Импульсные свойства диодов. Пояснить на характеристиках и объяснить, какими физическими явлениями эти свойства обусловлены.

Полупроводниковые материалы. Структура, связь атомов в кристаллической решеткою. Образование носителей заряда в собственных и примесных полупроводниках.

Полупроводниками являются, как правило, твердые тела срегулярной кристаллической структурой (монокристаллы). Их кристаллическая решетка состоит из множества повторяющихся и примыкающих друг к другу элементарных ячеек.

Разновидности кубической решетки:

-простая кубическая решетка

-кубическая объемо-центрированная решетка

-кубическая гранецентрированная решетка

-решетка типа алмаз

Контактные явления. Классификация. Электронно-дырочный переход. Образование, принцип работы р-п перехода в равновесном и неравновесном состояниях. Вольт-амперные характеристики. Эффект электрического поля.

Переходы между двумя областями полупроводника с различным типом электропроводности называют электронно-дырочными или р-n-переходами..

Анализ равновесного р-n-перехода

Высота равновесного потенциального барьера определяется разностью электростатических потенциалов в р- и n- Dj_o = j _Ep – j _En .

Dj_o = j_Т ln (n_n_о р_р_o / n_i²)

равновесная высота потенциального барьера определяется отношением концентраций однотипных носителей (электронов или дырок) по обе стороны перехода, на его границах:

Dj_o = j_Т ln (n_n_о / n_р_o );Dj_o = j_Т ln (p_p_о / p_no )ширина потенциального барьера в несимметричном переходе:

l_o = Ö(2e_oeDj_o) / (qN) ,

ширина равновесного плавного перехода в следующем виде:l_o = ³Ö(9e_oeDj_o) / (qN'), где N' — градиент эффективной концентрации. Поскольку градиент одинаков в обеих частях перехода, то и ширина l_o делится поровну между n- и р-слоями, т. е. плавный переход симметричен.

Анализ неравновесного р-n-перехода

Если подключить источник ЭДС U между р- и n-слоями, то равновесие перехода нарушится и в цепи потечет ток. Удельное сопротивление обедненного слоя намного выше, чем удельные сопротивления нейтральных слоев, поэтому внешнее напряжение практически полностью падает на переходе, а значит, изменение высоты потенциального барьера равно значению приложенной ЭДС.

Когда ЭДС U приложена плюсом к р-слою, высота барьера уменьшается

Dj = Dj_о – U.

Напряжение такой полярности является прямым. При отрицательном потенциале на p-слое высота барьера увеличивается и знак минус следует изменить на плюс.

ширину неравновесного барьера в виде

l = Ö(2e_oe(Dj_o – U)) / (qN).

Полупроводниковые диоды. Классификация. Выпрямительный полупроводниковый диод, стабилитрон, светодиод, фотодиод, диод Шоттки. Принципы работы, характеристики, параметры, области применения диодов.

Полупроводниковым диодом называют полупроводниковый прибор с одним электрическим р-n-переходом и двумя выводами. Полупроводниковые диоды используют свойство односторонней проводимости p-n перехода — контакта между полупроводниками с разным типом примесной проводимости, либо между полупроводником и металлом. В зависимости от технологических процессов, использованных при их изготовлении, различают точечные диоды, сплавные и микросплавные, с диффузионной базой, эпитаксиальные и др. По функциональному назначению диоды делят на выпрямительные, универсальные, импульсные, переключающие, умножительные, стабилитроны (опорные), туннельные, параметрические, фотодиоды, светодиоды, магнитодиоды, и т. д.

Большинство полупроводниковых диодов выполняют на основе несимметричных р-n-переходов. Низкоомную область диодов называют эмиттером, а высокоомную – базой. Для создания переходов с вентильными свойствами используют р-n-, р-i, n-i-переходы, а также переходы металл – полупроводник.

Выпрямительные диоды предназначены для преобразования переменного тока в постоянный.

Импульсные диоды имеют малую длительность переходных процессов и предназначены для работы в импульсных цепях. От выпрямительных диодов они отличаются малыми емкостями р-n-перехода (доли пикофарад) и рядом параметров, определяющих переходные характеристики диода.

Диод Шоттки - полупроводниковый диод с малым падением напряжения при прямом включении.

Светодиод - полупроводниковый прибор с электронно-дырочным переходом, создающий оптическое излучение при пропускании через него электрического тока. Излучаемый свет лежит в узком диапазоне спектра. Его спектральные характеристики зависят во многом от химического состава использованных в нём полупроводников.

Фотодиод- приёмник оптического излучения^[1], который преобразует попавший на его фоточувствительную область свет в электрический заряд за счёт процессов в p-n-переходе.

Принцип работы:

При воздействии квантов излучения в базе происходит генерация свободных носителей, которые устремляются к границе p-n-перехода. Ширина базы (n-область) делается такой, чтобы дырки не успевали рекомбинировать до перехода в p-область. Ток фотодиода определяется током неосновных носителей — дрейфовым током. Быстродействие фотодиода определяется скоростью разделения носителей полем p-n-перехода и ёмкостью p-n-перехода C_p-n

Фотодиод может работать в двух режимах:

· фотогальванический — без внешнего напряжения

· фотодиодный — с внешним обратным напряжением

Стабилитрон – полупроводниковый диод, предназначенный для стабилизации напряжения.

Варикап – нелинейный управляемый конденсатор. В полупроводниковых диодах зависимость барьерной емкости от напряжения нелинейна , поэтому любой полупроводниковый прибор с р-n-переходом, в принципе, может быть использован как конденсатор с емкостью, управляемой напряжением.

В туннельных диодах носители заряда проходят сквозь потенциальный барьер за счет туннельного эффекта.

Импульсные свойства диодов. Пояснить на характеристиках и объяснить, какими физическими явлениями эти свойства обусловлены.

Импульсные диоды имеют малую длительность переходных процессов и предназначены для работы в импульсных цепях. От выпрямительных диодов они отличаются малыми емкостями р-n-перехода и рядом параметров, определяющих переходные характеристики диода. Уменьшение емкостей достигается за счет уменьшения площади р-n-перехода, поэтому допустимые мощности рассеяния у них невелики (30–40 мВт).

Основные параметры импульсных диодов:

● общая емкость диода С_д, (доли пФ – несколько пФ);

● максимальное импульсное прямое напряжение Uпр и мах;

● максимально допустимый импульсный ток I_пр и мах;

● время установки прямого напряжения диода t_уст

● время восстановления обратного сопротивления диода t_вос

Наличие времени восстановления обусловлено зарядом, накопленным в базе диода при инжекции. Для запирания диода этот заряд должен быть «ликвидирован». Это происходит за счет рекомбинаций и обратного перехода не основных носителей заряда в эмиттер.

В быстродействующих импульсных цепях широко используют диоды Шоттки (ДШ), в которых переход выполнен на основе контакта металл – полупроводник. Структура ДШ показана на рис. 3.2 е. У этих диодов не затрачивается время на накопление и рассасывание зарядов в базе. В ДШ токопрохождение осуществляется основными носителями заряда и не приводит к появлению процессов инжекции не основных носителей с последующим рассасыванием их при переключении напряжения с прямого на обратное.

Кроме того, их быстродействие зависит только от скорости процесса перезарядки барьерной емкости. Вольтамперная характеристика ДШ напоминает характеристику диодов на основе р-n-переходов. Отличие состоит в том, что прямая ветвь в пределах 8–10 декад (декада – изменение значения в 10 раз) приложенного напряжения представляет почти идеальную экспоненциальную кривую, а обратные токи малы (доли – десятки нА).

отличительными особенностями ДШ являются: высокое быстродействие, малое падение напряжения при прямом смещении (0,3–0,4 В), высокий КПД выпрямления и широкие возможности использования в качестве дополнительных элементов в конструкциях различных транзисторов и других полупроводниковых приборов с целью расширения функциональных возможностей. Диоды Шоттки применяют также в выпрямителях больших токов и в логарифмирующих устройствах.

Биполярные транзисторы. Структура, принцип действия, режимы работы транзистора, схемы включения транзистора. Интегральный многоэмиттерный биполярный транзистор. Структура, принцип действия, применение. Биполярные транзисторы в ключевых и аналоговых схемах.

БТ называют полупроводниковые приборы с двумя или несколькими взаимодействующими электрическими p-n переходами и тремя или более выводами. Их усилительные свойства обусловлены явлениями инжекции и экстракции не основных носителей заряда: инжекция из Э в Б, экстракция из Б в К.

Рисунок стр. 133

Принцип работы биполярного транзистора основан на изменении сопротивления обратно смещенного p-n перехода за счет инжекции носителей заряда.

Режимы работы

Независимо от схемы включения транзисторы могут работать в одном из четырёх, отличающихся полярностью напряжения на ЭБ и БК переходе:

1)Нормальный активный режим - Э-переход включен в прямом направлении, К-переход в обратном направлении

2)Режим насыщения – Э- и К-переходы включены в прямом направлении

3)Режим отсечки - Э- и К-переходы включены в обратном направлении

4)Инверсный активный режим - Э-переход включен в обратном направлении, К-переход включен в прямом направлении.

Режимы работ	Сост pn
ЭБ	КБ
Норм актив	+	-
насыщения	+	+
отсечки	-	-
инверсный	-	+

Схемы включения

(1) схема с общей базой	(2) схема с общим эмиттером	(3) схема с общим коллектором
Э К Б	Б К Э	Б К Э

Основным параметром биполярного транзистора является коэффициент передачи эмиттерного тока:

близок к 1. Определяется 2-мя параметрами , где коэффициент инжекции, В-коэффициент переноса.