что такое дифференциальное сопротивление p n перехода

Дифференциальное сопротивление p-n перехода

Анализ ВАХ p-n перехода позволяет рассматривать его как нелинейный эле­мент, сопротивление которого меняется в зависимости от величины и полярно­сти приложенного напряжения.

Дифференциальное сопротивление используется для анализа работы п/п прибора при малом переменном сигнале u(t) и постоянном смещении U₌

Рис. 5.6Переход полупроводник- полупроводник

Контакты между п/п и металлом широко используются в п/п технике. Это формирование внешних выводов и создание быстродействующих диодов.

Контакт металл-полупроводник получается вакуумным напылением пленки металла на очищенную поверхность полупроводника.

Различают выпрямляющие и омические переходы на контакте металла с полупроводником.

Омический контакт (переход) –невыпрямляющий контакт, сопротивление в прямом и обратном направлении подчиняется закону Ома

— работой выхода электронов из металла (А_м) и полупроводника (А_{n, p});

— знаком и плотностью поверх­ностного заряда на границе раздела;

— типом про­водимости полупроводника;

— концентрацией примесей в нем.

Переход металл-полупроводник. Переход Шоттки (Шотки)

Возникает при соединении металла с полупроводником p или n типа с разными степенями обогащения примесью и с разной работой выхода электронов A (полупроводник).

В зависимости от соотношении работ выхода А и типа п/п различают образование в п/п обедненного слоя носителями заряда и обогащенного.

Рис. 5.7Переход металл-n полупроводник,А_м

Если А_м + ”

Рис. 5.8Переход металл- p полупроводник,А_м А_n, то при образовании контакта часть электронов переходит из полупроводника в металл; в полупроводнике появляется обедненный слой (структура “М- n-n+ ”), содержащий положительный заряд ионов доноров, ПОТЕНЦИАЛЬНЫЙ БАРЬЕР….

В обе­дненном слое возникает электрическое поле, препятствую­щее диффузии электронов к контакту (т.е. наблюдаются процессы аналогичные, как в рассмотренном ранее p-n переходе).

Возникающий потенциальный барьер называется “барьером Шоттки”.

Рис. 5.9Образование потенциального барьера, переход М-n

Рассматриваемый переход обладает выпрямительным свойством.

Для п/п р– типа, чтобы переход обладал выпрямительным свойством, работа выхода электронов из металла должна быть меньше работы выходап/п.А_р>А_м см.р ис. 5.8

Барьер Шоттки (открыл нем. физик Вальтер Шоттки — Walter Schottky)

Последнее изменение этой страницы: 2017-03-15; Просмотров: 514; Нарушение авторского права страницы

Источник

Дифференциальное сопротивление p-n перехода

На прямой ветви eU >> kT

Дифференциальное сопротивление p-n перехода диода зависит от тока, который протекает. Чем больше ток, тем меньше сопротивление, и наоборот.

Если течет большой ток, то там большой уровень инжекции основных зарядов, и сопротивление соответственно маленькое, а если ток маленький, значит, и напряжение маленькое приложено к p-n переходу, это значит потенциальный барьер не снят и сопротивление току большое.

Реальная вольт – амперная характеристика отличается от идеальной.

Мы предположили, что диод состоит только из p-n перехода. Как правило концентрация примесей не симметрична: одна из областей сильно легирована, другая слабо. Та которая слабо легирована называется базой, та, которая сильно легирована называется эмиттером. На самом деле сопротивление может быть довольно значительным, и достигать десятки Ом.

Дата добавления: 2015-08-21 ; просмотров: 1857 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ

Источник

Дифференциальное сопротивление p-n перехода

17.02.2012

Флёров А.Н. курс “Физические основы микроэлектроники”

Для самостоятельного изучения

1. ВАХ полупроводникового диода. 2

1.1 ВАХ идеализированного р-п-перехода. 2

1.2 Прямая ветвь ВАХ.. 2

1.3 Обратная ветвь ВАХ.. 3

1.4. Пробой p-n перехода. 3

1.5 Дифференциальное сопротивление p-n перехода. 4

2. Выпрямительные диоды.. 5

4. Обозначение диодов. 9

5. Обозначение транзисторов. 10

6. Усилительные свойства транзистора. 11

7. Схемы включения транзистора. 13

8. Статические характеристики для схемы с ОЭ.. 16

8.1 Входная характеристика. 16

8.2 Выходная характеристика. 16

9. Системы малосигнальных параметров БТ. 17

10. Динамические характеристики БТ. 19

10.1 Выходная динамическая характеристика (для схемы ОЭ) 19

10.2 Входная динамическая характеристика. 21

11 Импульсный режим работы БТ (ключевой режим) 21

11.1. Запирание транзистора (режим отсечки) 22

11.2 Режим отпирания (насыщения) 23

11.3 Переходные процессы в схеме ключа. 23

ВАХ полупроводникового диода

Полупроводниковый диод — это полупроводниковый прибор с двумя вы­водами, содержащий один p-n-переход. Условное графическое обозначение (УГО) диода

Примечание: условные графические обозначения (УГО) элементов выполняются в соответствии с ЕСКД. Приборы полупроводниковые ГОСТ 2.730-73

Односторонняя проводимость p-n-перехода наглядно иллюстрируется его вольтамперной характеристикой (ВАХ), показывающей зависимость тока через p-n-переход от величины и поляр­ности приложенного напряжения.

ВАХ идеализированного р-п-перехода

— сопротивление частей кристалла примыкающих к переходу = 0;

— генерация и рекомбинация в запорном слое основных носителей отсутствует;

— ширина перехода имеет очень малую величину

Аналитическое выражение ВАХ идеализированного диода:

где Iо [мкА]- обратный ток насыщения p-n-перехода, определяемый физиче­скими свойствами полупроводникового материала или он еще называется тепловым обратным током;

U — напряжение, приложенное к р-n-переходу (диоду);

f _T — тепловой потенциал, равный, равный

26мВ,при комнатной температуре.

При комнатной температуре (Т = 293 К):

Прямая ветвь ВАХ

При и_пр > +0,05В à e 40 U >> 1 и

Ток через p-n-переход при увеличении U резко возрастает, см. рис. 1.1

Рис.1.1 Реальные ВАХ кремниевого и германиевого диодов

Обратная ветвь ВАХ

При этом наступает лавинный, туннельный и тепловой пробои (обратная ветвь ВАХ загибается вниз)

Превышение обратного напряжения величины U_{o6p max} приводит к резкому

увеличению обратного тока, т.е. происходит резкое уменьшение сопротивления p-n-перехода.

Это явление называется пробоем p-n-перехода,а соответствую­щее ему напряжение — напряжением пробоя.

Различают электрический и тепловой пробой.

Электрическийпробой. При движении через p-n-переход под дейст­вием электрического поля неосновныеносите­ли заряда приобретают достаточную энергию для ионизации атомов решетки. Пройдя через p-n-переход и двигаясь с большой скоростью внутри полупроводника,

электроны сталкива­ются с нейтральными атомами и ионизируют их.

В результате ударной ионизации появляются новые свободные электроны и дырки, которые в свою очередь, разго­няются полем и создают возрастающее количество носителей тока.

Этот процесс носит лавинообразный характер и приводит к значительному увеличе­нию обратного тока при постоянном обратном напряжении (лавинный пробой).

Если переход тонкий, то обратное напряжение на диоде создает напряженность поля достаточную для возникновения туннельного пробоя, когда валентные электроны “вырываются“ из атомов обедненной зоны перехода, при этом ток также резко возрастает.

Лавинный пробой(пробой Аваланчи) обычно развивается в достаточно широких p-n-переходах. Напряжение стабилизации > 5-6В.

В тонких р-n-переходах при большой напряженности электрического поля развивается туннельный пробой (пробой Зенера). Напряжение стабилизации > u, поэтому режим работы диода (рабочая точка на ВАХ) определяется U₌,

а дифференциальное сопротивление

Примерная зависимость сопротивления диода от полярности приложенного напряжения показана на рис.1.2

Рис.1.2 Зависимость сопротивления диода от полярности приложенного напряжения

При увеличении и_пр сопротивление p-n-перехода уменьшается.

С изменением полярности и величины U_обр сопротивление p-n-перехода резко увеличивает­ся.

Т.о., прямая (линейная) зависимость между напряжением и током (закон Ома) для p-n-перехода не соблюдается.

Нелинейные свойства p-n-перехода ле­жат в основе полупроводниковых приборов, использующихся для выпрямления переменного тока, ограничения амплитуд и т.д.

Выпрямительные диоды

Полупроводниковые диоды по эксплуатационной надежности и сроку службы значительно превосходят все остальные типы вентилей. Поэтому они наиболее широко используются в источниках питания. ВАХ диодов— основная характеристика полупроводниковых диодов.

Эквивалентная схема диода

Рис.2.1 Эквивалентная схема диода на средних частотах

f _{T /} I, где I –прямой ток;

Прямое напряжения диодов не превышает (1-2)В.

Прямое паде­ние напряжения у кремниевых диодов больше, чем у германиевых. Т.о., в выпрямительных устройствах низких напряжений выгоднее применять германиевые диоды.

Но кремниевые диоды имеют во много раз меньшие обратные токи при оди­наковом напряжении, чем германиевые.

Пример: выпрямитель на диоде

Работа полупроводникового выпрямительного диода основана на свойст­ве

p-n-перехода пропускать ток только в одном направлении. Простейшая (однополупериодная) схема выпрямителя на полупроводниковом диоде, рис.2.2:

Рис.2.2: Однополупериодная схема выпрямителя на полупроводниковом диоде

Трансформатор служит для преобразования напряжения, т.е. для получения заданного напряжения на выходе выпрямителя. В этой схеме ток через диод и нагрузку R_H протекает только в положительные полупе­риоды входного напряжения U_ex, и кривая напряжения на нагрузке будет состоять из положительных полуволн синусоиды (при отсутствии конденсатора С), рис.2.3. Установка конденсатора параллельно нагрузке R_H, приводит к сглаживанию пульсирующего напряжения на выходе выпрямителя (пунктирная линия). Чем больше постоянная времени t = R_HC, тем меньше уровень пульсаций выходного напряжения.

Рис.2.3 Напряжения на входе и выходе однополупериодного выпрямителя

Дата добавления: 2018-02-15 ; просмотров: 502998 ; Мы поможем в написании вашей работы!

Источник

Полевые транзисторы. For dummies

Введение

Полевыми транзисторами называют активные полупроводниковые приборы, обычно с тремя выводами, в которых выходным током управляют с помощью электрического поля. (electrono.ru)

Определение не только подтвердило наши предположения, но и продемонстрировало особенность полевых транзисторов — управление выходным током происходит посредством изменения приложенного электрического поля, т.е. напряжения. А вот у биполярных транзисторов, как мы помним, выходным током управляет входной ток базы.

Еще один факт о полевых транзисторах можно узнать, обратив внимание на их другое название — униполярные. Это значит, что в процессе протекания тока у них участвует только один вид носителей заряда (или электроны, или дырки).

Три контакта полевых транзисторов называются исток (источник носителей тока), затвор (управляющий электрод) и сток (электрод, куда стекают носители). Структура кажется простой и очень похожей на устройство биполярного транзистора. Но реализовать ее можно как минимум двумя способами. Поэтому различают полевые транзисторы с управляющим p-n переходом и с изолированным затвором.

Вообще, идея последних появилась еще в 20-х годах XX века, задолго до изобретения биполярных транзисторов. Но уровень технологии позволили реализовать ее лишь в 1960 году. В 50-х же был сначала теоретически описан, а затем получил воплощение полевой транзистор с управляющим p-n переходом. И, как и их биполярные «собратья», полевые транзисторы до сих пор играют в электронике огромную роль.

Перед тем, как перейти к рассказу о физике работы униполярных транзисторов, хочу напомнить ссылки, по которым можно освежить свои знания о p-n переходе: раз и два.

Полевой транзистор с управляющим p-n-переходом

Итак, как же устроен первый тип полевых транзисторов? В основе устройства лежит пластинка из полупроводника с проводимостью (например) p-типа. На противополжных концах она имеет электроды, подав напряжение на которые мы получим ток от истока к стоку. Сверху на этой пластинке есть область с противоположным типом проводимости, к которой подключен третий электрод — затвор. Естественно, что между затвором и p-областью под ним (каналом) возникает p-n переход. А поскольку n-слой значительно уже канала, то большая часть обедненной подвижными носителями заряда области перехода будет приходиться на p-слой. Соответственно, если мы подадим на переход напряжение обратного смещения, то, закрываясь, он значительно увеличит сопротивление канала и уменьшит ток между истоком и стоком. Таким образом, происходит регулирование выходного тока транзистора с помощью напряжения (электрического поля) затвора.

Можно провести следующую аналогию: p-n переход — это плотина, перекрывающая поток носителей заряда от истока к стоку. Увеличивая или уменьшая на нем обратное напряжение, мы открываем/закрываем на ней шлюзы, регулируя «подачу воды» (выходной ток).

Итак, в рабочем режиме полевого транзистора с управляющим p-n переходом напряжение на затворе должно быть либо нулевым (канал открыт полностью), либо обратным.
Если величина обратного напряжения станет настолько большой, что запирающий слой закроет канал, то транзистор перейдет в режим отсечки.

Даже при нулевом напряжении на затворе, между затвором и стоком существует обратное напряжение, равное напряжению исток-сток. Вот почему p-n переход имеет такую неровную форму, расширяясь к области стока.

Само собой разумеется, что можно сделать транзистор с каналом n-типа и затвором p-типа. Сущность его работы при этом не изменится.

Условные графические изображения полевых транзисторов приведены на рисунке (а — с каналом p-типа, б — с каналом n-типа). Стрелка здесь указывает направление от p-слоя к n-слою.

Статические характеристики полевого транзистора с управляющим p-n-переходом

Выходной (стоковой) называется зависимость тока стока от напряжения исток-сток при константном напряжении затвор-исток. На рисунке — график слева.

На графике можно четко выделить три зоны. Первая из них — зона резкого возрастания тока стока. Это так называемая «омическая» область. Канал «исток-сток» ведет себя как резистор, чье сопротивление управляется напряжением на затворе транзистора.

Вторая зона — область насыщения. Она имеет почти линейный вид. Здесь происходит перекрытие канала в области стока, которое увеличивается при дальнейшем росте напряжения исток-сток. Соответственно, растет и сопротивление канала, а стоковый ток меняется очень слабо (закон Ома, однако). Именно этот участок характеристики используют в усилительной технике, поскольку здесь наименьшие нелинейные искажения сигналов и оптимальные значения малосигнальных параметров, существенных для усиления. К таким параметрам относятся крутизна характеристики, внутреннее сопротивление и коэффициент усиления. Значения всех этих непонятных словосочетаний будут раскрыты ниже.

Третья зона графика — область пробоя, чье название говорит само за себя.

С правой стороны рисунка показан график еще одной важной зависимости — стоко-затворной характеристики. Она показывает то, как зависит ток стока от напряжения затвор-исток при постоянном напряжении между истоком и стоком. И именно ее крутизна является одним из основных параметров полевого транзистора.

Полевой транзистор с изолированным затвором

Такие транзисторы также часто называют МДП (металл-диэлектрик-полупроводник)- или МОП (металл-оксид-полупроводник)-транзисторами (англ. metall-oxide-semiconductor field effect transistor, MOSFET). У таких устройств затвор отделен от канала тонким слоем диэлектрика. Физической основой их работы является эффект изменения проводимости приповерхностного слоя полупроводника на границе с диэлектриком под воздействием поперечного электрического поля.
Устройство транзисторов такого вида следующее. Есть подложка из полупроводника с p-проводимостью, в которой сделаны две сильно легированные области с n-проводимостью (исток и сток). Между ними пролегает узкая приповерхностнаяя перемычка, проводимость которой также n-типа. Над ней на поверхности пластины имеется тонкий слой диэлектрика (чаще всего из диоксида кремния — отсюда, кстати, аббревиатура МОП). А уже на этом слое и расположен затвор — тонкая металлическая пленка. Сам кристалл обычно соединен с истоком, хотя бывает, что его подключают и отдельно.

Если при нулевом напряжении на затворе подать напряжение исток-сток, то по каналу между ними потечет ток. Почему не через кристалл? Потому что один из p-n переходов будет закрыт.

А теперь подадим на затвор отрицательное относительно истока напряжение. Возникшее поперечное электрическое поле «вытолкнет» электроны из канала в подложку. Соответственно, возрастет сопротивление канала и уменьшится текущий через него ток. Такой режим, при котором с возрастанием напряжения на затворе выходной ток падает, называют режимом обеднения.
Если же мы подадим на затвор напряжение, которое будет способствовать возникновению «помогающего» электронам поля «приходить» в канал из подложки, то транзистор будет работать в режиме обогащения. При этом сопротивление канала будет падать, а ток через него расти.

Рассмотренная выше конструкция транзистора с изолированным затвором похожа на конструкцию с управляющим p-n переходом тем, что даже при нулевом токе на затворе при ненулевом напряжении исток-сток между ними существует так называемый начальный ток стока. В обоих случаях это происходит из-за того, что канал для этого тока встроен в конструкцию транзистора. Т.е., строго говоря, только что мы рассматривали такой подтип МДП-транзисторов, как транзисторы с встроенным каналом.

Однако, есть еще одна разновидность полевых транзисторов с изолированным затвором — транзистор с индуцированным (инверсным) каналом. Из названия уже понятно его отличие от предыдущего — у него канал между сильнолегированными областями стока и истока появляется только при подаче на затвор напряжения определенной полярности.

Итак, мы подаем напряжение только на исток и сток. Ток между ними течь не будет, поскольку один из p-n переходов между ними и подложкой закрыт.
Подадим на затвор (прямое относительно истока) напряжение. Возникшее электрическое поле «потянет» электроны из сильнолегированных областей в подложку в направлении затвора. И по достижении напряжением на затворе определенного значения в приповерхностной зоне произойдет так называемая инверсия типа проводимости. Т.е. концентрация электронов превысит концентрацию дырок, и между стоком и истоком возникнет тонкий канал n-типа. Транзистор начнет проводить ток, тем сильнее, чем выше напряжение на затворе.
Из такой его конструкции понятно, что работать транзистор с индуцированным каналом может только находясь в режиме обогащения. Поэтому они часто встречаются в устройствах переключения.

Условные обозначения транзисторов с изолированным затвором следующие:

Здесь
а − со встроенным каналом n- типа;
б − со встроенным каналом р- типа;
в − с выводом от подложки;
г − с индуцированным каналом n- типа;
д − с индуцированным каналом р- типа;
е − с выводом от подложки.

Статические характеристики МДП-транзисторов

Те же характеристики для транзистора с идуцированным каналом:

Экзотические МДП-структуры

Чтобы не запутывать изложение, хочу просто посоветовать ссылки, по которым о них можно почитать. В первую очередь, это всеми любимая википедия, раздел «МДП-структуры специального назначения». А здесь теория и формулы: учебное пособие по твердотельной электронике, глава 6, подглавы 6.12-6.15. Почитайте, это интересно!

Общие параметры полевых транзисторов

Схемы включения

Как и биполярный, полевой транзистор можно рассматривать как четырехполюсник, у которого два из четырех контактов совпадают. Таким образом, можно выделить три вида схем включения: с общим истоком, с общим затвором и с общим стоком. По характеристикам они очень похожи на схемы с общим эмиттером, общей базой и общим коллектором для биполярных транзисторов.
Чаще всего применяется схема с общим истоком (а), как дающая большее усиление по току и мощности.
Схема с общим затвором (б) усиления тока почти не дает и имеет маленькое входное сопротивление. Из-за этого такая схема включения имеет ограниченное практическое применение.
Схему с общим стоком (в) также называют истоковым повторителем. Ее коэффициент усиления по напряжению близок к единице, входное сопротивление велико, а выходное мало.

Отличия полевых транзисторов от биполярных. Области применения

Где применяются полевые транзисторы? Да практически везде. Цифровые и аналоговые интегральные схемы, следящие и логические устройства, энергосберегающие схемы, флеш-память… Да что там, даже кварцевые часы и пульт управления телевизором работают на полевых транзисторах. Они повсюду, %хабраюзер%. Но теперь ты знаешь, как они работают!

Источник