Материал: Характеристика полупроводникового стабилитрона

Характеристика полупроводникового стабилитрона

Контрольная работа

Характеристика полупроводникового стабилитрона

Содержание

полупроводниковый диод стабилитрон

Введение

. Полупроводниковый диод и его применение

. Полупроводники с собственной и дырочной проводимостью

. р-n-переход диода

. Типы р-n-переходов в диодах

. p-n-переход при внешнем напряжении, приложенном к нему

. Прямое смещение p-n-перехода

. Обратное смещение p-n-перехода

.Полупроводниковые диоды. Их вольтамперные характеристики

. Типы пробоев p-n-перехода. Вольтамперная характеристика стабилитрона

. Лавинный пробой

. Туннельный пробой

. Тепловой пробой

. Поверхностный пробой

. Основные параметры и структура стабилитронов

. Емкость p-n перехода

. Переходные процессы в стабилитроне

. Маркировка стабилитронов

Литература

Введение

Кремниевые диоды, предназначенные для поддержания постоянного напряжения на отдельном участке электрической цепи, называется стабилитронами. Они имеют следующую маркировку:2С191, КС211, КС520 и др. Стабилитроны представляют собою полупроводниковые диоды,работающие в режиме обратного напряжения. В отличие от обычного диода, смещённого, как правило, в прямом направлении, рабочая точка стабилитрона находится в области вольтамперной характеристики, соответствующей пробою диода.При обратном напряжении на стабилитроне большая часть его вольтамперной характеристики представляет собою прямую линию, практически параллельную оси токов. В таком режиме работы напряжение на стабилитроне остается постоянным при изменяющемся токе, протекающим через стабилитрон. Промышленностью выпускаются различные типы стабилитронов, рассчитанных на малую, среднюю и большую мощности и способные поддерживать постоянное напряжение от нескольких вольт до сотен вольт.

1. Полупроводниковый диод и его применение

Стабилитрон является частным случаем полупроводникового диода. Поэтому рассмотрим структуру, устройство и краткую теорию р-n перехода полупроводникового диода. Полупроводниковый диод - это схемный элемент с одним р-n переходом, имеющий два омических вывода.Наряду с такими схемными элементами, как резисторы, конденсаторы, катушки индуктивности, транзисторы и др.полупроводниковые диоды широко распространены в аналоговой радиоэлектронике. Полупроводниковые диоды имеют малую массу и размеры, долговечны, имеют низкую цену, обладают высоким КПД.

В зависимости от назначения полупроводниковые диоды классифицируются на:

выпрямительные, которые используются для преобразования переменного тока в постоянный;

импульсные, которые предназначены для применения в импульсных режимах;

преобразовательные, которые применяются в качестве смесителей, умножителей и модуляторов благодаря нелинейности вольтамперной характеристики;

переключательные, предназначенные для коммутации высокочастотных сигналов;

стабилитроны,которые применяются для стабилизации, т.е. поддержания постоянного напряжения в цепях питания радиоэлектронной аппаратуры;

сверхвысокочастотные (СВЧ) диоды, работающие в области высоких частот (109 -1010 Гц), выпрямление в которых происходит на контакте металл - полупроводник.

туннельные диоды, которые имеют в вольтамперной характеристике участок отрицательного наклона - участок отрицательного дифференциального сопротивления в некотором диапазоне прямых напряжений. Это интересное свойство диода используется для генерации и усиления электромагнитных колебаний.

варикапы - диоды, в которых используется зависимость емкости перехода от приложенного обратного напряжения и, которые применяются в качестве элементов с управляемой емкостью.

Полупроводники с собственной и дырочной проводимостью

Полупроводниковые диоды изготавливаются из полупроводников - элементов IVгруппы таблицы Менделеева: в основном из кремния и германия.Любой элемент этой группы имеет по 4 валентных электрона. Атомы в кристалле расположены в строгом порядке: каждый атом окружен четырьмя такими же атомами. Любой из атомов связан с каждым соседним атомом двумя валентными электронами. Эта очень прочная связь атомов называется ковалентной.К полупроводникам относится большинство веществ, составляющих примерно 4/5 объема земной коры. Удельные сопротивления полупроводников при комнатной температуре имеют значения, которые находятся в широком интервале, т.е. от 10--3 до 107 Ом•м, и занимают промежуточное положение между металлами и диэлектриками.Но главной отличительной особенностью полупроводников является их температурная зависимость удельного сопротивления: ρ~T-1 (удельное сопротивление обратно пропорционально температуре). При температуре близкой к абсолютному нулю полупроводник представляет собою абсолютный диэлектрик из-за отсутствия в нем свободных зарядов.Но при повышении температуры связи валентных электронов с атомными ядрами ослабевают и некоторые электроны покидают свои атомы. Такие электроны уже не связаны с атомами и называются свободными, а места, которые покинули электроны, заряжены положительно и называются дырками.Дырки могут перемещаться по кристаллу. Чем выше температура кристалла полупроводника, тем больше электронов и дырок, тем меньше его удельное сопротивление. Если к такому полупроводнику приложить напряжение, то через него будет протекать ток, представляющий встречные потоки электронов и дырок. Проводимость, возникающая в кристалле полупроводника за счет нарушения валентных связей, называется собственной проводимостью.Таким образом, собственная проводимость полупроводников имеет электронно-дырочный характер.

Но химически чистые полупроводники практически не применяются в технике из-за малой концентрации свободных зарядов. Поэтому полупроводники легируют - вводят примеси элементов с валентностью большей или меньшей, чем у атома собственного полупроводника. Образуются примесные полупроводники.

Введем в кристалл полупроводника, например, кремния атомсурьмы. Сурьма - элемент V группы периодической системы с пятью валентными электронами. Атом сурьмы с помощью четырех валентных электронов образует валентные связи с четырьмя соседними атомами кремния. Пятый, слабо связанный электрон атома сурьмы, не участвующий в установлении междуатомных связей, под влиянием теплового движения или иных воздействий отрывается от атома и превращается в свободный электрон. Атом сурьмы при этом превращается в положительный ион, который не может перемещаться по кристаллу. Число дырок при этом не возрастает. Увеличивая концентрацию атомов сурьмы можно получить существенное превышение концентрации свободных электронов над концентрацией дырок. (0,0001% примеси сурьмы увеличивает число свободных электронов в 1000 раз). В таких полупроводниках электроны являются основными носителями, а дырки - не основными носителями заряда. Эти примесные полупроводники называются полупроводниками с электронной проводимостью или полупроводниками n-типа (n - первая буква слова negative - отрицательный). Примеси, атомы которых способны создавать избыток свободных электронов, называются донорными примесями или донорами.

При введении в кристалл кремния атома индия, атома с тремя валентными электронами, заполняются только три валентные связи атома индия с тремя соседними атомами кремния. Четвертая связь остается незаполненной. Но эта незаполненная связь не несет заряд - атом индия и смежный с ним атом кремния электрически нейтральны. При тепловом возбуждении электрон одной из заполненных соседних связей может перейти в атом индия и заполнить связь. Атом индия при этом превращается в отрицательный ион, а в дефектной связи атома кремния, откуда пришел электрон, появляется положительный заряд - дырка. Повышая концентрацию примеси индия, можно добиться, что бы дырки стали основными носителями, а электроны - не основными носителями заряда. Такие примесные полупроводники называются полупроводниками с дырочной проводимостью или полупроводниками p-типа (p - первая буква слова positive - положительный). Примеси, атомы которых способны создавать избыток дырок в полупроводнике называются акцепторными примесями или акцепторами.

Рассмотренные выше процессы обратимы. Одновременно с процессом генерации пар «электрон-дырка» происходит и процесс восстановления нарушенных связей. Пара «электрон-дырка» при этом исчезает. Такой процесс носит название рекомбинации.

. р-n-переход диода

Схематично диод можно представить как две пластины с различными типами проводимости: р-типа и n-типа. На внешние поверхности пластин нанесены контактные металлические слои, к которым припаяны проволочные выводы.Основным элементом полупроводниковых диодов является электронно-дырочный переход (р-n-переход).

Рассмотрим пространственное распределение дырок -•, электронов - O, ионов акцепторов -  и ионов доноров - в p- и n-областях кристалла полупроводника до их контакта (рисунок 1):

Рисунок 1 - Начальное распределение концентраций зарядов по длине кристалла Lв p- и n-областях. Здесь:Na- концентрация ионов акцепторов;Nд-концентрация ионов доноров;рр- концентрация дырокв p-области кристалла;nр- концентрация электронов в p-области кристалла;рn- концентрация дырокв n-области кристалла;концентрация электронов в n-области кристалла.

До соприкосновения p- и n-областей кристалла дырки • и отрицательные ионы примеси  (акцепторы) в p-области распределены равномерно. Кроме того, в p-области имеется небольшое количество равномерно распределенных свободных электронов. Концентрации акцепторов Na и дырок pp в p-области практически одинаковы и много больше концентрации электронов np. Аналогично в n-области кристалла электроны O и положительно заряженные ионы примеси (доноры) распределены равномерно, как и небольшое количество дырок. Концентрации доноров Nд и электронов nn практически одинаковы и много больше концентрации дырок pn.

Рассмотрим процессы, протекающие при контакте двух полупроводниковых пластин (областей кристалла) с различными типами проводимости и образование p-n-перехода (рисунок 2).Путем простого соприкосновения двух полупроводниковых пластинок различной проводимости p-n переход осуществить нельзя, так как при этом неизбежен очень тонкий промежуточный слой воздуха или поверхностных пленок. Настоящий p-n переход получается в едином кристалле полупроводника, при внедрении в него акцепторов, с одной стороны, и доноров, с другой. Между слоями р и n появляется резкая граница.На границе p- и n- областей кристалла образуется градиент концентраций свободных носителей заряда: концентрация электронов и концентрация дырок по разные стороны от границы раздела значительно отличаются. Возникает диффузия свободных зарядов: электроны из n-области переходят в p-область и рекомбинируют с дырками, а дырки из р-области переходят в n-область и рекомбинируют с электронами. В результате в пограничной области концентрация свободных электронов и дырок убывает почти до нуля. Электрическая нейтральность полупроводника нарушается: с одной стороны, электроны и дырки, переходя через границу раздела, оставляют после себя неподвижные ионы доноров и акцепторов, с другой стороны, увеличивается концентрация электронов в р-области и концентрация дыро кn-области.

Рисунок 2 -Распределение концентраций заряда в идеализированном p-n-переходе. Здесь:Na -концентрация ионов акцепторов;Nд-концентрация ионов доноров;рр- концентрация дырок в p-области кристалла; nр- концентрация электронов в p-области кристалла;рn- концентрация дырок в n-области кристалла; концентрация электронов в n-области кристалла;  - контактная разность потенциалов; Ек - напряженность электрического поля; lp-n -ширина p-n-перехода.

В р-области вблизи ее контакта с n-областью образуется отрицательный пространственный заряд ионов акцепторной примеси, а в n-области - положительный пространственный заряд ионов донорной примеси. Области пространственных зарядов на рисунке 2 заштрихованы.Между этими зарядами возникает контактная разность потенциалов φк и электрическое поле с напряженностью Ек . Поле огромной напряженности (Ек ≈ 106 В/м) препятствует диффузии свободных носителей заряда из глубины р- и n-областей через р-n-переход и она практически прекращается.

На рисунке 3 показано распределение концентраций электронов и дырок в р-n-переходе. Если атомы доноров и акцепторов полностью ионизированы, то концентрация дырок в р-области равна концентрации акцепторов, а концентрация электронов в n-области равна концентрации доноров. Так как электроны и дырки являются свободными подвижными зарядами, то их концентрации в области р-n-перехода от pp до pn(или от nn доnp ) изменяются плавно.

Рисунок 3 - Распределение концентраций электронов и дырок в р-n-переходе.n -ширина p-n-перехода.

На рисунке 4 представлены распределения отрицательных и положительных зарядов в p-n-переходе. Так как акцепторы и доноры жестко связанны с кристаллической решеткой полупроводника, то в области раздела р- и n-областей концентрации акцепторов и доноров изменяются скачком. Изменение электрического заряда с отрицательного на положительный заряд в этой области полупроводника также происходит скачком.Переход в целом нейтрален, т. е. отрицательный заряд в левой части и положительный заряд в правой части полупроводникового кристалла одинаковы.

Рисунок 4 - Распределение объемных электрических зарядов в р-n-переходе.

Область образовавшихся пространственных зарядов и есть область

p-n-перехода. Часто эту область называют обедненным или истощенным слоем из-за сильно пониженной концентрации подвижных носителей заряда.

Переход от области отрицательного объемного заряда к области положительного объемного заряда сопровождается изменением потенциала. За пределами объемного заряда потенциал n-области полупроводника будет постоянным. Его значение можно принять за нулевой потенциал (рисунок 5).

Рисунок 5 - Изменение потенциала в области объемного заряда и за ее пределами.

С уменьшением x,по мере углубления в область положительного объемного заряда потенциал возрастает по модулю. Причем максимальная скорость возрастания соответствует границе раздела положительного и отрицательного объемного зарядов. В области отрицательного объемного заряда скорость возрастания потенциала с уменьшением x опять замедляется. За пределами отрицательного объемного заряда в любом сечении p-области потенциал φ будет постоянным, максимальным по модулю и отрицательным по знаку. Разность потенциалов, возникающую в р-n-переходе называют контактной разностью потенциалов и часто обозначают