Содержание и методика изучения темы "Электрический ток в полупроводниках" в современной школе
Дипломная работа - Педагогика
Другие дипломы по предмету Педагогика
?ия. Налицо односторонняя проводимость p-n перехода. Отрицательные напряжения на переходе вызывают очень малый дрейфовый ток, в то время как положительные напряжения - сильный диффузионный ток.
Если заменить в формулах (1.4, 1.5) контактное напряжение -U0. на сумму контактного и внешнего (U0- U), легко определится влияние внешнего напряжения на толщину перехода и его электроемкость.
, (1.7)
В случае отрицательного внешнего напряжения оно, суммируясь с контактным, может в широких пределах изменять толщину перехода и его электроемкость. Ниже мы увидим, что данные эффекты имеют практическое использования для управления электропроводностью и получения конденсаторов с регулируемой емкостью.
Пробой p-n-перехода - это явление резкого увеличения обратного тока перехода при увеличении обратного (отрицательного) напряжения на нем. Формула Шокли не отражает явления пробоя. Она справедлива только при небольших величинах обратного напряжения. График реальной ВАХ p-n-перехода показан на рис.1.3. Если обратное напряжение приближается к величине пробивного напряжения (Uпр) обратный ток диода, который при небольших напряжениях, практически, незаметен, начинает резко возрастать. Причиной этого являются два механизма, получившие названия туннельный пробой и лавинный пробой.
Туннельный пробой характерен для тонких переходов, у которых вследствие больших концентраций донорной и акцепторной примесей толщина перехода w мала. Поскольку суммарное напряжение (U0-U) приложено к тонкой области объемного заряда, напряженность электрического поля Е=(U0- U)/w оказывается весьма большой и вызывает туннельное проскакивание свободных носителей заряда через эту область. В результате возникает большой обратный ток. Подбирая концентрации примесей Na, Nд, можно получать нужные значения пробивного напряжения в диапазоне от нуля (рис.1.4а) до нескольких вольт (рис.1.3). При очень высоких концентрациях примесей можно даже получить положительные значения пробивного напряжения. В этом случае ВАХ перехода, показанная на рис.1.4б, приобретает участок с отрицательным дифференциальным сопротивлением.
Механизм лавинного пробоя p-n-перехода характерен для толстых переходов и позволяет получить большие величины Uпр - десятки и даже сотни вольт. Лавинный переход состоит из слабо легированных областей. Свободные носители, ускоряясь в области объемного заряда под действием поля (U0- U) могут приобрести энергию, достаточную для освобождения электронов из атомов кристаллической решетки. Порожденные таким образом пары электрон-дырка также разгоняются полем (U0- U) и могут вызвать следующую генерацию свободных носителей и т.д. Размножение свободных носителей в области объемного заряда происходит лавинообразно, что приводит к резкому увеличению обратного тока.
1.2.3 Полупроводниковые диоды
Диод - это электронный прибор с двумя электродами. Большинство полупроводниковых диодов содержат внутри кристалл полупроводника с p-n-переходом. Рассмотрим особенности некоторых из них.
Вентильные (выпрямительные) диоды предназначены для преобразования переменного напряжения (тока) в постоянное напряжение (ток). Для выпрямительных диодов основное свойство - односторонняя проводимость p-n-перехода. Будучи, включен в цепь переменного напряжения, диод пропускает ток в нагрузку только в одном направлении (выпрямляет график временной зависимости тока). С помощью дополнительных реактивных элементов удается однонаправленный пульсирующий ток превратить в почти постоянный. Конструктивно одиночные диоды представляют собой пластиковый корпус с выводами, внутри которого находится полупроводниковый кристалл. На рис.1.5 показан один из видов корпусных выпрямительных диодов и условное обозначение таких диодов на электрических схемах. Обозначение содержит треугольную стрелку, показывающую направления пропускания тока диодом.
Стабилитроны и стабисторы - это полупроводниковые диоды, предназначенные для стабилизации постоянного напряжения. Как видно из рис.1.3, графики ВАХ на прямой ветви и на обратной ветви при пробое идут почти вертикально. Это означает, что напряжение на диоде, включенном в направлении пропускания тока, или включенном в противоположном направлении и работающем в режиме пробоя, изменяется незначительно, в то время как ток может изменяться в широких пределах. Стабилитронами называются диоды, работающие на обратной ветви ВАХ в режиме пробоя, а стабисторами - работающие на прямой ветви. На рис.1.6. приведены схемы простейших стабилизаторов на основе стабилитрона (а) и стабистора (б). Нестабильное, но достаточно большое напряжение Uпит подается через гасящий резистор R на параллельно включенные диод и потребитель стабилизированного напряжения - Rн. Если выполняется условие UпитRн/(R+Rн)>Uстаб, то напряжение на Rн будет оставаться близким к Uстаб, даже если Uпит сильно изменяется.
Стабилитроны на небольшие напряжения (до 5 -6 В) используют главным образом туннельный пробой и называются диодами Зенера (даже на схемах обозначаются буквой Z). Стабилитроны на напряжения от 5 до 12 - 14В используют как туннельный, так и лавинный пробой. Их по-прежнему можно называть диодами Зенера. Однако стабилитроны на напряжения, большие 15В действуют только на основе лавинного пробоя. Тем не менее, их ошибочно по инерции иногда называют Зенеровскими.
Варикапы - это диоды, использующиеся в качестве конденсатор