Электронные приборы

W<W_ф

F_кв(W)--1

W>W_ф

F_кв(W)--0

W=W_ф

F_кв(W)--0,5

С точки зрения физической энергия Ферми - это наивысшая энергия частицы, которую она может принимать в некоторой системе при Т=0.

С точки зрения статистики функция F_кв(W) - это вероятность замещения частицами состояния. Если энергия частицы меньше энергии Ферми, то вероятность будет равна 1. Вероятность замещения состояния с энергией, большей энергии уровня Ферми, равна 0.

Уровень Ферми - энергетическое состояние частицы, вероятность замещения которого равна 0,5.

Расположение уровня Ферми в п/п

В собственном п/п уровень Ферми располагается посреди запрещенной зоны. Кривая распределения (F_кв(W)) всегда симметрична относительно уровня Ферми. Положение уровня Ферми и значение функции F_кв(W) зависит от концентрации носителей и от температуры.

При Т=0 функция Ферми имеет ступенчатый характер. Вероятность занятия электронами уровней в зоне проводимости равна 0, а в валентной зоне эта же вероятность равна 1.

При Т>0 появляется небольшая вероятность занятия электронами уровней в зоне проводимости, а вероятности занятия уровней в валентной зоне соответственно уменьшается на такую же величину. Из формулы Ферми видно, что при температуре, большей 0, уровень Ферми - это такой уровень, формальная вероятность занятия которого электронами равна 0,5. Формальная потому, что уровень Ферми находится в запрещённой зоне и не может быть занят электронами.

Реальный смысл имеют те участки, которые расположены в зоне проводимости и валентной зоне.

Вышеприведённые процессы (при Т>0) возможны при симметричном размещении кривой F_кв(W), только тогда, когда уровень Ферми находится посередине запрещённой зоны.

Примесные п/п

Добавлением 5-валентной примеси получается п/п с электронной проводимостью - n-типа. Добавлением 3-валентной примеси - п/п с дырочной проводимостью - p-типа.

Предположим, в решётке кремния вместо атома кремния оказался 5-валентный атом фосфора с 5 электронами на внешней оболочке. 4 электрона образуют ковалентные связи, а 5-ый оказывается лишним.

Этот пятый электрон под действием тепловой энергии легко отрывается от атома и становится свободным электроном, а атом фосфора становится неподвижным положительным ионом.

В примесных п/п, как и в собственных, будут создаваться свободные электроны за счёт разрыва ковалентной связи. Но свободных электронов будет всегда больше, чем дырок.

Полученный п/п имеет больше свободных электронов, чем дырок. Электрическая нейтральность кристалла не нарушается. П/п называются п/п n-типа, что означает, что основными носителями заряда являются электроны.

5-валентные атомы примесей называются донорами.

Если добавить к чистому п/п 3-валентную примесь, то получим п/п p-типа, называемый так потому, что в нём число дырок больше числа свободных электронов. Атом примеси имеет 3 электрона на внешней оболочке. Эти электроны образуют ковалентные связи с тремя соседними атомами кремния. Для образования четвёртой связи у него недостаёт одного электрона. Под действием тепловой энергии сюда может перейти валентный электрон с соседнего атома кремния. Энергия связи атома примеси с перешедшим электроном сильнее, чем энергия ковалентной связи. Поэтому в соседнем атоме п/п образуется дырка, а атом примеси становится неподвижным отрицательным ионом. Кристалл в целом остаётся нейтральным.

Примеси, с помощью которых получается дырочная проводимость, называются акцепторными. Основные носители заряда - дырки, неосновные - электроны.

Для большинства электрических приборов концентрация примесей находится в пределах 10¹⁵-10¹⁷ ат/см³, но для некоторых п/п приборов концентрация примесей может достигать 10²¹ ат/см³.

Рассмотрим энергетические диаграммы примесных п/п

На этих диаграммах показаны функции распределения и уровни Ферми.

В n-п/п для того, чтобы пятый валентный электрон донорной примеси, не создавая ковалентных связей, смог оторваться от донора и стать свободным, ему необходимо сообщить дополнительную энергию около 0,01 эВ.

С точки зрения зонной теории это означает, что данные электроны атома донора должны располагаться на энергетическом уровне W_д, расположенном в запрещённой зоне на 0,01 эВ ниже дна зоны проводимости. Наличие электронов на донорном уровне увеличивает вероятность перехода электронов в зону проводимости. Повышение этой вероятности на диаграмме отображено смещением функции F_кв(W).

Т.к. F_кв(W) всегда симметрична относительно W_ф , то и уровень Ферми смещается вверх.

Уменьшение концентрации дырок объясняется тем, что при большом числе свободных электронов усиливаются процессы рекомбинации.

В p-п/п появляется акцепторный уровень в запрещённой зоне вблизи потолка валентной зоны. Чтобы валентный электрон атома кремния разорвал ковалентную связь и смог перейти на орбиту ковалентной связи акцепторного атома, требуется всего лишь 0,01 эВ. При комнатной температуре таких переходов будет столько, сколько акцепторной примеси в п/п. При этом снижается вероятность занятия электронами уровней в валентной зоне, а вероятность появления дырок в этой зоне увеличивается. Наличие большого числа дырок приводит к усилению рекомбинации, и это снижает вероятность нахождения электронов на уровнях зоны проводимости.

На зонной диаграмме это отражается соответствующим смещением вниз кривой F_кв(W) и уровня Ферми.

Установлено, что во сколько раз возрастает концентрация носителей одного знака, во столько раз уменьшается концентрация носителей другого знака. Поэтому произведение концентраций носителей противоположных зарядов для данного п/п при заданной температуре будет величиной постоянной.

Nn*Pn=Ni*Pi=N_i²

Pp*Np=Ni*Pi=P_i²

В собственном п/п, металле, примесном п/п при приложении э.п. возникает ток, который принято называть дрейфовым током. При внедрении примесей в п/п возможна такая ситуация, когда в одной части п/п одноименных носителей заряда будет больше, чем в другой части. В этом случае возникает перемещение носителей заряда в направлении понижения их концентрации, т.е. диффузия. Такое перемещение зарядов образует ток диффузии, который прямо пропорционален градиенту концентрации:

Grad N = dN/dX

Где dN - изменение концентрации носителей заряда данного знака;

dX - расстояние, на котором происходит это изменение.

Плотность тока диффузии, образованного перемещением электронов (дырок) в п/п, определяется следующим выражением:

J_{диф n} = qD_N gradN = qD_N

D_N - коэффициент диффузии электронов

_T - температурный потенциал (при комнатной температуре - 25мВ)

Электронно-дырочный переход

Р-n - переходы образуются при контакте двух п/п с различной проводимостью. P-n - переходы могут создаваться либо сплавлением двух кристаллов одного и того же типа с различной проводимостью(диффузия), либо путём введения с поверхности акцепторных или донорных примесей (ионоипмлантация).

Данными способами осуществляется идеальный контакт двух п/п с различной проводимостью, но с одинаковой по величине запрещёнными зонами.

P-n - переходы бывают:

Симметричные (концентрация носителей в p- и n-областях одинакова);

Несимметричные (разная концентрация носителей в этих областях)

Могут быть р-n - переходы, у которых имеется градиент концентрации носителей.

Симметричные переходы могут быть:

Резкими (переходная область невелика);

Сплавными (переходная область значительно больше);

P-p⁺ и n-n⁺ (переход образован п/п одного типа, но с разными концентрациями примесей);

P-i и n-i - переходы (образованы примесным и собственным п/п);

P-i-n;

Переходы, образованные при контакте металла с п/п.

Физические процессы в симметричном р-n - переходе

Симметричность перехода обусловлена равенством концентраций основных и неосновных носителей в обоих п/п, создающих р-n - переход.

Nn=Pp - основные носители

Pn=Np - неосновные носители.

При соприкосновении п/п p- и n- типов градиенты концентрации электронов и дырок на границе будут отличны от 0.

dN/dX>0

dP/dX<0

Существование градиента плотности частиц будет вызывать диффузионный поток в сторону меньшей концентрации. Это движение не связано с взаимным отталкиванием одноименно заряженных частиц или взаимным притяжением электронов и дырок. Причиной движения частиц является только различная их концентрация по обе стороны от границы.

В результате ухода электронов в полупроводнике n-типа возникает область повышенной концентрации положительных неподвижных зарядов, поскольку вблизи границы остаются ионы. Это область, обеднённая электронами.

В полупроводнике p-типа в результате ухода дырок возникает область повышенной концентрации отрицательных зарядов, т.е. область, обеднённая дырками.

Двойной слой электрических зарядов по обе стороны границы разделения создаётся за счёт разности потенциалов _К и Е_К.

Таким образом, в приконтактной области р-n - перехода образуется слой, обедненный основными носителями и имеющий пониженную электропроводность. Он называется запирающим.

Вектор Е_К направлен так, что препятствует диффузионному движению основных носителей.

Поле Е_К ускоряет неосновные носители. Под его влиянием дырки легко перемещаются из n-п/п в p-п/п, а электроны - в обратном направлении.

Движение неосновных носителей образует дрейфовый ток, направленный навстречу диффузионному току.

Возникновение и развитие поля Е_К, а вместе с ним и дрейфового тока будет происходить, пока не установится динамическое равновесие.

Условия равновесия

При равновесии поле Е_К достигает такой величины, что уменьшившийся диффузионный ток оказывается полностью скомпенсированным встречным дрейфовым током.

В условиях динамического равновесия уровень Ферми системы п/п p- и n-типа должен быть единым. За границей запирающего слоя показаны неискажённые энергетические диаграммы. В пределах этой зоны произошло относительное смещение границ энергетических зон за счёт образованных ранее потенциалов на величину _ke = e_0P-_0N.

J_d+j_D=0

И диффузионный, и дрейфовый ток состоит из двух токов: обусловленным движением электронов и обусловленным движением дырок. Хотя движение электронов и дырок протекает в противоположных направлениях, токи, обусловленные этим перемещением, текут в одном направлении.

Направление суммарного дрейфового тока противоположно направлению суммарного диффузионного тока.

Условие равновесия:

Изменение концентрации зарядов в р-n - переходе

Для определения закона изменения концентрации электронов и дырок в запирающем слое рассмотрим уравнение условия равновесия для дырочного тока.

После преобразований получим:

P-n - переход при приложении прямого напряжения

При подключении к p-n - переходу внешнего напряжения оно будет всё падать на запирающем слое 2L, поскольку сопротивление этого слоя значительно больше, чем сопротивление объёмов п/п p- и n-типа.

За счёт внешнего напряжения уменьшается потенциальный барьер - . Равновесие нарушается и возникает диффузионное движение основных носителей. Вследствие диффузии концентрация этих частиц у границ запирающего слоя увеличивается.

Определим величины концентрации P_nu и N_pu. Для определения используется условие равновесия для дырочного тока. Концентрация избыточных электронов определяется из условия равновесия электронного тока.

Проведя преобразования, получим:

Следовательно, концентрация диффундировавших в n-п/п дырок, а в р-п/п электронов растёт на границе запирающего слоя экспоненциально с увеличением напряжения. В плоскости L образуется избыточная по сравнению с остальным объёмом n-п/п концентрация дырок и избыточная по сравнению с остальным объёмом p-п/п концентрация электронов.

Плотность диффузионного тока

Вследствие образования избыточной концентрации зарядов появляется градиент концентрации и возникает диффузионное движение дырок от плоскости L в глубь n-п/п, а для компенсации избыточного положительного заряда из объёма n-п/п притекают электроны. Аналогичные процессы происходят в p-п/п (куда притекают избыточные электроны).

Рассмотрим процессы, происходящие в п/п n-типа.

В процессе диффузии от плоскости L дырки рекомбинируют с электронами. На некотором расстоянии L_p величина P_nu уменьшится до величины P_n . Эта величина L_p называется диффузионной длиной дырок. Время, в течение которого снижается концентрация, называется временем жизни неосновных носителей _р.

По мере удаления от плоскости L в глубь n-п/п на величину L_p избыточная концентрация дырок уменьшается в e раз.

Основываясь на такой физической модели, можно составить уравнение для изменения концентрации дырок. Решая его, получим следующее выражение дырочного тока.

Если X=L, то:

В результате снижения потенциального барьера и диффузии дырок на границе запирающего слоя возникает их избыточная концентрация в n-п/п. Градиент концентрации дырок между плоскостью L и объёмом n-п/п:

Аналогично для диффузионного электронного тока:

Плотность дрейфового тока

Рассмотрим отношение , :

Аналогично можно вывести формулу для электронно-дырочной составляющей.

Физический результат вывода формулы для дрейфового тока можно объяснить на основе условия непрерывности. В результате образовавшейся в плоскости L избыточной концентрации дырок туда устремляются основные носители - электроны, обнажая в n-п/п положительные ионы доноров.

В результате возникает э.п., которое заставляет дрейфовать по направлению к запирающему слою дырки. Там они подхватываются контактным полем и переходят в р-п/п, где происходят такие же процессы с электронами.

Таким образом, при приложении прямого напряжения к p-n-переходу наряду с диффузионным потоком дырок из p- в n-п/п и диффузионным потоком электронов из n- в p-п/п возникает встречный поток неосновных носителей (дырок из n- в p-п/п и электронов из p- в n-п/п) за счёт поля E_к.

ВАХ p-n-перехода

Если умножить все j на площадь p-n-перехода, то получим токи:

- диффузионные токи за счёт движения

основных носителей

- дрейфовые токи, обусловленные движением

неосновных носителей

Если к р-области приложить отрицательное внешнее напряжение, а к n-области положительное, то _к увеличится и через запирающий слой потечёт лишь ток, образованный перемещением неосновных носителей. При напряжении -0,5 В обратный ток равен току насыщения:

I_обр=I_нас=I_ps+I_ns

Все имеющиеся в п/п носители будут участвовать в создании дрейфового тока.

Диаграмма изменения потенциального барьера:

Ширина запирающего слоя (ЗС)

Область существования контактного поля определяется пределами запирающего слоя 2L. Исходя из этого, L - это глубина проникновения э.п. в п/п.

Глубина проникновения э.п. в тело определяется уравнением Пуассона, связывающее E с q и :

- объёмная плотность электрических зарядов, создающих э.п. Е.

=eN

X - расстояние от границы контакта

- диэлектрическая проницаемость п/п

N - объёмная концентрация носителей заряда.

Проинтегрировав уравнение дважды от 0 до L, получим:

Если к p-n-переходу приложить внешнее напряжение, то вместо _к подставляем суммарную разность потенциалов. При приложении прямого напряжения ширина уменьшается, а обратного - увеличивается.

Различные виды переходов

Это переход, который образуется в p- и n-п/п с различной концентрацией примесей, т.е. с различной концентрацией основных и неосновных носителей.

Рассмотрим случай, когда концентрация акцепторов больше концентрации доноров.

На границе контакта возникает концентрация и , но поскольку , то диффузионное движение дырок из п/п p-типа в п/п n-типа более интенсивное, чем движение электронов обратно. Следовательно, диффузионная составляющая тока через переход определяется диффузионным потоком дырок. Поскольку P_n>N_p , то дрейфовая составляющая тока в основном определяется потоком дырок из n-п/п.

Условия равновесия для п/п:

Область, обеднённая дырками, значительно уже, чем область, обеднённая электронами. Следовательно, запирающий слой лежит в основном в высокоомной n-области. Поскольку N_а>N_д , то

При подключении внешнего напряжения равновесие нарушается. При прямом включении высота потенциального барьера уменьшается и течёт диффузионный ток. Величина этого тока определяется в основном движением дырок.

Такое преимущественное введение зарядов в п/п, в котором эти заряды будут неосновными носителями, называется инжекцией неосновных носителей.

При подключении обратного напряжения через несимметричный p-n-переход потечёт ток, обусловленный в основном движением дырок из n-области в p-область (ток насыщения). Форма p-n-перехода не изменяется.

В несимметричном переходе п/п с высокой концентрацией основных носителей называется эмиттером, второй п/п называется базой.

Переходы типа p-i, n-i, p-p⁺, n-n⁺.

При контакте p-i в результате разности концентраций P_p>N_i и N_i>N_p, возникает диффузия дырок в собственный п/п и электронов в п/п p-типа.

Разность потенциалов на переходе образуется за счёт ионов акцепторов в p-п/п и дырок в собственном

Запирающий слой в большей части находится в области собственного п/п, поскольку его удельное сопротивление больше.

Аналогичная картина получается при контакте высоколегированного п/п p⁺ с низколегированным p. Высота потенциального барьера меньше, поскольку меньше разность концентраций дырок.

Аналогично для n-n⁺.

Контакт металл - п/п

А) работа выхода из п/п меньше работы выхода из Ме e_{0n <} e_0.

При таких условиях электроны при контакте Ме и n-п/п из зоны проводимости п/п переходят в Ме, заряжая его отрицательно. В приконтактной области п/п образуется слой, обеднённый основными носителями, и там остаётся неподвижный нескомпенсированный положительный заряд ионов доноров. Образуется приконтактное электрическое поле. Это э.п. будет препятствовать дальнейшему движению из п/п в Ме, отталкивает свободные электроны в запирающий слой и притягивает в приконтактную область дырки, которые находятся в валентной области.

При равновесии уровни Ферми п/п и Ме выравниваются.

ЗС лежит в основном в толще п/п.

При подключении внешней батареи в прямом направлении потенциальный барьер снижается, сопротивление ЗС уменьшается и через ЗС течёт ток за счёт перемещения электронов в Ме.

При подключении обратного напряжения _к повышается, поток электронов практически прекращается, но под действием поля возможно движение дырок в Ме. Но этот ток мал, т.к. образован неосновными носителями - дырками.

Б) e_0n<<e₀

При таком контакте искривление энергетических зон n-п/п в результате значительной величины _к очень велико и в некоторой части ЗС L образуется L'<L, где будет слой p-проводимости, т.е. инверсный слой.

На диаграмме об этом свидетельствует расположение уровня Ферми ниже середины ЗЗ.

Образование инверсного слоя с физической точки зрения объясняется недостатком свободных электронов в n-п/п для достижения равновесного состояния.

Равновесие достигается за счёт перехода в Ме валентных электронов, при этом образуется избыток дырок в приконтактной области. Таким образом, в приконтактной области образуется плавный p-n-переход.

В) В случае контакта Ме с n-п/п, если e_0n >e₀ , электроны из Ме переходят в п/п. Вблизи границы образуется слой с повышенной концентрацией основных носителей. Такой слой называется антизапирающим. Контакт называется выпрямляющий (удельное сопротивление ЗС мало), или омическим переходом. Используется для осуществления электрических выводов от областей p- и n-п/п различных электронных приборов.

Контакт Ме - п/п p-типа

В этом случае электроны переходят из Ме в п/п, создавая ЗС, поскольку в p-п/п уменьшается концентрация дырок. При подключении прямого напряжения сопротивление ЗС уменьшается, при подключении обратного - увеличивается.

Из-за изменения сопротивления ЗС при подключении напряжения данный переход обладает выпрямляющими свойствами.

Если e_0p >> e₀, то может возникнуть инверсный слой в p-п/п, т.е. слой с электронной проводимостью.

Если e_0p < e₀, то электроны из п/п переходят в Ме, в п/п образуется избыточная концентрация дырок, и слой будет иметь более высокую проводимость, чем п/п - контакт антизапирающий (омический).

Пробой p-n-перехода

Пробоем p-n-перехода называется резкий рост обратного тока через переход при приложении обратного напряжения.

Виды пробоя:

Лавинный пробой ЛП

Полевой пробой ПП

Тепловой пробой ТП

ЛП: развивается в p-n-переходе, образованном слаболегированным п/п (ширина ЗС большая).

Если приложить большое обратное напряжение, то суммарная напряжённость в ЗС велика, так что неосновные носители, проходя через p-n-переход, приобретают энергию, достаточную для ионизации атомов п/п.

При этом дырки и электроны по пути через ЗС образуют новые пары подвижных носителей заряда, которые в свою очередь разгоняются в поле и ионизируют новое поле и т.д.

Т.е. в ЗС развивается лавина подвижных носителей и обратный ток резко увеличивается. Характеризует этот процесс коэффициент умножения, который определяется по формуле:

где N₁ - количество электронов, поступивших в p-n-переход

N₂ - количество электронов, ионизированных электронами

N'₂ - количество электронов, ионизированных дырками.

Важной характеристикой пробоя является обратное напряжение.

А, - коэффициенты, которые зависят от материала и от типа проводимости.

Для ЛП характерен резкий рост обратного тока при незначительном увеличении обратного напряжения.

ПП: этот пробой характерен для переходов, образованных п/п с меньшим, чем ранее удельным сопротивлением.

При сильном э.п. = (2-5) 10⁷ В/м возникает условие для ионизации атомов п/п фанонами или др. частицами.

Фанон - это энергия колеблющихся атомов.

Величина пробивного напряжения зависит от - удельного сопротивления n- и p-п/п Ge:

При значительной величине напряжение ПП больше, чем напряжение ЛП, и в переходе возникает ЛП.

Характеристика ветви ПП такая же, как и ЛП.

ТП: возникает в результате разогрева p-n-перехода обратным током большой величины.

Если количество джоулевого тепла, выделяемого в переход, больше, чем количество тепла, отводимого от перехода, то температура перехода возрастает и возрастает число носителей заряда, переход разогревается.

Напряжение U_ТП зависит от величины I_обр, сопротивления p-n-перехода, от условий теплоотвода и от температуры окружающей среды.

Зависимость I_обр от U_пр имеет вид:

ТП может наступить за счёт увеличения обратного тока при ЛП или ТП.

Ёмкости p-n-перехода

Изменение объёмных зарядов происходит и при подключении U_пр за счёт инжекции неосновных носителей.

Ёмкость, обусловленная такими изменениями заряда, называется диффузионной.

Барьерную ёмкость рассмотрим на примере несимметричного p-n-перехода (N_а>N_д).

ЗС лежит в основном в n-п/п. Ширина ЗС:

При подключении обратного напряжения ЗС расширяется.

При данном условии 2L=L''

Диффузионная ёмкость - может быть определена, как отношение изменения величины инжектированных зарядов к изменению напряжения на переходе.

I - I_пр через переход

- время жизни неосновных носителей.

Полупроводниковые диоды

П/п диод представляет собой несимметричный p-n-переход, к которому припаяны выводы. Вся система помещена в корпус, который может быть изготовлен из Ме, керамики или стекла. Обычно пластины n-п/п служат базой, а слой высоколегированного p-п/п служит эмиттером.

Получение p-n-перехода:

Сплавные (пластина n-п/п + таблетка акцепторного вещества, нагревают, расплавляют. В процессе остывания на границе п/п получают акцепторный кристаллический слой, насыщенный атомами акцептора). Выводы припаиваются к области p-n и затем структура устанавливается в корпус.

Диффузионный (пластина n-п/п помещается в ёмкость, в которой имеются пары акцептора, и выдерживают определённое время. Атомы диффундируют в n-п/п и на поверхности образуется слой, обогащённый акцепторами; затем пластину разрезают на отдельные кристаллы).

Получение мезоструктур (в пластине протравливают каналы).

Планарный метод (на пластине создают защитный рисунок, затем проводят диффузию легирующего вещества).

При первом методе получается резкий p-n-переход, при остальных - плавный.

Физические процессы, рассмотренные в идеальном p-n-переходе, являются физическими процессами, протекающими в идеальном диоде. Но реально на физические процессы влияет целый ряд факторов, которые не учитываются при рассмотрении идеального p-n-перехода. Поэтому ВАХ реального диода отличается от ВАХ идеального p-n-перехода.

Обратная ветвь ВАХ

При анализе обратной ВАХ p-n-перехода мы считали, что обратный ток обусловлен только дрейфом неосновных носителей, т.е. тепловым током I₀ .

I₀ зависит от концентрации неосновных носителей, от интенсивности их генерации вблизи перехода, а также от подвижности, т.е. от типа материала п/п. I_0Ge >>I_0Si

I₀ зависит от площади p-n-перехода (чем больше площадь, тем больше ток)

Обратный ток может включаться за счёт генерации пар зарядов в самом переходе I_д и за счёт процессов, происходящих на поверхности контакта п/п I_пов. I_дGe мал, I_дSi обусловлен преобладанием тепловой генерации пар зарядов над процессами рекомбинации, он больше I₀

Поверхностные явления образуют ток, величина которого сравнима в германиевых диодах с током I₀, в кремниевых - с током I_д. Ток растёт пропорционально величине обратного напряжения, зависит от окружающей среды и от длительности работы диода.

Прямая ветвь ВАХ

Теоретически прямой ток зависит от напряжения по экспоненциальному закону. Однако реально это не выполняется по ряду причин. Начальный участок прямой ВАХ для реального диода более пологий, чем идеальная характеристика. Причиной этого является тепловой ток в германиевом диоде и ток рекомбинации в переходе у кремниевых диодов (процессы рекомбинации преобладают над процессами генерации).

Вторая причина заключается в том, что сопротивление базы (омическое) равно:

W - длина базы

S - площадь p-n-перехода

Ранее мы учитывали, что всё внешнее напряжение прикладывается к ЗС. На самом деле при токе, большем 2 мА, весьма значительным оказывается падение напряжения на базе U_б. Поэтому крутой участок ВАХ диода практически линеен. Резкий рост прямого тока у германиевого диода наблюдается при меньшем напряжении, чем у кремниевого.

Для анализа ВАХ иногда используют не зависимость I(U), a U(I).

Статические параметры диодов

Для п/п диодов важным является ряд статических параметров:

Дифференциальное сопротивление

Определяет, как изменяется ток через диод вблизи некоторого значения U, заданного рабочей точкой

R_д зависит от тока или от напряжения. При обратном напряжении оно велико (сотни МОм).

Сопротивление постоянному току

А - рабочая точка

R и R - сопротивление диода постоянному току при номинальных значениях тока и напряжения.

Зависимость характеристики и параметров диодов от температуры

С изменением температуры меняется как прямая, так и обратная ветвь ВАХ.

Обратная ветвь ВАХ меняется из-за того, что тепловой ток в германиевом диоде и ток тепловой генерации в кремниевом значительно увеличивается с повышением температуры.

Прямой ток меняется, и характеристики сдвигаются влево с увеличением температуры.

Для оценки температурной зависимости прямой ветви ВАХ используется температурный коэффициент напряжения:

Температурный коэффициент характеризует изменение прямого напряжения при изменении температуры на 1 К.

Температурная зависимость прямого тока объясняется следующими причинами:

Процессами в самом переходе (изменение I_пов, I_д, I₀).

Изменением сопротивления базового слоя. При увеличении температуры проводимость п/п базы увеличивается. Следовательно, уменьшается напряжение базы и прямой участок ВАХ становится более крутым. Есть диоды, у которых сопротивление базы с увеличением температуры увеличивается. Это возможно при низком легировании базы (все носители участвуют в создании прямого тока). Собственная проводимость п/п такого диода мала.

_Ge=2 мВ/К.

Выпрямительные диоды

I_пр - среднее за период значение прямого тока;

U_пр - среднее за период падение напряжения на диоде при протекании прямого тока;

I_обр - среднее за период значение обратного тока;

U_обр - среднее за период значение обратного напряжения;

f_max - предельная рабочая частота;

Величина ёмкости диода;

Предельное значение рабочей температуры.

Схема простейшего выпрямителя

0 - t₁ U_с >U_вх i_д = 0

t₁ - t₂ U_с <U_вх i_д = 0

t₂ - t₃ U_с >U_вх i_д = 0, конденсатор разряжается.

Скорость разряда конденсатора зависит от его ёмкости и сопротивления нагрузки.

Недостатками данной схемы является: низкий КПД, значительная пульсация и значительная потребляемая мощность.

Существуют параметры, характеризующие качество выпрямления:

Коэффициент выпрямления

Крутизна характеристики

Обычно [S]=1мА/В.

Параллельное соединение диодов