода, тем на более высоких частотах он может работать.
Явление сильного увеличения обратного тока при определённом обратном напряжении называется электрическим пробоем p-n перехода.
Различают электрический (лавинный, туннельный) и тепловой пробои.
3)Полупроводниковыерезисторы:варисторы,термо- Тензорезисторы Назначение. Характеристики, основные параметры.
Полупроводниковый резистор — полупроводниковый прибор с двумя выводами, в котором используется зависимость электрического сопротивления полупроводника от напряжения.
Первые две группы полупроводниковых резисторов в соответствии с этой классификацией – линейные резисторы и варисторы – имеют электрические характеристики, слабо зависящие от внешних факторов: температуры окружающей среды, вибрации, влажности, освещенности и др. Для остальных групп полупроводниковых резисторов, наоборот, характерна сильная зависимость их электрических характеристик от внешних факторов. Так, характеристики терморезисторов существенно зависят от температуры, характеристики тензорезисторов – от механических напряжений.
Варистор – это полупроводниковый резистор, сопротивление которого зависит от приложенного напряжения и, обладающий нелинейной симметричной вольт – амперной характеристикой (ВАХ).
Основные параметры варисторов:
1)коэффициент нелинейности ,
где U и I – напряжение и ток варистора.
Для различных типов варисторов = 2…6;
2)максимальное допустимое напряжение Umaxдоп (от десятков вольт до нескольких киловольт); 3)номинальная мощность рассеяния Рном (1…3Вт);4)температурный коэффициент сопротивления ТКС ; 5)предельная максимальная рабочая температура (60…70С).
Область применения варисторов: варисторыможноиспользовать на постоянном и переменномтокес частотой до нескольких килогерц. Они используются для защиты от перенапряжений, в стабилизаторах и ограничителях напряжения, в различных схемах автоматики.
Терморезисторы – это полупроводниковые резисторы, в которых используется зависимость электрического сопротивления полупроводника от температуры.
Основные параметры термисторов:
1)номинальное сопротивление – это его сопротивление при определенной температуре (обычно 200С) (от нескольких Ом до нескольких кОм с допустимым отклонением от номинального сопротивления ±5, ±10 и ±20%);
2)температурный коэффициент сопротивления терморезистора показывает относительное изменение сопротивления терморезистора при изменении температуры на один градус:
3)максимально допустимая температура – это температура, при которой еще не происходит необратимых изменений параметров и характеристик терморезистора;
4)допустимая мощность рассеяния – это мощность, при которой терморезистор, находящийся в спокойном воздухе при температуре 200С, разогревается при прохождении тока до максимально допустимой температуры;
5)постоянная времени терморезистора
Температурная характеристика терморезистора – это зависимость его сопротивления от температуры.
Рисунок 2.2 – Температурные характеристики терморезисторов:
1 – термистор; 2 – позистор
Терморезисторы (термисторы и позисторы) применяют для температурной стабилизации режима транзисторных усилителей, а также в различных устройствах измерения, контроля и автоматики (измерения контроля и автоматического регулирования температуры, температурной и пожарной сигнализации и др.).
Тензорезистор– это полупроводниковый резистор, в котором используется зависимость электрического сопротивления от механической деформации.
Назначение – измерение давлений и деформаций.
Основные параметры тензорезисторов:1)номинальное сопротивление тензорезистора – это сопротивление без деформации при t = 200C;2)коэффициент тензочувствительности – отношение относительного изменения сопротивления к относительному изменению длины тензорезистора:
3)предельная деформация тензорезистора.
Деформационная характеристика – это зависимость относительного изменения сопротивления тензорезистора от относительной деформации.
Рисунок 2.3 – Деформационные характеристики тензорезисторов из кремния с электропроводностью р- и n-типов
Источник
Открытие P-N перехода позволило совершить революцию в современной электронике. Без него мы бы с вами никогда не увидели современные компьютеры, телефоны, телевизоры и другие столь привычные нам гаджеты. Так в чем же его суть? В этой статье я постараюсь вам объяснить все это простыми словами без скучных формул и заумных фраз. Итак, приступим.
Что такое P–N переход
Итак, давайте разберемся в принципе работы:
Как вы знаете, кроме проводников и диэлектриков существуют промежуточные материалы под названием полупроводник. И поначалу было непонятно каким образом их можно использовать, но после того как полупроводник пролегировать, то он обретает довольно интересные свойства.
Первым и самым распространенным полупроводниковым элементом является кремний, которого просто огромное количество на нашей Земле (почти 30 % земной коры состоит из этого элемента).
yandex.ru
Далее идет уже довольно редкий металл как германий (его доля в земной коре порядка 1,5*10-4 %)
yandex.ru
Учеными было совершено следующее открытие: если в состав кремния добавить мышьяк, то он (кремний) насыщается свободными электронами, а, как известно, материал, в составе которого много свободных электронов является хорошим проводником. Так как электрон имеет отрицательный заряд, то таким образом пролегированный кремний можно считать N (Negative– отрицательный) – проводником. Интересно? Дальше еще интереснее.
Если тот же самый кремний пролегировать таким элементом как индий, то такой проводник обретает просто уникальные свойства. Если в первом случае у нас с вами появились свободные электроны, то вот во втором варианте получаются положительные свободные заряды.
Парадокс в том, что свободных электронов с положительным зарядом нет. Протоны (положительно заряженные частицы) связаны с нейтронами и являются составными частями ядра атома. То есть они не могут переносить положительный заряд. Получается сам заряд есть, а частиц его переносящих просто нет.
Такие частицы принято называть «дырками» с положительным зарядом. И тот полупроводниковый материал, в составе которого много таких «дырок», называется полупроводником P (Positive – положительный) – типа.
Сам по себе кремний P – типа и N – типа бесполезен, а вот если пластины из данного элемента очень плотно прислонить друг к другу, то как раз в месте соприкосновения и возникает пресловутый P–N переход, который и совершил революцию в современной электронике.
Как работает P – N переход
Итак, если не вдаваться в физику самого процесса, то проще говоря, такой переход обладает односторонней проводимостью. Непонятно? Сейчас объясню на примере.
Давайте возьмем самую обычную воронку:
Если мы с вами будем наливать воду со стороны горлышка, то вся вода довольно легко пройдет через воронку, но стоит нам попробовать налить воду через тонкую часть лейки, то лишь малая часть воды пройдет через нее.
Так и с P–N переходом, если мы к стороне с P – переходом подадим плюс от постоянного источника питания, а на N – переход минус, то ток беспрепятственно пройдет через переход, а вот если мы поменяем плюс и минус местами, то ток не пойдет. прям как в самом обычном диоде.
Чтобы это проверить, давайте проведем небольшой эксперимент: возьмем обычный диод, лампочку на 12 Вольт и блок питания и соберем по данной схеме:
Собрав такую схему и включив источник питания, мы с вами увидим, что лампа горит. А это значит, что нет никакого препятствия для протекания тока, но стоит нам с вами поменять полярность питания и лампочка не загорится.
То есть мы с вами наглядно убедились, что диод, в принцип работы которого заложен P-N переход, при прямом включении пропускает ток, а при обратном нет.
Заключение
Надеюсь теперь вам стало более-менее понятно, что такое P-N переход и как он работает, на рассмотренном примере с обычным диодом. Если вам интересна эта тема, то подпишитесь, чтобы не пропустить свежие публикации и оцените статью лайком. Спасибо за ваше внимание!
Источник
Рубрика: Статьи про радиодетали
Опубликовано 10.09.2020 ·
Комментарии: 0
·
На чтение: 11 мин
·
Просмотры:
Post Views:
93
Глобально p-n переход – это основа всей современной электроники. И в этой статье мы подробно разберёмся что это за переход, для чего он нужен и как работает.
Атомы и ковалентная связь
Для начала давайте разберемся на уровне атомов что и как работает. Это будет небольшое предисловие.
Вся материя состоит из молекул, а молекулы в свою очередь из атомов. И у каждого атома есть протоны, нейтроны и электроны.
Протоны образуют с нейтронами ядро, в котором их равное количество.
Исключение — это водород у которого есть только один протон в ядре, без нейтрона.
Вокруг ядра находятся орбиты электронов (кстати, сейчас принято считать, что это облако электронов). Между ними действуют сильные и слабые силы, которые являются основой атомов. Далее на изображениях не будем указывать протоны и нейтроны для простоты восприятия.
Конечно, можно погрузиться и дальше, что есть мезоны, кварки и другие фундаментальные частицы. А еще, что на электронных оболочках атомов электроны распределены в виде «газа» и их не получится точно обнаружить, только с определенной долей вероятности. Однако, это не обязательно знать для понимания принципов работы общей цифровой электроники.
Достаточно просто принять тот факт, что есть атомы, у которых присутствуют ядра с положительным зарядом, а вокруг этого ядра находятся орбиты с электронами.
Электроны и протоны имеют противоположные знаки.
В электрически нейтральном атоме количество электронов и протонов одинаково. Все электроны распределены по разным уровням. Кто ближе к ядру – по два электрона, следующий уровень по 4 электрона и так далее. Но если по какой-либо причине атом теряет электрон, то такой атом становится положительным ионом.
Ему не хватает электрона на своей внешней электронной орбите, которая называется валентным уровнем. С валентного уровня у атома проще «забрать» электрон. А такие электроны, которые находятся на валентном уровне, называются валентными электронами.
Положительный ион (атом, у которого не хватает электронов) будет со знаком +, так как у него дефицит электронов, и он будет притягивать или притягиваться к свободному электрону (зависит от среды).
Все атомы в молекулах соединены друг с другом на валентном уровне, то есть при помощи ковалентной связи.
На валентном уровне связь ядра с электронами намного меньше, чем на других, поэтому атомы могут образовывать материю, соединяясь с другими атомами. Так и получаются химические реакции и соединения атомов друг с другом.
Полупроводники и кристаллическая решетка
Теперь плавно переходим к полупроводникам. У полупроводников, таких как кремний (Si) и германий (Ge) на ковалентном уровне есть по 4 электрона.
Не путайте кремень и кремний. Кремень – это минерал, а кремний – это химический элемент, который был открыт в 1810 году.
Особенность полупроводников заключается в том, что их атомы друг с другом образуют парные связи.
Допустим, есть атом кремния. У него 4 электрона на валентном уровне. Если к нему присоединить еще 4 атома кремния, то получится кристаллическая решетка. 4 атома связаны друг с другом 4 своими электронами.
На картинке показана связь атомов в плоскости. В реальности она естественно, находится не в одной плоскости, а в пространстве.
То есть, каждый атом может образовывать устойчивую связь друг с другом, по 4 штуки с каждой стороны и плоскости.
Особенность полупроводников заключается в том, что эта кристаллическая решётка очень устойчива.
Кстати, проводимость полупроводников сильно зависит от внешних условий (давление, температура, радиация, свет). Намного сильнее, чем у других материалов. Это все связано с особенностью кристаллической решетки, которая позволят делать солнечные батареи, датчики, камеры и много чего еще.
Итак, атомы полупроводников без примесей электрически нейтральны.
И что самое главное, они все равно будут связаны друг с другом. Общая ковалентная связь позволят им обмениваться друг с другом электронами.
Проводимость полупроводников в нормальных условиях практически такая же, как у диэлектриков, то есть очень низкая.
Проводимость кристаллической решетки с примесями
Свободных электронов в чистом полупроводнике мало, и это объясняет низкую проводимость материала.
Однако, при повышении температуры электроны на валентном уровне получают большую энергию, и могут быстрее покидать свои орбиты. Поэтому материал становится более проводимым при повышении температуры.
И из-за этого полупроводники получили свое название. Это и проводник, и диэлектрик в одном флаконе, который меняет свою проводимость из-за внешних условий.
Донорская примесь и n-тип
Если добавить в кристаллическую решетку кремния атом, у которого 5 валентных электронов, то из-за него в кристалле появятся свободные электроны.
Например, есть атом мышьяка (As) и атомы кремния (Si).
4 валентных электрона мышьяка образуют валентную связь с другими атомами кремния. А вот один электрон будет находится в зоне проводимости. То есть, он станет свободным электроном.
А вот атом мышьяка, который непреднамеренно отдал свой электрон, станет положительным ионом. И несмотря на это, кристаллическая решетка остается стабильной.
Полупроводник с примесью, в котором находятся свободные электроны, называется полупроводником n-типа. Основные носители заряда – свободные электроны. Неосновные – дырки.
Примеси добавляют при помощи легирования. Оно может быть, как металлургическим (повышением температуры, изготовление сплавов), так химическим (ионное и диффузное).
Если подать ток по такому материалу, то свободные электроны из примеси притягиваются положительным потенциалом. А с отрицательного потенциала приходят «новые» электроны, взамен старым, которые ушли к положительному потенциалу.
Акцепторная примесь и p-тип
А что будет, если в полупроводник добавить атом с тремя валентными электронам, например бор (B)?
Тогда три валентных электрона атома бора создадут связь с другими атомами кремния. Однако теперь в кристалле с такой примесью будет не хватать одного электрона.
Это отсутствие электрона называется дыркой. По сути, это положительный потенциал, но для простоты понимания его принято называть дыркой.
Это не ион и не элементарная частица. Это дефицит электрона у атомов. И тот атом, у которого будет не хватать электрона на своей орбите, будет притягивать к себе и свободные электроны, которые оказались в кристалле, и электроны от соседних атомов.
Такая примесь в кристалле также повышает его проводимость. И эта примесь называется акцепторной. То есть, примесные атомы создают дефицит электронов в кристаллической решетке.
Поэтому, такой полупроводник с акцепторной примесью называются p-типом. Его основные носители заряда – дырки. А неосновные – электроны.
Если пустить ток по такому материалу, то к отрицательному потенциалу будет притягиваться дырка к новому поступающему электрону из источника тока. А вот к положительному потенциалу будут уходить электроны, которые находились в кристалле.
Кстати, примесный атом бора получается отрицательно заряженным ионом, поскольку при прохождении тока на его орбите будет не 3 электрона, а 4, что является для него избытком.
Ток неосновных зарядов
Как уже было сказано выше, у p-типа основные носители заряда — это дырки, а у n-типа — это электроны. Неосновные носители соответственно, наоборот. И неосновные носители зарядов тоже участвуют при прохождении тока.
Конечно, неосновных носителей зарядов намного меньше, чем основных, но не стоит их полностью игнорировать, особенно когда речь идет о p-n переходе.
Создание p-n перехода
Что будет, если соединить два кусочка кремния c примесями p-типа и n-типа вместе? Получится p-n переход. Или как его еще называют — электронно-дырочный переход.
Этот переход является разграничительной зоной между p-областью и n-областью.
И особенностью этого перехода является то, что этот переход состоит из ионизированных примесных атомов, которые не позволяют свободным зарядам из двух разных областей соединяться друг с другом. Он образовался от такого явления, как диффузионный ток.
Этот ток возникает при нагреве (изготовлении перехода). Носители зарядов рекомбинируют друг с другом и уравновешивают баланс. Диффузионный ток под воздействием тепла хаотичный, и не имеет упорядоченного направления, если на него не действует вешнее напряжение.
Например, электроны из n-области начинают накапливаться возле положительных ионов примеси, но так как с другой стороны находятся отрицательные ионы n-области, они не могут перейти этот барьер. С дырками ситуация аналогична.
Свободные электроны из n-области не могут перейти в p-область из-за барьера, который создан ионизированными донорскими примесями. Здесь создается электрическое поле, которое действует как барьер для дырок и электронов. И из-за этого в p-n переходе отсутствуют свободные носителя зарядов. Переход их попросту отталкивает от себя с двух сторон.
Кстати, еще одно название барьера – обедненная область.
А в целом, кристалл остается электрически нейтральным. Если бы не было этого барьера, свободные носители заряды уравновесили бы друг друга.
Преодоление потенциального барьера
Чтобы свободные электроны и дырки могли пройти через этот барьер, нужно приложить внешнее напряжение, которое будет превышать напряжение, требуемое для перехода барьера.
Подключим к n-области минус источника тока, а к p-области плюс источника тока. Такое включение называется прямым. Еще n-область в приборах называют катодом, а p-область — анодом.
Напряжение источника должно быть выше, чем то, которое требуется для открытия p-n перехода.
Допустим, потенциальный барьер равен 0,125 Вольт. Чтобы преодолеть его, подключим источник с напряжением 5 В.
Чтобы не перегружать восприятие, на схеме не показаны неосновные носители зарядов.
И благодаря воздействию электрического поля внешнего источника, свободным носителям хватает энергии для того, чтобы перейти этот потенциальный барьер и преодолеть его электрическое поле. Переход подключен с прямым смещением.
Свежий электрон идет с источника, переходит в n-область, далее преодолевает барьер и переходит дырке, где происходит рекомбинация. И далее этот электрон идет на встречу к дырке, которая идет с положительного потенциала, подключенного к p-области. То есть, по p-n переходу проходит электрический ток. Этот ток называют еще диффузионным током или током прямого включения – когда основные носители зарядов упорядочено движутся к внешнему источнику тока.
Аналогична ситуация с дырками. Положительный потенциал внешнего источника, который подключён к p-области, будет забирать электрон, а на его месте появится дырка. Дырка в свою очередь будет двигаться к барьеру и далее к отрицательному потенциалу источника.
Ток, который создается дырками называется дырочным. Соответственно, ток, который создается электронами – электронным.
А на этой схеме переход показан без барьера, но с обратным током.
Неосновные носители зарядов в свою очередь действуют наоборот, от чего и возникает дополнительное сопротивление в p-n переходе.
Обратный ток может быть равен всего нескольким микроамперам.
Обратное включение
Поменяем полярность внешнего источника на противоположную. Минус к p-области, а плюс к n-области. Что же будет происходить с барьером и током зарядов?
Барьер увеличится за счет того, что основные носители зарядов будут притягиваться к внешнему источнику. Увеличится сопротивление потенциального барьера и напряжение его открытия.
Однако, не смотря на все это, через p-n переход будет протекать обратный ток.
Этот обратный ток очень мал, поскольку создается неосновными носителями заряда. Он еще называется дрейфовым током.
Применение p-n перехода
Вот так и работает простой диод, который состоит из p-n перехода. По-простому, p-n переход – это и есть классический диод. И он может работать как при прямом включении, так и при обратном. А вообще, вся современная цифровая техника состоит из p-n переходов.
Транзисторы, тиристоры, микросхемы, логические элементы, процессоры и многое другое основано именно на этом.
Контролируемый лавинообразный пробой
А что будет, если превысить напряжение потенциального барьера? Например, оно равно 7 В. А на схеме источник 5 В. Если подключим источник на 8 В, то наступит лавинообразный ток.
Неосновные носители зарядов будут забирать с собой основные. От части этот процесс контролируем, если не превышать напряжение источника выше, чем может выдержать p-n переход.
Электрический пробой
Если еще больше повысим напряжение, то будет электрический пробой. Эти явления широко используются на практике, например, в качестве стабилизаторов.
Ток не пойдет по цепи пока не будет то напряжение, которое требуется для открытие обратного смещенного p-n перехода.
И электрический пробой контролируется. Стабилитроны (так называются диоды, которые работают в таком режиме) делаются специально с широкими p-n переходами, которые долго работают под постоянными нагрузками.
Тепловой пробой
Но если радиодеталь изначально не рассчитана электрический пробой, то она быстро нагреется и произойдет тепловой пробой. Дырки и электроны получат тепловую энергию, из-за которой барьер полностью разрушится. Переход нагревается и трескается под действием температуры. Это необратимый процесс.
Вообще, когда техника «перегорает» — это и есть явление теплового пробоя, то есть превышение допустимой температуры.
И во время пайки тоже может случиться тепловой пробой. Достаточно немного перегреть деталь и p-n переход будет разрушен.
Соответственно, если пустить по диоду ток, который превышает его пропускную способность, то тоже случится тепловой пробой. Тоже самое касается и рассеиваемой мощности.
Как избавиться от обратного тока
А можно ли избавиться от обратного тока? Для этого в переход добавляют металлические примеси, которые убирают неосновные носители зарядов при обратном включении.
Но и обратный ток можно использовать на практике.
Например, с его помощью реализуются обратная связь, некоторые функции и измерения.
Как еще применяется обратное включение
А еще, обратное включение очень похоже на конденсатор. Взгляните на схему. Это же две обкладки конденсатора, посередине которого есть «диэлектрик». И электронно-дырочный переход обладает емкостью. И это тоже используется на практике. Так называется полупроводниковый конденсатор.
В радиоприёмниках используют вместо подстрочных конденсаторов варикапы. Варикапы легко настроить. Нужно всего лишь подать напряжение обратным смещением определенного значения, для повышения или понижения емкости.
Конечно, это не основное применение p-n перехода. Переход используется во всей цифровой технике по-разному.
Выпрямители, усилители, генераторы, процессоры, солнечные батареи и много другое. И то, что было описано выше про принцип работы p-n перехода – это принцип работы обычного диода.
Итог
Это наиболее простое описание принципа работы p-n перехода. Он бывает разных типов, и в полупроводниках есть физические явления, которые возникают при различных условиях.
Да и изготовление полупроводниковых радиодеталей бывает разным. Полупроводники разделяются на целые классы со своими особенностями. А микропроцессорное производство – это отдельный вид искусства.
Post Views:
93
Источник