P-n перехід та його застосування в техніці” Виконав Студент ІІ-го курсу 204 групи ІТФ Романюк Богдан Володимирович Керівник Крамар Валерій Максимович Чернівці, 2008р
|
|
Скачати 0.74 Mb.
|
|
МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ ЧЕРНІВЕЦЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ ІМ. Ю. ФЕДЬКОВИЧА Пошукова робота на тему: “p-n перехід та його застосування в техніці” Виконав Студент ІІ-го курсу 204 групи ІТФ Романюк Богдан Володимирович Керівник Крамар Валерій Максимович Чернівці, 2008р. Зміст
ПЛОСКИЙ ЕЛЕКТРОННО-ДІРКОВИЙ ПЕРЕХІД Робота різноманітних типів напівпровідникових чіпів та транзисторів основана на явищах, що виникають між областями напівпровідників різного типа електропровідності. Границя між двома областями монокристала напівпровідника, одна з яких має електропровідність р- типа, друга – n- типа, називається електронно-дірковим переходом (p-n типа). Перехід з лінійними розмірами, значно перевищуючими його товщину, називають плоским. Розглянемо два образця германія з дірковою та електронною провідністю (рис.3.1), що знаходиться в контакті. Нехай границя плоска та ідеальна. Концентрація донорів в n- області Ng=1015см-3, а акцепторів Nа=1015см-3 (рис. 3.1б). П  ри кімнатній температурі атоми донорів та акцепторів можливо вважати повністю іонізованими. Концентрація дірок провідності Рр в напівпровіднику р- типа звичайно набагато більша, ніж концентрація дірок Рn в напівпровіднику n-типа, де вони являються неосновними носіями заряду (Рр >> Рn). Аналогічно Np<В приконтактному шарі концентрація основних носіїв заряду зменшується відповідно з концентрацією основних носіїв в залишковій товщині напівпровідника. З’єднання носіями шарів між двома областями напівпровідника з різною провідністю називається збираючим. Просторові заряди створюють електричне поле р-n- преходу (рис 3.1.г), напруженість якого Е, має max величину на границі розділу. Електричне поле просторового заряду перешкоджає дифузії основних носіїв, в той час як неосновні носії заряду (тобто дірки із n-області та електрони із р- області) можуть без перешкод переходити через перехід, утворюючи дрейфовий струм. Напрям дрейфового струму протилежного дифузійному. В кінці кінців встановлюється динамічна рівновага, коли дифузійний струм і дрейфовий струм через електронно-дірковий перехід компенсують один одного. Таким чином через р-n- перехід одночасно протікає 4 струми. Загальна густина струму при цьому дорівнює:  Перепад потенціалу в р-n- переході називається потенціальним бар’єром або контактною різницею потенціалів (рис 3.1.е). Утворення потенціального бар’єру можна зобразити схемою на рис. 3.1 д. При термодинамічній рівновазі і в відсутності зовнішнього поля рівень Фермі являється загальним для всього об’єму напівпровідника і лежить всередині забороненої зони. Поблизу границі розділу р та n-областей, де N=P=Ni, рівень Фермі проходить через середину забороненої зони. Оскільки в напівпровіднику n- типу рівень Фермі зміщується в сторону зони провідності, а в напівпровіднику р- типу – в сторону валентної зони, то в дірковій області дно зони провідності повино лежати значно дальше від рівня Фермі, чим дно зони провідності в електронній області. Отже, в області р-n- переходу діаграма енергетичних зон скривлюється. Висота потенціального бар’єру (або контактна різність потенціалів) в р-n- переході  та залежить від положення рівня Фермі в р- та n-областях. Збільшення концентрації домішок в будь-який із областей зміщує рівень Фермі від середини заборонної зони, та збільшує висоту потенціального бар’єру. Зменшення концентрації домішок, навпаки, знижує потенціальні бар’єри. При відсутності зовнішнього електричного поля висоту потенціального бар’єру, наприклад, для електронів, можливо визначити по зміщенню дна провідності. Визначивши величину енергії, відповідну дну зони провідності р- області (Ecp) та n- області (Ecn)одержимо:  де Ппо та Рпо; Рро та Про – рівноважні концентрації основних та неосновних носіїв заряду відповідно в n- області та р- області. Висоту потенціального бар’єру зручно виражати в вольтах. Для цього розділимо Е та КТ на елементарний заряд q.  де ∆φ0 – величина потенціального бар’єру в вольтах; φТ – температурний потенціал  ЕФЕКТ ВИПРЯМЛЕННЯ В p-n- ПЕРЕХОДІ Розглянемо, як змінюються умови переносу зарядів через р-n- перехід, коли до нього прикладено деяку зовнішню напругу (напруга зміщення). Якщо мінус зовнішнього джерела напруги U підключити до р- області, а плюс – до n-області, (рис. 3.2.а) (в подальшому таку полярність напруги будимо називати зворотною), тоді під дією електричного поля джерела, основні носії заряду будуть дрейфувати від прикордонних до переходу шарів всередину напівпровідника. В результаті ширина об’єднаного основними носіями шару збільшується порівняно з рівноважним та опір р-n- переходу зростає (на рис 3.2 вертикальні пунктирні лінії 1-1’ показують границі переходу р-n в урівноваженому стані, а лінії 2-2’ – після підключення зворотної напруги). Висота потенціального бар’єру в переході збільшується (рис. 3.2.г) на величину напруги зміщення Uзв.  Зі зміною висоти потенціального бар’єру порушується термодинамічна рівновага та змінюються співвідношення між дифузійними та дрейфовими струмами. Дрейфовий струм через перехід практично не залежить від прикладеної напруги: зовнішня напруга змінює лише швидкість переносу неосновних носіїв заряду не впливає на кількість переміщених зарядів за одиницю часу. Дифузійна складова струму через перехід залежить від висоти потенціального бар’єру, та по мірі збільшення бар’єру все менша кількість основних носіїв можуть заряду подолати його.  В кінцевому випадку дифузійна складова струму з ростом висоти бар’єру прямує до нуля. При більших зворотних напругах |Uзв| >> φт струм через перехід прямує до величини дрейфового струму. В подальшому цей струм буде називатися зворотнім струмом насиченості р-n- переходу I0 (тепловий не управляючий струм). Якщо до р- області підключити плюс джерела зовнішньої напруги, а до n-області – мінус, тобто пряма напруга (рис.3.3),то під дією зовнішнього поля основні носії заряду переміщаються по напряму до р-n- переходу. Брак носіїв в приконтактних шарах зменшується, товщина переходу становиться менша та опір р-n- переходу зменшується. В цьому випадку прикладена до переходу результуюча напруга визначається різністю величин ∆φ0 та Uпр. ∆φ2=∆φ0-Uпр. Отже, висота потенціального бар’єру зменшується та дифузійний струм основних носіїв заряду через перехід зростає. Цей струм називається прямим. При |Uпр|<�∆φ0 потенціальний бар’єр сприяє руху через перехід неосновних носіїв зарядів, а при (Uпр)>∆φ0 перешкоджає. Ввід носіїв заряду через електронно-дірковий перехід або з’днання метал-напівпровідник при зниженні висоти потенціального бар’єру в область напівпровідника, де ці носії заряду являються неосновними, називається інжекцією носіїв заряду. При протіканні прямого струму з діркової області в електронну інжектуються дірки, а електронної області в діркову-електрони. Область напівпровідника, призначенням якої являється інжекція носіїв заряду, називається емітерною областю (або просто емітером), а область напівпровідника, в яку інжектуються емітером неосновні носії для неї, називаються базовою областю (або базою). Відношення збиткової концентрації неосновних носіїв заряду в базі поряд р-n- переходу до рівноважної концентрації основних носіїв заряду називається рівнем інжекції. ВОЛЬТ-АМПЕРНА ХАРАКТЕРИСТИКА p-n-ПЕРЕХОДУ  Вольт-амперна характеристика визначає залежність між струмом, протікаючим через р-n-перехід, та прикладеній до переходу напрузі для стаціонарного випадку при малому рівні інжекції (∆Рn<<<�Рр) та одномірному розповсюдженні носіїв заряду вздовж осі Х, перпендикулярній до площини з’єднання. Координату Х будемо рахувати від границі переходу всередину області бази. Генерацію та рекомбінацією зарядів в області просторового заряду будемо нехтувати, а напруга електричного поля ззовні переходу будемо вважати рівною нулю. Вираз вольт-амперної характеристики p-n-переходу:  (4.1)де Iзв – зворотній струм насиченості р-n-переходу, який при великих зворотних напругах не залежить від величини прикладеної зворотньої напруги. Струм насичення переходу виготовленого на основі кремнію, буде в багато раз менше, чим струм насичення германієвого переходу. Графік вольт-амперної характеристики ідеалізованого р-n-переходу в відносних одиницях приведена на рис. 4.3. З відношення (4.1) виходить, що при U>0 струм через перехід зростає, при U<0– зменшується. Так як при кімнатній температурі φт≈26МВ, то при позитивних напругах, перевищуючих 0,1В в відношенні (4.1) можливо нехтувати одиницею порівняно з експоненціальним членом. При від’ємних напругах (|U|≥0,1 – 0,2) величина становиться знехтувало малою та струм через перехід прямує до струму насичення. Таким чином, величина та напрям струму, що протікає через р-n- перехід, залежить від величини та знаку прикладної до нього напруги. Відповідно з цим електричний опір переходу в одному напрямі може бути значно більше, чим в другому. Отже, р-n- перехід має випрямляючу дію (односторонню провідність), що дозволяє використовувати його в якості випрямляча змінного струму. Відступ вольт-амперної характеристикою від теоретичної наглядається при збільшенні прямої напруги (U>>φT), коли струм через перехід починає обмежуватися не опором переходу, а опором товщини р-n- областей напівпровідника та при великих зворотних напругах (-Uзв)>>φт, коли наглядається різке збільшення зворотного струму спробою переходу. Вид вольт-амперної характеристики р-n- переходу в значній мірі залежить від температури. Залежить від температури зворотної гілки вольт-амперної характеристики визначається температурними змінами струму насичення: Iзв(T)=Iзв(Тзв)еа∆Т, (4.2) Де Iзв(Т) та Iзв(Тзв) – зворотні струми насичення при розглянутій та кімнатній температурі; ∆Т=Т-Тзв – перепад температури; а=0,05...0,09 град-1 для германію; а=0,07...0,13 для кремнію. Для наближених розрахунків звичайно береться град-1, що струм насичення удоюється при збільшенні температури на 10˚С для германієвих та на 7˚С для кремнієвих переходів. Температурна залежність прямої гілки вольт-амперної характеристики визначається змінами прямої напруги при зміни температури. Вводиться температурний коефіцієнт напруги (ТКН), характеризуючи зсув вольт-амперної характеристики по осі напруг. При збільшених температурах для отримання заданого постійного струму через діод до нього необхідно прикласти меншу пряму напруги. При розрахунках ТНК звичайно приймається рівним – 2мВ/град. ТКК залежить від струму та з ростом його трохи зменшується.  При обчисленні рівняння вольт-амперної характеристики р-n-переходу ми нехтували генерацію та рекомбінацію носіїв всередині самого переходу. Це справедливо для нескінченно вузького переходу. В реальних умовах виникаючі в процесі генерації електрон та дірка швидко переноситься полем переходу в відповідній області напівпровідника, утворюючи додаткову складову струму переходу, , називається струмом термогенерації Iд. В врівноваженому стані струму термогенерації компенсується зустрічним йому та рівним струмом рекомбінації Іr. Складаючи зі струмом насичення переходу І0, струм термогенерації Ід збільшується струм переходу Ізв. Ізв=І0+Ід ПРОБІЙ p-n- ПЕРЕХОДУ Починаючи з деякого значення зворотної (зачиняючої) напруги, зворотня напруга реального р-n-переходу миттєво збільшується. |
Схожі:
|
Характеристика групи №46 У 46 групі навчається 25 учень, всі хлопці. Вік дітей 15-17 років. Класний керівник Моргун Роман Володимирович |
Конспект з філософії Виконав: студент групи ЗІК-01 Гуськов П. А. Київ-2011 ... |
|
1. Загальна характеристика Якщо студент постійно відвідував заняття, успішно виконав усі контрольні завдання впродовж семестру, має позитивну атестацію на підставі... |
1. Загальна характеристика Якщо студент постійно відвідував занаття, успішно виконав усі контрольні завдання впродовж семестру, має позитивну атестацію на підставі... |
|
Методические указания по развитию навыков чтения и устной речи по... Якщо студент постійно відвідував заняття, успішно виконав усі контрольні завдання впродовж семестру, має позитивну атестацію на підставі... |
Курсової роботи обирається за порядковим номером із переліку робіт... Цивільного та сімейного права України або пов’язана з його професійною діяльності. Самовільна зміна теми курсової роботи без дозволу... |
|
Тема: "Раціоналізм або емпіризм" Виконав студент 12ПМ Шрамко Євген... Введення |
СКЛАД Валерій Володимирович заступник міського голови, заступник голови конкурсної комісії |
|
Максим Максимович – «маленька людина» з великою душею. (Роман М.... ... |
Вибір варіанту здійснюється від позиції прізвища виконавця в списку... Поняття населення держави і його склад. Громадянство і його значення в сучасних міжнародних відносинах |
При копіюванні матеріалу обов'язкове зазначення активного посилання © 2013
звернутися до адміністрації
bibl.com.ua
звернутися до адміністрації
bibl.com.ua