Электрические переходы в полупроводнике, p – n переход, прямое и обратное включение, пробой, ёмкость p – n перехода. Импульсные устройства (и

Федеральное агентство по образованию Российской Федерации 
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования 
Южно-Уральский государственный университет 
Факультет «Механико-технологический» 
Кафедра «Технология машиностроения»

 

 

 

 

 

 

 

 

Электрические переходы в  полупроводнике, p – n переход, прямое и обратное включение, пробой, ёмкость p – n перехода. Импульсные устройства (импульсный режим работы, импульсные сигналы, транзисторные ключи)

РЕФЕРАТ

по дисциплине: «Электроника»

 

 

 

                                                             Проверил:

                                                                                              ____________ /Соколов А.В./

                                                                                                  ___________________ 2013 г.

                                                                    Автор работы

                                                                                      Студент группы МТ-342

                                                                                               _________ /Кондратьев М.А./

                                                                                              __________________ 2013 г.                

                                                                                               

 

Челябинск 2013

 

СОДЕРЖАНИЕ

1. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПЕРЕХОДЫ В ПОЛУПРОВОДНИКЕ..................................3
2. p – n ПЕРЕХОД...........................................................................................................3
1. n – проводимость и p – проводимость...........................................................4
2. Образование запирающего слоя при контакте полупроводников p – и n –типов..................................................................................................................5
3. ПРЯМОЕ И ОБРАТНОЕ ВКЛЮЧЕНИЕ p – n ПЕРЕХОДА..................................6
4. ПРОБОЙ p – n ПЕРЕХОДА.......................................................................................7
5. ЕМКОСТЬ p – n ПЕРЕХОДА....................................................................................8
6. ИМПУЛЬСНЫЕ УСТРОЙСТВА..............................................................................9
1. Импульсный режим работы, импульсные сигналы......................................9
7. ТРАНЗИСТОРНЫЙ КЛЮЧ....................................................................................12
1. Транзисторная ключевая схема....................................................................12
2. Стационарные состояния ключевой системы.............................................13

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПЕРЕХОДЫ В ПОЛУПРОВОДНИКЕ

 

Полупроводник – материал, который по своей удельной проводимости занимает промежуточное место между  проводниками и диэлектриками и  отличается от проводников сильной  зависимостью удельной проводимости от концентрации примесей, температуры и воздействия различных видов излучения. Основным свойством полупроводника является увеличение электрической проводимости с ростом температуры.

Электрическая проводимость – способность тела проводить  электрический ток.

Удельная проводимость –  мера способности вещества проводить  электрический ток.

Электрический переход в  полупроводнике – это граничный  слой между двумя областями твёрдого тела с разными типами и значениями проводимости.

Важнейшие электрические  переходы:

• Между полупроводниками p – типа и n – типа;
• Между полупроводником и металлом;
• Между полупроводником и металлом через диэлектрик.

 

2. p – n ПЕРЕХОД

 

Электронно-дырочный переход (или p – n переход) – это область контакта двух полупроводников с разными типами проводимости. (Толщина обычно достигает от 100 нм до 1 мкм). В полупроводнике n – типа основными носителями свободного заряда являются электроны (несущие отрицательный заряд); их концентрация значительно превышает концентрацию дырок ( >> ). В полупроводнике p – типа основными носителями являются дырки (несущие положительный заряд), их концентрация превышает концентрацию электронов ( >> ).

 

 

 

 

1. n – проводимость и p – проводимость

 

Самый распространённый полупроводник  – это кремний. Он четырёхвалентен. На рисунке изображено его схематическое  строение.

Если в него ввести атомы  пятивалентного элемента (например, фосфор), то картина изменится. У введенного атома остаётся один неспаренный электрон на внешнем уровне.

Если подать напряжение на концы проводника, то на электрон начнёт действовать электрическая сила, и возникнет ток. Введённый атом же станет положительно заряженным ионом. Проводимость обеспечивается электронами, носителями отрицательного заряда (negative), отсюда и название n – проводимость.

 

 

Для образования p – проводимости вводится примесь с валентностью меньше четырёх. Для установления связи трёхвалентному атому примеси (например, бор) не хватает 1 электрона.

Если на концы проводника подать напряжение, то атомы будут  притягивать к себе электроны  соседних атомов, и будут образовываться дырки. Следующий атом тоже будет  притягивать к себе электрон от соседнего  атома. Когда дырка доберётся  до отрицательного заряженного контакта, электрон заполнит её, а с другого  конца полупроводника электрон «убежит», и цикл продолжится. Таким образом, дырки будут двигаться, как будто  они – положительные заряды (positive), отсюда и название p – проводимость.

 

2. Образование запирающего слоя при контакте полупроводников p – и n –типов

 

При контакте двух полупроводников p – и n – типов начинается процесс диффузии (возникает диффузионный ток): дырки из p – области переходят в n – область, а электроны, наоборот, из n – области в p – область. В результате в n – области вблизи зоны контакта уменьшается концентрация электронов и возникает положительно заряженный слой. В p – области уменьшается концентрация дырок и возникает отрицательно заряженный слой. Таким образом, на границе полупроводников образуется двойной электрический слой, поле которого

 

 

 

препятствует  процессу диффузии электронов и дырок  навстречу друг другу. Пограничная область раздела полупроводников с разными типами проводимости

(так называемый запирающий слой) обычно достигает толщины порядка десятков и сотен межатомных расстояний. Объемные заряды этого слоя создают между p – и n – областями запирающее напряжение , приблизительно равное 0,35 В для германиевых p – n переходов и 0,6 В для кремниевых.

 

3. ПРЯМОЕ И ОБРАТНОЕ ВКЛЮЧЕНИЕ p – n ПЕРЕХОДА

 

p – n переход обладает интересным свойством – односторонней проводимостью.

При подключении внешнего источника напряжения положительным  полюсом к n – области, отрицательным к p – области, дырки под действием внешнего электрического поля смещаются влево, а электроны – вправо. В результате запирающий слой расширяется, препятствуя протеканию тока. Тока в цепи нет. Такое подключение называют обратным включением p – n перехода.

 

 

Если же положительный  полюс источника напряжения подключен  к p – области, а отрицательный к n – области, то дырки под действием внешнего электрического поля смещаются вправо, а электроны – влево. Ширина запирающего слоя уменьшается, тем самым способствуя резкому возрастанию электрического тока через p – n переход. Такое подключение называют прямым включением p – n перехода.

 

4. ПРОБОЙ p – n ПЕРЕХОДА

 

Пробоем электронно-дырочного  перехода называют явление очень  быстрого роста обратного тока при  незначительном повышении постоянного  обратного напряжения. Выделяют три  типа пробоев: туннельный (зенеровский), лавинный и тепловой.

Туннельный пробой возникает  при малой ширине p – n перехода (например, при низкоомной базе), когда при большом обратном напряжении электроны проникают за барьер без преодоления самого барьера. В результате туннельного пробоя ток через переход резко возрастает и обратная ветвь ВАХ идёт перпендикулярно оси напряжений вниз.

Лавинный пробой возникает  в том случае, если при движении до очередного соударения с нейтральным  атомом кристалла электрон или дырка  приобретают энергию, достаточную  для ионизации этого атома, при  этом рождаются новые пары электрон – дырка, происходит лавинообразное размножение носителей зарядов; здесь основную роль играют неосновные носители, они приобретают большую  скорость. Лавинный пробой имеет место в переходах с большим удельным сопротивлением базы (высокоомная база), т.е. в p – n переходе с широким переходом.

Тепловой пробой характеризуется  сильным увеличением тока в области p – n перехода в результате недостаточного теплоотвода.

 

 

 

Если туннельный и лавинный пробой, называемые электрическими, –  обратимы, то после теплового пробоя свойства перехода меняются до разрушения перехода.

На вольтамперных характеристиках  электронно-дырочного перехода, лавинный пробой изображён кривой (а), туннельный – на кривой (б), а тепловой пробой отражён в наличии участка дифференциального сопротивления на кривой (в).

 

5. ЕМКОСТЬ p – n ПЕРЕХОДА

 

Изменение напряжения на p – n переходе приводит к перераспределению заряда на нём, а значит, он имеет ёмкость.

Ёмкость p – n перехода принято делить на две составляющие:

• Барьерная ёмкость;
• Диффузионная ёмкость.

Барьерная ёмкость – это  ёмкость конденсатора, обкладками которого являются p – и n – области, а диэлектриком запирающий слой. Барьерная ёмкость является преобладающей при обратных и небольших положительных напряжениях. На практике барьерная ёмкость бывает от долей пФ до сотен пФ. Диффузионная ёмкость обусловлена неравновесными носителями в базе. Эта ёмкость может достигать нескольких мкФ.

 

 

 

При прямом напряжении на переходе общая ёмкость определяется в основном диффузионной ёмкостью, а при обратном напряжении – барьерной. Общий вид зависимости ёмкости  перехода от напряжения показан на рисунке. Эту зависимость называют воль-фарадной характеристикой перехода.

 

6. ИМПУЛЬСНЫЕ УСТРОЙСТВА

 

Импульсные  устройства – устройства, предназначенные  для генерирования и преобразования импульсных сигналов, а так же сигналов, форма которых характеризуется  быстрыми изменениями, чередующимися  со сравнительно медленными процессами (паузами). Импульсные устройства применяются в различных радиоэлектронных устройствах и электронных системах, включая ЭВМ.

 

1. Импульсный режим работы, импульсные сигналы

 

Весьма обширная группа радиоэлектронных устройств  разнообразного назначения работает в  импульсном режиме. Такие устройства подвергаются воздействию электрических  сигналов (радиосигналов) не непрерывно (в течение всего времени работы устройств), а прерывисто. При этом прерывистая структура импульсных сигналов составляет принципиальную основу полезных функций устройства, работающего  в импульсном режиме. Проиллюстрируем  это некоторыми примерами.

 

 

На рисунке (а) изображён простейший импульсный сигнал, фиксируемый на индикаторе радиолокатора, для измерения дальности  до обнаруживаемого объекта (самолёта, корабля). Дальность пропорциональна  интервалу времени T между моментами излучения радиолокатором зондирующего радиоимпульса (чему соответствует импульс 1) и приёма отражённого от объекта радиоимпульса (чему соответствует импульс 2). Следовательно, информация о дальности содержится не только в импульсах 1 и 2, но и в паузе между импульсами, которые в своей совокупности образуют импульсный сигнал.

На рисунке (б) изображён кодированный импульсный сигнал в виде серии из трёх импульсов. Серия импульсов строится по некоторому условному коду, определяемому, в  частности, той или иной расстановкой импульсов в серии; варьируемые  интервалы  и выражают то или иное сообщение, заключённое в кодированном сигнале. Такого вида сигналы применяются в радиотелеуправлении для передачи команд управления, в устройствах опознавания принадлежности самолётов, кораблей и для других целей.

Показанный  на рисунке (в) позиционно-импульсный сигнал применяется в цифровых вычислительных машинах и цифровых автоматах. Такой сигнал выражает в двоичной системе счисления то или иное число N.

Так на рисунке:

N = 1 ∙ + 0 ∙ + 1 ∙ + 1 ∙ + 0 ∙ + 1 ∙ = 32 + 0 + 8 + 4 + 0 + 1 = 45.

 

 

Импульсные  сигналы имеют иногда более сложную  структуру.

Так, в импульсной радиосвязи (рисунок (а)) применяются сигналы в виде последовательных импульсов, повторяющихся через интервалы – в данном случае одинаковые, называемые периодом повторения импульсов; при этом высота (амплитуда) импульсов меняется по закону передаваемого сообщения (амплитудно-импульсная модуляция). Иногда передаваемое сообщение (рисунок (б)) запечатлено в ширине импульсов (широтно-импульсная модуляция). Так же модулируемым параметром может быть период , определяющий частоту повторения импульсов (частотно-импульсная модуляция).

С понятием «импульс»  интуитивно связывается представление  о малой его длительности. Но кратковременность  импульса – не только абсолютная, но и относительная характеристика длительности импульсов. Длительность применяемых импульсов весьма различна. В автоматике оперируют иногда с  импульсами длительностью порядка 1 с., в импульсной радиосвязи – с импульсами микросекундного диапазона, в физике быстрых частиц – с импульсами наносекундного диапазона. Даже в одной и той же области техники применяются импульсы резко различной длительности. Так, в радиолокации могут применяться импульсы длительностью более 1 с. (при измерении дальности до планет) и наносекундного диапазона (в радиолокаторах светового излучения).

В импульсной технике проявляется тенденция  к укорочению импульсов, обусловленная  стремлением повысить быстродействие устройств или разрешающую способность  устройств.

 

 

7. ТРАНЗИСТОРНЫЙ КЛЮЧ

 

1. Транзисторная ключевая схема

 

Транзисторный ключ является основным элементом более сложных импульсных устройств регенеративного типа (пара ТК, связанных положительной обратной связью, образуют мультивибратор и триггер); ТК используется также и в ряде других импульсных устройств. В зависимости от назначения и особенностей работы ТК его схема несколько видоизменяется. Но в основном построения всех таких схем лежит изображённая на рисунке транзисторная ключевая схема.

Сопротивление R_к резистора в коллекторной цепи транзистора ключевой схемы не превышает 1 кОм. Коллекторное напряжение u_к – выходное напряжение ТК. К выходу ТК подключается нагрузочный элемент. Базовое напряжение u_б – входное (управляющее) напряжение ТК.

Ключевые  схемы строятся на транзисторах как  типа p – n – p, так и типа n – p– n. На рисунке представлена схема на транзисторах p – n – p типа. В соответствии с этим на представленной схеме обозначено напряжение - E_к < 0 и указаны положительные направления токов транзистора, совпадающие с направлением их протекания при отпёртом транзисторе. Токи транзистора связанны между собой соотношением i_э = i_к +i_б.

 

 

Принятые на схеме положительные  направления отсчёта потенциалов (V) измеряются относительно потенциала эмиттера V_э = 0. Базовое и коллекторное напряжение транзистора определяются равенствами:

u_б = u_б-э = V_б - V_э

u_к = u_к-э = V_к - V_э

Разомкнутому ключу соответствует  режим отсечки транзистора, при котором он заперт. Замкнутому ключу соответствует режим насыщения отпёртого транзистора. При переходе ключа из одного состояния в другое транзистор «пробегает» активную область характеристик, находясь в переходном активном режиме работы.

 

2. Стационарные состояния ключевой системы

 

Поведение ТК в стационарных состояниях полностью  определяется статическими характеристиками транзистора. Обычно используются семейство  выходных характеристик I_к = F_к (U_к) рисунок (а) и семейство входных характеристик                I_б = F_б(U_б) рисунок (б). Параметром 1–го семейства является ток базы I_б, параметром 2-го семейства – коллекторное напряжение U_к. В справочной литературе приводится

 

 

только две  ветви входных характеристик, соответствующие  = 0 и = -5В. Первая ветвь пересекает ось абсцисс при = 0, а вторая – при = < 0.

Вся область  статических характеристик (исключая показанную на рисунке (а) область лавинного  умножения) подразделяется на три локальные  области относительного постоянства  параметров транзистора, которым соответствуют  три режима работы транзистора: режим  отсечки, активный режим и режим  насыщения.

При любом  стационарном режиме работы схемы коллекторное напряжение и ток коллектора транзистора  связанны уравнением Кирхгофа:

= - + ∙ ;

Это линейное уравнение – уравнение нагрузочной  прямой . При задании тока базы = const на нагрузочной прямой фиксируется рабочая точка (например, точка при = 0,2 мА или точка при ≥ 0,5 мА), определяющая стационарные значения   и . В стационарных состояниях  ключевой схемы транзистор работает либо в режиме отсечки, либо в режиме насыщения.

Режим отсечки  имеет место при обратном смещении коллекторного и эмиттерного  переходов транзистора. На входных  характеристиках этому режиму запертого состояния соответствует область > 0; на выходных характеристиках область отсечки практически совпадает с самой нижней характеристикой семейства, называемой характеристикой отсечки. Характеристика отсечки снимается при разорванной цепи эмиттера ( = 0), когда ток коллектора = - . В область не очень близкой к области лавинного умножения, этот ток = , называемый начальным (обратным) током коллекторного перехода, почти не зависит от . Таким образом, если принять = const, то можно считать, что параметром характеристики отсечки является ток базы = - .

Режим отсечки  соответствует стационарному разомкнутому состоянию ТК, так как в этом режиме выходное сопротивление ТК имеет  наибольшую возможную величину.

Режим насыщения  имеет место при прямом смещении обоих переходов транзистора. Область  насыщения в плоскости входных  характеристик прилегает к ветви  с параметром = 0 (при < 0); в плоскости выходных характеристик она

 

сжата в очень  узкую область, в которой характеристики с разными значениями параметра  почти сливаются в одну прямую – линию насыщения OH; такая идеализация реальных характеристик применяется при технических расчётах. Каждой точке линии OH (например, точке ) соответствуют некоторые значения напряжения = и тока = , называемого током насыщения. Эти величины связаны линейным уравнением = ∙ – уравнение прямой OH.                   Здесь = – сопротивление насыщенного транзистора; оно определяется крутизной линии насыщения. Сопротивление весьма мало (например, у германиевого транзистора типа МП40 ≈ 5 Ом). Каждой точке линии насыщения соответствует также некоторое граничное значение тока базы = , при котором транзистор входит в насыщение. Так, в точке ток = 0,5 мА.

Пусть сопротивление  задано и положение нагрузочной прямой определено. Если постепенно повышать ток базы, то рабочая точка будет перемещаться вверх по нагрузочной прямой; соответственно будет возрастать ток и уменьшаться напряжение . При = рабочая точка достигнет точки , в которой ток = . При дальнейшем увеличении тока базы ( >> ) положение рабочей точки почти не меняется, так как все характеристики с параметром > практически проходят через точку . С возрастанием тока > повышается лишь степень насыщения транзистора, характеризуемая коэффициентом насыщения:

s = ≈ ≥ 1.

Активный  режим транзистора имеет место  при нормальном смещении его переходов (эмиттерный переход смещён в прямом направлении, а коллекторный – в  обратном). Активная область характеристик транзистора расположена между областями отсечки и насыщения. Нормальное смещение переходов транзистора ключевой схемы получается только в кратковременной переходной стадии работы ТК, когда он переходит из одного стационарного состояния в другое.

 

 

 

 

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9F%D0%BE%D0%BB%D1%83%D0%BF%D1%80%D0%BE%D0%B2%D0%BE%D0%B4%D0%BD%D0%B8%D0%BA

http://do.gendocs.ru/docs/index-51467.html?page=4

Фролкин В. Т., Попов Л. Н., Импульсные устройства, 3 изд., М., 1980

Ицхоки Я. С., Импульсные и  цифровые устройства, М., 1972

Хоровиц П., Хилл У., Искусство  схемотехники, М., 1998