Лекции по "Эллектротехнике"

Сетка предназначена для управления анодным током, поэтому её называют управляющей сеткой. Если к сетке подвести отрицательный относительно катода потенциал, то в пространстве сетка – катод образуется тормозящее электрическое поле, при этом не все электроны, эмитируемые катодом , достигнут анода. Изменяя отрицательный потенциал, можно изменять значение анодного тока вплоть до его исчезновения. Отрицательное напряжение на управляющей сетке, при котором анодный ток равен нулю, называется напряжением запирания лампы.

При положительном потенциале управляющей сетки в пространстве сетка – катод создаётся ускоряющее электрическое поле. Основная масса электронов под действием ускоряющего поля сетки и анода попадают на анод, создавая анодный ток. Часть электронов устремляется к сетке, образуя сеточный ток.

При увеличении положительного потенциала сетки анодный и сеточный ток будут возрастать. При некотором напряжении на аноде – напряжении насыщения анодный ток достигнет максимального значения – ток насыщения.

Поскольку управляющая сетка расположена ближе к катоду, чем анод, то её влияние на изменение анодного тока значительно больше. Следовательно, для получения одинакового изменения анодного тока сеточное напряжение нужно изменить на меньшую величину, чем анодное.

Триоды могут быть использованы в различных радиоэлектронных устройствах для усиления и генерирования.

Лекция 31

Тема 8.2. Полупроводниковые приборы.

Электронно-дырочный (p-n) переход.

Электропроводность полупроводников.

Электроны в твёрдых телах.

Из физики известно, что электроны в теле обладают различными значениями энергии, называемыми энергетическими уровнями. Чем ближе к ядру атома расположен электрон, тем меньшей энергией он обладает, т.е. тем на более низком энергетическом уровне он находится. Для перехода электрона на более высокий уровень надо затратить некоторую энергию.

Когда электрон переходит с более высокого энергетического уровня на более низкий, выделяется определённое количество энергии, называемое квантом (или фотоном).

Энергетические уровни объединяются в отдельные зоны. Электроны внешней оболочки атомов заполняют ряд энергетических уровней, составляющих валентную зону. Более низкие энергетические уровни входят в состав других зон, которые не играют роли в явлениях электропроводности.

В металлах и полупроводниках существует большое количество электронов, находящихся на более высоких энергетических уровнях. Эти уровни составляют зону проводимости. Электроны этой зоны называют электронами проводимости. Чем больше электронов проводимости в единице объёма тела, тем выше его проводимость.  

△W –ширина запрещённой зоны, т.е. разность между величинами энергии нижнего уровня зоны проводимости и верхнего уровня валентной зоны ( несколько электрон-вольт).

У полупроводников зонная диаграмма подобна изображённой на рис. 2.1, б, но только ширина запрещённой зоны у них меньше

 

 

 

 

Собственная электропроводность полупроводников.

Для изготовления полупроводниковых приборов широко используют германий Ge и кремний Si. Внешние оболочки германия и кремния имеют 4 валентных электрона.

 

Пространственная кристаллическая решётка германия или кремния состоит из атомов, связанных друг с другом валентными электронами. Такую связь (рис. 8.4) называют ковалентной или парноэлектронной. Она осуществляется между двумя атомами общей для них электронной парой (по одному электрону от каждого атома).

Под воздействием тепловых или других воздействий один из более удалённых от ядра валентных электронов покидает своё место в ковалентной связи и переходит в зону проводимости (рис.8.5). Тогда атом будет иметь положительный заряд, численно равный заряду электрона, и его можно условно называть ионом. Кристаллическая решётка полупроводников обладает большой прочностью, поэтому её атомы (ионы), потерявшие один электрон не передвигаются, а остаются на своих местах

Отсутствие электрона в ковалентной связи условно назвали дыркой. Дырки ведут себя как положительные заряды, имеющие такое же значение, как и заряд электрона.

Таким образом, полупроводники обладают не только электронной, но и дырочной электропроводностью, обусловленной перемещением дырок.

 Пусть в начальный период  времени в крайнем атоме слева  появилась дырка, вследствие того, что из атома ушёл электрон (рис. 8.6). Атом 1 с дыркой имеет положительный заряд и может притянуть к себе электрон из соседнего атома. Если в полупроводнике действует электрическое поле, то это поле движет электроны в сторону противоположную его направлению. Поэтому в следующий момент из атома 2 электрон перейдёт в атом 1 и заполнит в нём дырку, а новая дырка появится в атоме 2 (рис.8.6,б).

Такой процесс будет продолжаться , и дырки перейдут из атома 1 (рис.8.6,а) в атом 6 (рис.8.6,е). иначе говоря, первоначально возникший в атоме 1 положительный заряд перейдёт в атом 6.

Как видно, при дырочной электропроводности в действительности то же перемещаются электроны, но более ограничено, чем при электронной электропроводности. Электроны переходят из данных атомов только в соседние.

При температуре абсолютного нуля проводник, не содержащий примесей, является диэлектриком, в нём нет электронов проводимости и дырок. Но при повышении температуры электропроводность полупроводников возрастает, так как электроны валентной зоны получают при нагреве дополнительную энергию и за счёт этого всё большее их количество переходит из валентной зоны в зону проводимости. Таким образом, возникает электронная электропроводность. Каждый электрон, перешедший в зону проводимости, оставляет в валентной зоне свободное место – дырку, т.е. в валентной зоне возникают дырки проводимости. Следовательно, вместе с электронной создаётся и дырочная электропроводность.

Электроны и дырки, которые могут перемещаться  называют подвижными носителями заряда или просто носителями заряда.

Генерация – образование пары: электрон проводимости – дырка проводимости.

Рекомбинация – объединение электронов и дырок проводимости.

Собственная электропроводность полупроводника – электропроводность химически чистого полупроводника.

Примесная электропроводность.

Если в полупроводник внести примесь какого-либо элемента пятой группы Периодической таблицы элементов Менделеева, например сурьмы Sb или мышьяка As, то при  образовании ковалентной связи атомов этих элементов с атомами полупроводника каждый атом примеси отдаст лишний для ковалентной связи электрон. Сам же атом примеси становится положительно заряженным ионом. Количество электронов в проводнике станет больше количества дырок. Полупроводники с преобладанием электронной электропроводности называют электронными полупроводниками или полупроводниками n – типа.

Примеси, атомы которых отдают электроны, называют донорами.

Если же четырёхвалентный полупроводник содержит примеси трёхвалентных индия In или алюминия Al, то их атомы отнимают электроны от атомов полупроводника и на их месте возникают дырки. Атомы этой примеси становятся отрицательными ионами. Примеси, отбирающие электроны и создающие примесную дырочную электропроводность, называют акцепторами (захватчиками).

Полупроводники с преобладанием дырочной электропроводности называют дырочными полупроводниками или полупроводниками p –типа.

Носители зарядов, концентрация которых в данном полупроводнике преобладает, называются основными. Ими являются электроны в полупроводнике n – типа и дырки в полупроводнике p – типа.

2. Электронно-дырочный переход и его свойства.

Электронно-дырочный переход при отсутствии внешнего напряжения.

Небольшой ширины область по обе стороны границы двух полупроводников с различными типами электропроводности называется электронно-дырочным или p-n переходом.

 С помощью определённых технологических  процессов можно создать внутри  полупроводникового монокристалла  две области с различной электропроводностью (n- и p-типов). Концентрация электронов в n области выше, чем в p области, а концентрация дырок в p области выше, чем в n области. Из-за разности концентраций дырки диффундируют в n область, а электроны - в p область. По обе стороны границы между полупроводниками с разным типом электропроводности остаются неподвижные заряды атомов примесей: положительные заряды донорной примеси со стороны n-полупроводника и отрицательные заряды акцепторной примеси со стороны p-полупроводника. Между зарядами образуется электрическое поле и возникает контактная разность потенциалов, не превышающая 1 В. Поле между неподвижными зарядами называют внутренним диффузионным полем Езап, а разность потенциалов между зарядами – потенциальным барьером. Если потенциал p-области принять равным нулю, то контактная разность потенциалов φкон будет изменяться так, как показано на рис. 8.7,г,д,е.

Под действием силы внутреннего электрического поля из пограничной области вытесняются электроны и дырки. В результате области, прилегающие к границе раздела, окажутся обеднёнными основными носителями электрических зарядов. Таким образом, в приконтактной области образуется весьма тонкий слой, почти лишённый подвижных электрических зарядов и обладающий большим омическим сопротивлением. Этот слой называют запирающим.

Внутреннее поле препятствует диффузии основных носителей зарядов и является ускоряющим для неосновных носителей зарядов. Ток, образованный диффузией основных носителей называют диффузионным, а ток, образованный встречным движением неосновных зарядов – дрейфовым.

При отсутствии напряжения внешнего источника, приложенного к обеим областям полупроводника, наступает динамическое равновесие, при котором количество основных и неосновных зарядов переходящих из одной области в другую в единицу времени будет одинаковым. Ток в полупроводнике протекать не будет. Такое состояние p-n перехода называется равновесным.

Электронно-дырочный переход при действии прямого напряжения.

Равновесное состояние p-n- перехода нарушается, если к переходу приложить внешнее напряжение, которое в зависимости от значения и полярности подключения изменяет высоту потенциального барьера, ширину запирающего слоя и соотношение между диффузионным током и током дрейфа.

Если к p-n- переходу приложить внешнее прямое напряжение (рис.8,7,а), то при этом электрическое поле Е внешнего источника не совпадает с направлением внутреннего диффузионного поля поля Едиф p-n- перехода. Это приведёт к уменьшению напряжённости электрического поля перехода, что вызовет уменьшение ширины запирающего слоя и высоты потенциального барьера (рис. 8.7,д). Уменьшение высоты потенциального барьера приведёт к росту диффузионного тока основных носителей, а ток дрейфа несколько уменьшится. В результате через p-n-переход будет протекать результирующий ток, называемый прямым током. Прямой ток Iпр протекает в направлении от p- к n-области через запорный слой p-n –перехода.

Электронно-дырочный переход при обратном напряжении.

При обратном напряжении (рис. 8.7,в) электрическое поле внешнего источника совпадает с направлением поля Езап p-n-перехода. Это приводит к увеличению напряжённости электрического поля перехода, что вызовет увеличение ширины запорного слоя и высоты потенциального барьера (рис. 8.7,е). Диффузионный ток через p-n-переход практически уменьшится до нуля, а ток дрейфа сохранит почти такое же значение, какое он имел при равновесном состоянии p-n-перехода. В результате через переход протекает ток дрейфа неосновных носителей p- и n-областей. Этот ток протекает в направлении от n- к p-области и называется обратным током – Iобр.

Поскольку обратный ток значительно меньше прямого (примерно на шесть порядков), можно считать, что полупроводник, имеющий p-n-переход обладает вентильным свойством, т.е. односторонней проводимостью электрического тока.

При обратном напряжении может произойти пробой p-n-перехода. Сущность пробоя состоит в том, что при увеличении обратного напряжения до значения Uпроб растёт напряжён6ность внутреннего поля p-n-перехода, которое приводит к увеличению скорости подвижных носителей, создающих обратный ток. При достаточно большой скорости происходит разрыв ковалентных связей и образование добавочных электронов и дырок. Новые заряды увеличивают обратный ток и могут в свою очередь при соударениях создавать новые электроны и дырки. Этот процесс, называемый лавинным размножением, приводит к очень быстрому нарастанию обратного тока. Если лавинный пробой не переходит в тепловой, то он является обратимым.

Наличие объёмных зарядов ионов примесей по обе стороны p-n-перехода и электрического поля в обеднённом носителями зарядов слое придаёт электронно-дырочному переходу свойства электрической ёмкости. При обратном напряжении эта ёмкость называется барьерной (Сб), а при прямом напряжении – диффузионной.  

Свойства p-n перехода:

1. p-n переход обладает свойством односторонней проводимости тока, т.е. он хорошо проводит ток при прямом напряжении и почти не проводит ток при обратном напряжении.
2. При обратном напряжении может наступить лавинный пробой перехода, при котором напряжение на переходе будет оставаться практически постоянным в некотором диапазоне изменения обратного тока.
3. p-n переход обладает электрической ёмкостью, т.е. подобен конденсатору.

 

 

Лекция 32.

Тема 8.2. Полупроводниковые приборы.

Полупроводниковые диоды.

2. Полупроводниковые диоды.

Полупроводниковый диод – полупроводниковый прибор двухслойной структуры с одним p-n переходом.

Внешний вид и вольт-амперная характеристика диодов показаны на рис. 8.5.

Анод – область диода с дырочной (p-типа ) проводимостью.

Катод – область диода с электронной (n-типа) проводимостью.

 

Виды диодов.

1. Выпрямительные (вентильные).
2. Стабилитроны.
3. Варикапы.
4. Стабисторы.

Выпрямительные диоды.