Краткие сведенья из теории

Принцип действия большинства полупроводниковых приборов основан на явлениях, происходящих на границе двух полупроводников с различными видами проводимости: p-типа и n-типа.

Переход между двумя полупроводниками разного типа проводимости называется электронно-дырочным переходом или p-n переходом.

В полупроводниках p-типа концентрация дырок Р_р значительно выше концентрации электронов Р_n

Р_р >> Р_n,

а в полупроводниках n-типа концентрация электронов n_n значительно выше концентрации дырок n_р

n_n >> n_р

Введём в соприкосновение эти два полупроводника и рассмотрим процессы на границе их соприкосновения (рис.4.1)

Рисунок 4.1 – Образование электронно-дырочного перехода

Вследствие разности концентраций электронов и дырок в n и p областях будет происходить процесс выравнивания концентраций зарядов путём диффузии (проникновения) электронов из n-области в p-область, а дырок из
р-области в n-область.

В пограничном слое в р-области образуется объёмный отрицательный заряд электронов , а приграничном слое n-области – положительный заряд дырок . Наличие этих зарядов толщиной d, приводит к появлению между n- и р – областями контактной разности потенциалов и электрического поля . Контактная разность потенциалов создаёт потенциальный барьер, препятствующий дальнейшему переходу электронов из n-области в
р-область и переходу дырок из р-области в n-область. Величина равна десятым долям вольта, а толщина слоя зарядов и очень мала и лежит в пределах межатомных расстояний. Сопротивление приконтактной зоны очень велико, поэтому слой зарядов называют запирающим слоем, или электронно-дырочным переходом, или р- n-переходом.

Рассмотрим процессы в р-n переходе при подключении к нему внешнего источника напряжения .

Если подключено плюсом к р-области, а минусом к n-области (рис. 4.2,а), то электрическое поле , созданное внешним источником , скомпенсирует тормозящее действие запирающего поля , в результате чего суммарное электрическое поле в р-n-переходе будет иметь направление от р-области к n-области.

Рисунок 4.2 – Прямое включение р-n перехода

Такое включение р-n перехода называется прямым, а ток в цепи – прямым током . При прямом включении толщина d_п запорного слоя уменьшается по сравнению с толщиной d (рис.4.1), сопротивление р-n перехода при прямом включении становится малым и составляет десятые доли Ома до единиц Ом. Прямой ток тем больше, чем больше приложенное к р-n переходу прямое напряжение (рис. 4.2,б). Зависимость на рис. 4.2,б является вольтамперной характеристикой р-n перехода при прямом включении.

Если источник внешнего напряжения подключено плюсом к
n-области, а минусом к р-области (рис. 4.3,а), то электрическое поле , созданное внешним источником , совпадать по направлению с тормозящим полем р-n перехода, увеличивая суммарное электрическое поле в
р-n переходе .

Рисунок 4.3 – Обратное включение р-n- перехода

Запирающий слой d_обр расширяется, потенциальный барьер увеличивается на величину . Переход основных носителей через переход затрудняется. Сопротивление р-n перехода при обратном включении велико и через него протекает малый обратный ток (участок 0-1 на рис. 4.3,б), обусловленный неосновными носителями.

При увеличении обратного напряжения до некоторого значения обратный ток резко возрастает (участок 1-2 на рис. 4.3,б). Лавинообразный процесс увеличения тока , начавшийся в точке 1, приводит на участке 1-2 к пробою р-n перехода.

Обратное напряжение, при котором происходит пробой, называется обратным напряжением пробоя . Для различных р-n переходов величина его лежит в пределах единицы ‑ сотни вольт. Обратное сопротивление составляет на участке 0-1 от десятков ‑ сотен кОм до 1 МОм. Пробой может быть тепловым или электрическим. При тепловом пробое кристалл с р-n переходом разрушается, а при электрическом пробое, не перешедшем в тепловой, кристалл не разрушается, свойства р-n перехода обратимы и при снятии обратного напряжения восстанавливаются.

Электронно-дырочный переход обладает емкостными свойствами. Ёмкость р-n перехода складывается из барьерной и диффузионной :

Диффузионная ёмкость проявляется при прямом подключении
р-n перехода. Её величина зависит от величины прямого напряжения , она обусловлена изменением зарядов слева и справа от р-n перехода в результате протекания диффузионного тока через него. Значение диффузионной ёмкости во много раз больше значения барьерной ёмкости и может быть до нескольких тысяч пикофарад.

Барьерная ёмкость проявляется при обратном включении
р-n перехода. Во всех электронных схемах практическое значение имеет именно . Величина барьерной ёмкости зависит от ширины и площади
р-n перехода. Поэтому переход можно условно рассматривать как плоскопараллельный конденсатор. С ростом обратного напряжения ширина
р-n перехода увеличивается, поэтому барьерная ёмкость уменьшается (рис. 4.4).

Рисунок 4.4 – Зависимость барьерной ёмкости от обратного напряжения.

Из рассмотренных свойств р-n перехода можно сделать главный вывод: он обладает односторонней проводимостью электрического тока и вентильными свойствами. Это свойство р-n перехода легло в основу создания полупроводникового диода.

Полупроводниковым диодом называется полупроводниковый прибор с одним р-n переходом и двумя выводами. По конструкции диоды подразделяются на точечные и плоскостные.

Точечный диод представляет собой контакт пластинки полупроводника с металлической иглой. Из-за малой площади контакта прямой ток и барьерная ёмкость таких диодов малы, поэтому они применяются на высоких частотах.

Плоский диод представляет пластинку полупроводника n-типа, с одной стороны которой вплавляется капля трёхвалентного индия. Атомы индия диффундируют в пластинку и образуют у её поверхности р-область. Между областями р- и n-типов образуется р-n переход. Вывод от индия является анодом, а вывод от пластин катодом (рис. 4.5).

Рисунок 4.5 – Условное графическое обозначение диода.

Одним из достоинств Elecrtronics Workbench является возможность смоделировать ситуации, возникающие при самых различных уровнях приборной оснащенности исследователя, и освоить методики измерения, соответствующие этим уровням. Рассмотрим эти ситуации на примере измерения вольтамперной характеристики полупроводникового диода. Начинающий радиолюбитель может иметь всего лишь один универсальный прибор - мультиметр (который мы привыкли называть тестером), но и в этом случае можно снять вольтамперную характеристику (ВАХ) диода или любого другого нелинейного двухполюсника. Проще всего в этом случае измерять напряжение на диоде в схеме рис. 4.6, подсоединяя к диоду через резистор источники напряжения различной величины. Ток диода при этом можно вычислять из выражения:

І_пр = (Е ‑ U_пр)/R, (4.1)

где І_пр ‑ ток диода в прямом направлении,

Е ‑ напряжение источника питания,

U_пр ‑ напряжение на диоде в прямом направлении.

Изменив полярность включения диода в той же схеме рис. 4.7, можно снять ВАХ диода по той же методике и в обратном направлении

= (Е ‑ U_обр)/R, (4.2)

где ‑ ток диода в обратном направлении,

U_обр ‑ напряжение на диоде в обратном направлении.

Рисунок 4.6 – Схема для измерения напряжения на диоде

Рисунок 4.7 – Схема для измерения тока через диод

Точность при таких измерениях невысокая из-за разброса сопротивлений у резисторов одного номинала. И если необходимо получить более точную характеристику, используя только один мультиметр, необходимо сначала измерить напряжение в схеме рис. 4.6, а затем ток в схеме рис. 4.7. При этом можно пользоваться по-прежнему только мультиметром, подключая его то, как вольтметр, то, как амперметр. Гораздо быстрее можно выполнить эту работу, если у Вас имеется и вольтметр и амперметр. Тогда, включив их по схеме рис. 4.8, можно сразу видеть ток и напряжение на табло этих приборов.

Рисунок 4.8 – Схема для снятия ВАХ диода с помощью амперметра и вольтметра.

Вольтамперная характеристика (ВАХ) может быть получена путем измерения напряжений на диоде при протекании различных токов за счет изменения напряжения источника питания Vs. И наконец, наиболее быстро и удобно можно исследовать ВАХ, непосредственно наблюдая ее на экране осциллографа (рис. 4.9).

При таком подключении координата точки по горизонтальной оси осциллографа будет пропорциональна напряжению, а по вертикальной ‑ току через диод. Поскольку напряжение в вольтах на резисторе R2 = 1 Ом численно равно току через диод в амперах (I = U/R = U/1 = U), по вертикальной оси можно непосредственно считывать значения тока. Если на осциллографе выбран режим В/А, то величина, пропорциональная току через диод (канал В), будет откладываться по вертикальной оси, а напряжение (канал А) ‑ по горизонтальной. Это и позволит получить вольтамперную характеристику непосредственно на экране осциллографа.

При получении ВАХ диода с помощью осциллографа на канал А вместо точного напряжения на диоде подается сумма напряжения диода и напряжения на резисторе 1 Ом. Ошибка из-за этого будет мала, так как падение напряжения на резисторе будет значительно меньше, чем напряжение на диоде.

Рисунок 4 9 – Схема для снятия ВАХ диода с помощью осциллографа

Для более точного измерения напряжения можно измерять ток с помощью датчика тока. Из-за нелинейности диода его нельзя характеризовать величиной сопротивления, как линейный резистор. Отношение напряжения на диоде к току через него U/I, называемое статическим сопротивлением, зависит от величины тока. В ряде применений на существенную постоянную составляющую тока диода накладывается небольшая переменная составляющая (обычно при этом говорят, что элемент работает в режиме малых сигналов). В этом случае интерес представляет дифференциальное (или динамическое) сопротивление dU/dI. Величина динамического сопротивления зависит от постоянной составляющей тока диода, определяющей рабочую точку на характеристике.