Введение. Вспомогательные, пассивные элементы электронных схем

1.

Кафедра Энергетика
Предмет
ЭЛЕКТРОНИКА
Тема лекции
Старший
преподаватель
Сиверская Татьяна
Ивановна
Введение. Вспомогательные,
пассивные элементы
электронных схем.

2.

Электропроводность полупроводников, образование и свойства p-n-перехода
Количество известных в настоящее время полупроводниковых материалов довольно велико.
Для изготовления полупроводниковых приборов применяются простые полупроводниковые
вещества — германий, кремний, селен — и сложные полупроводниковые материалы — арсенид
галлия, фосфид галлия и др. Значения удельного электрического сопротивления в чистых
полупроводниковых материалах лежат в диапазоне от 0,65 Ом*м (германий) до 108 Ом*м (селен).
В чистых полупроводниках концентрация носителей заряда — свободных электронов и
дырок — составляет лишь 1016—1018 на 1 см3 вещества. Для снижения удельного сопротивления
полупроводника и придания ему определенного типа электропроводности — электронной при
преобладании свободных электронов или дырочной при преобладании дырок — в чистые
полупроводники вносят определенные примеси. Такой процесс называют легированием, а
соответствующие полупроводниковые материалы — легированными.
В качестве легирующих примесей применяют элементы III и V групп Периодической системы
элементов Д. И. Менделеева. Легирующие элементы III группы создают дырочную
электропроводность полупроводниковых материалов и называются акцепторными примесями,
элементы V группы — электронную электропроводность и называются донорными
примесями.

3.

Основное значение для работы полупроводниковых приборов имеет электронно-дырочный
переход, который для краткости называют p-n -переходом.
Электронно-дырочным переходом называют область на границе двух полупроводников, один
из которых имеет электронную, а другой — дырочную электропроводность.
На практике p-n -переход получают введением в примесный полупроводник дополнительной
легирующей примеси. Например, при введении донорной примеси в определенную часть
полупроводника р-типа в нем образуется область полупроводника n-типа, граничащая с
полупроводником р-типа.
Рисунок 1 Образование p-n - перехода

4.

Рассмотрим схематически образование p-n -перехода при соприкосновении двух
полупроводников с различными типами электропроводности (рис. 1). До соприкосновения в обоих
полупроводниках электроны, дырки и неподвижные ионы были распределены равномерно (рис. 1,а).
При соприкосновении полупроводников в пограничном слое происходит рекомбинация
(воссоединение) электронов и дырок. Свободные электроны из зоны полупроводника n -типа
занимают свободные уровни в валентной зоне полупроводника р-типа. В результате вблизи границы
двух полупроводников образуется слой, лишенный подвижных носителей заряда и поэтому
обладающий высоким электрическим сопротивлением,— так называемый запирающий слой (рис.
1,б). Толщина запирающего слоя обычно не превышает нескольких микрометров.
Расширению запирающего слоя препятствуют неподвижные ионы донорных и акцепторных
примесей, которые образуют на границе полупроводников двойной электрический слой. Возникшая
разность потенциалов создает в запирающем слое электрическое поле, Препятствующее как
переходу электронов из полупроводника n -типа в полупроводник р-типа, так и переходу дырок в
полупроводник n -типа. В то же время электроны могут свободно двигаться из полупроводника ртипа в полупроводник n -типа, точно так же как дырки из полупроводника n -типа в полупроводник ртипа. Таким образом, контактная разность потенциалов препятствует движению основных
носителей заряда и не препятствует движению неосновных носителей заряда.

5.

Если к p-n -переходу приложить внешнее напряжение, которое создает в запирающем слое
электрическое поле напряженностью Евн , совпадающее по направлению с полем неподвижных
ионов напряженностью Езап (рис. 2, а), то это приведет лишь к расширению запирающего слоя, так
как отведет от контактной зоны и положительные, и отрицательные носители заряда (дырки и
электроны).
При этом сопротивление p-n -перехода велико, ток через него мал — он обусловлен движением
неосновных носителей заряда. В этом случае ток называют обратным, а p-n –переход —
закрытым.
При
противоположной
полярности
источника напряжения (рис. 2, б) внешнее
электрическое поле направлено навстречу
полю двойного электрического слоя,
толщина запирающего слоя уменьшается
и при напряжении 0,3—0,5 В запирающий
слой исчезает. Сопротивление p-n перехода резко снижается, и возникает
сравнительно большой ток. Ток при этом
а) к p-n – переходу приложено обратное называют прямым, а переход —
открытым. Сопротивление открытого pнапряжение,
n
-перехода
определяется
только
б) к p-n – переходу приложено прямое напряжение.
Рисунок 2 Электронно-дырочный переход во сопротивлением полупроводника.
внешнем электрическом поле

6.

На
рисунке
3
показана
полная
вольтамперная
характеристика открытого и закрытого p-n переходов. Как
видно,
эта
характеристика
является
существенно
нелинейной. На участке 1 Евн < Езап и прямой ток мал. На
участке 2 Евн > Езап, запирающий слой отсутствует, ток
определяется только сопротивлением полупроводника. На
участке 3 запирающий слой препятствует движению
основных
носителей,
небольшой
ток
определяется
движением неосновных носителей заряда. Излом вольтамперной характеристики в начале координат обусловлен
различными масштабами тока и напряжения при прямом и
обратном направлениях напряжения, приложенного к p-n переходу.
Рисунок 3 Вольт-амперная
характеристика p-n –перехода
И наконец, на участке 4 происходит пробой p-n -перехода и обратный ток быстро возрастает.
Это связано с тем, что при движении через p-n - переход под действием электрического поля
неосновные носители заряда приобретают энергию, достаточную для ударной ионизации атомов
полупроводника. В переходе начинается лавинообразное размножение носителей заряда —
электронов и дырок, — что приводит к резкому увеличению обратного тока через p-n -переход при
почти неизменном обратном напряжении. Этот вид электрического пробоя называют лавинным.
Обычно он развивается в относительно широких p-n -переходах, которые образуются в
слаболегированных полупроводниках.

7.

Классификация полупроводниковых приборов

8.

Полупроводниковые резисторы
Полупроводниковым
резистором
называют
полупроводниковый прибор с двумя выводами, в
котором используется зависимость электрического
сопротивления полупроводника от напряжения,
температуры, освещенности и других управляющих
параметров.
В полупроводниковых резисторах применяется
полупроводник, равномерно легированный примесями.
В зависимости от типа примесей и конструкции
резистора удается получить различные зависимости от
управляющих параметров.
В соответствии с этой классификацией первые две
группы полупроводниковых резисторов — линейные
резисторы и нелинейные резисторы (варисторы) —
имеют
электрические
характеристики,
слабо
зависящие от таких параметров, так температура
окружающей
среды,
вибрация,
влажность,
освещенность и т. д.

9.

Варистор — полупроводниковый резистор, сопротивление которого зависит от приложенного
напряжения, поэтому его вольт-амперная характеристика нелинейна.
Терморезистор — полупроводниковый резистор, в котором
используется зависимость
электрического сопротивления полупроводника от температуры.
Различают два типа терморезисторов: термистор, сопротивление которого с ростом
температуры падает, и позистор, у которого сопротивление с повышением температуры
возрастает.
Температурная
характеристика
выражает
зависимость
сопротивления
терморезистора
от
температуры
(1термистора, 2- позистора).
где К. — коэффициент, зависящий от конструктивных
размеров термистора; β — коэффициент, зависящий от
концентрации примесей в полупроводнике; Т — абсолютная
температура.
Фоторезистор — полупроводниковый резистор, сопротивление которого зависит от
освещенности.
Тензорезистор — полупроводниковый резистор, в котором используется зависимость
электрического сопротивления от механических деформаций.