Что такое дифференциальное сопротивление p n перехода

Дифференциальное сопротивление p-n перехода

На прямой ветви eU >> kT

Дифференциальное сопротивление p-n перехода диода зависит от тока, который протекает. Чем больше ток, тем меньше сопротивление, и наоборот.

Если течет большой ток, то там большой уровень инжекции основных зарядов, и сопротивление соответственно маленькое, а если ток маленький, значит, и напряжение маленькое приложено к p-n переходу, это значит потенциальный барьер не снят и сопротивление току большое.

Реальная вольт – амперная характеристика отличается от идеальной.

Мы предположили, что диод состоит только из p-n перехода. Как правило концентрация примесей не симметрична: одна из областей сильно легирована, другая слабо. Та которая слабо легирована называется базой, та, которая сильно легирована называется эмиттером. На самом деле сопротивление может быть довольно значительным, и достигать десятки Ом.

Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет

Источник

p–n переход и его электрические свойства

Электронно-дырочный переход (p–n переход).

Для создания в исходном полупроводнике (обычно 4-валентном германии или кремнии) проводимости n- или p-типа в него добавляют атомы 5-валентной или 3-валентной примесей соответственно (фосфор, мышьяк или алюминий, индий и др.)

Атомы 5-валентной примеси (доноры) легко отдают один электрон в зону проводимости, создавая избыток электронов в полупроводнике, не занятых в образовании ковалентных связей; проводник приобретает проводимость n-типа. Введение же 3-валентной примеси (акцепторов) приводит к тому, что последняя, отбирая по одному электрону от атомов полупроводника для создания недостающей ковалентной связи, сообщает ему проводимость p-типа, так как образующиеся при этом дырки (вакантные энергетические уровни в валентной зоне) ведут себя в электрическом или магнитном полях как носители положительных зарядов. Дырки в полупроводнике р-типа и электроны в полупроводнике n-типа называются основными носителями в отличие от неосновных (электроны в полупроводнике р-типа и дырки в полупроводнике n-типа), которые генерируются из-за тепловых колебаний атомов кристаллической решетки.

Если полупроводники с разными типами проводимости привести в соприкосновение (контакт создается технологическим путем, но не механическим), то электроны в полупроводнике n-типа получают возможность занять свободные уровни в валентной зоне полупроводника р-типа. Произойдет рекомбинация электронов с дырками вблизи границы разнотипных полупроводников.

Потенциальный барьер в p-n переходе.

Если к полупроводнику приложить электрическое напряжение, то в зависимости от полярности этого напряжения р-n-переход проявляет совершенно различные свойства.

Свойства p-n перехода при прямом включении.

Свойства p-n перехода при обратном включении.

Итак, с определенной долей приближения можно считать, что электрический ток через р-n-переход протекает, если полярность напряжения источника питания прямая, и, напротив, тока нет, когда полярность обратная.

По этой же причине выше предельная рабочая температура полупроводника. Для германия она составляет 80º С, кремний: 150º С, арсенид галлия: 250º С (DE = 1,4 эВ). При большей температуре количество носителей заряда возрастает, сопротивление кристалла уменьшается, и полупроводник термически разрушается.

Вольт-амперная характеристика p-n перехода.

Вольт-амперная характеристика (ВАХ) являет­ся графической зависимостью протекающего через р-n переход тока от приложенного к нему внешнего напря­жения I=f(U). Вольт-амперная характе­ристика р-n перехода при пря­мом и обратном включе­нии приведена ниже.

Она состоит из прямой (0-А) и обратной (0-В-С) ветвей; на вертикальной оси отложены значения прямого и обратного тока, а на оси абсцисс — значения прямого и обратного напряжения.

Напряжение от внешнего источника, подведенное к кристаллу с р-п переходом, практически полностью со­средотачивается на обедненном носителями переходе. В зависимости от полярности возможны два варианта включения постоянного напряжения — прямое и обрат­ное.

ВАХ p-n перехода описывает­ся аналитической функцией:

U — приложенное к переходу внешнее напряжение соответствующего знака;

Iо = Iт — обратный (тепловой) ток р-п перехода;

Источник

Что такое дифференциальное сопротивление p n перехода

Полупроводниковым диодом называют нелинейный электронный прибор с двумя выводами. В зависимости от внутренней структуры, типа, количества и уровня легирования внутренних элементов диода и вольт-амперной характеристики свойства полупроводниковых диодов бывают различными. В данном разделе будут рассмотрены следующие типы полупроводниковых диодов: выпрямительные диоды на основе p-n перехода, стабилитроны, варикапы, туннельные и обращенные диоды.

Основу выпрямительного диода составляет обычный электронно-дырочный переход. Как было показано в главе 2, вольт-амперная характеристика такого диода имеет ярко выраженную нелинейность, приведенную на рисунке 4.1а, б, и описывается уравнением (4.1). В прямом смещении ток диода инжекционный, большой по величине и представляет собой диффузионную компоненту тока основных носителей. При обратном смещении ток диода маленький по величине и представляет собой дрейфовую компоненту тока неосновных носителей. В состоянии равновесия суммарный ток, обусловленный диффузионными и дрейфовыми токами электронов и дырок, равен нулю.

Рис. 4.1. Параметры полупроводникового диода:
а) вольт-амперная характеристика; б) конструкция корпуса

Для анализа приборных характеристик выпрямительного диода важными являются такие дифференциальные параметры, как коэффициент выпрямления, характеристичные сопротивления и емкости диода в зависимости от выбора рабочей точки.

4.1.1. Выпрямление в диоде

Одним из главных свойств полупроводникового диода на основе p-n перехода является резкая асимметрия вольт-амперной характеристики: высокая проводимость при прямом смещении и низкая при обратном. Это свойство диода используется в выпрямительных диодах. На рисунке 4.2 приведена схема, иллюстрирующая выпрямление переменного тока в диоде.

Рис. 4.2. Схема, иллюстрирующая выпрямление переменного тока с помощью диода [10, 20]

Рассмотрим, каков будет коэффициент выпрямления идеального диода на основе p-n перехода. Для этого рассчитаем по уравнению (4.1) коэффициент выпрямления К как отношение прямого тока к обратному току диода при значениях напряжения U = +-0,01 В; 0,025 В; +- 0,1 В; 0,25 В; +-1 B. Получаем:

(4.2)

Как следует из таблицы и соотношения (4.2), при значениях переменного напряжения, модуль которого V_G меньше, чем тепловой потенциал kT/q, полупроводниковый диод не выпрямляет переменный ток. Коэффициент выпрямления достигает приемлемых величин при значениях V_G по крайней мере в 4 раза больших, чем тепловой потенциал kT/q, что при комнатной температуре Т = 300 К соответствует значению напряжения V_G = +-0,1 В.

4.1.2. Характеристическое сопротивление

Различают два вида характеристического сопротивления диодов: дифференциальное сопротивление r_D и сопротивление по постоянному току R_D.

Дифференциальное сопротивление определяется как

(4.3)

На прямом участке вольт-амперной характеристики диода дифференциальное сопротивление r_D невелико и составляет значение несколько Ом. Действительно, при значении прямого тока диода I = 25 мА и значении теплового потенциала kT/q = 25 мВ величина дифференциального сопротивления r_D будет равна r_D = 1 Ом. На обратном участке вольт-амперной характеристики диода дифференциальное сопротивление r_D стремится к бесконечности, поскольку в идеальных диодах при обратном смещении ток не зависит от напряжения.

Сопротивление по постоянному току R_D определяется как отношение приложенного напряжения V_G к протекающему току I через диод:

(4.4)

Используя характерное значение для обратного тока диода I₀ = 25 мкА, получаем величину сопротивления диода в нулевой точке R_D0 = r_D0 = 1 кОм. На рисунке 4.3а приведена зависимость дифференциального сопротивления диода ГД402 от величины тока при прямом смещении.

4.1.4. Эквивалентная схема диода

Источник

Что такое дифференциальное сопротивление p n перехода

Из ВАХ биполярного транзистора

легко получить общее выражение для дифференциального сопротивления эмиттерного перехода:

,

Для примера рассчитаем r _э при I _э = мА, получим – r _э = 25 Ом.

Если U _э= 0 (условие короткого замыкания), тогда .

Если I _э = 0 (условие холостого хода), то .

Дифференциальное сопротивление коллекторного перехода r _к определяется как

.

Изменение коэффициента передачи a биполярного транзистора вследствие модуляции ширины базы при изменении коллекторного напряжения U _к получило название “эффект Эрли” (рис. 7).

Рис. 7. Эффект Эрли – эффект модуляции ширины базы биполярного транзистора

.

.

С учетом сказанного получаем выражение для дифференциального сопротивления коллекторного перехода:

.

Рассчитаем для примера численное значение сопротивления коллекторного перехода r _к при следующих параметрах биполярного транзистора на основе кремния ( Si ):

Рис. 8. Коллекторные характеристики биполярного транзистора в схеме с общей базой,

иллюстрирующие влияние эффекта Эрли

5.10. Коэффициент обратной связи

Коэффициент обратной связи по напряжению в биполярном транзисторе в схеме с общей базой показывает, как изменится напряжение на эмиттерном переходе при единичном изменении напряжения на коллекторном переходе при условии, что ток эмиттера поддерживается постоянным:

.

Ненулевое значение коэффициента обратной связи также обусловлено эффектом Эрли. Аналогично, как и для коллекторного напряжения, распишем цепочку, показывающую взаимосвязь параметров.

Рис. 9. Влияние эффекта модуляции ширины базы БТ на

концентрацию неосновных носителей на границе эмиттер–база

Физически наличие обратной связи по напряжению в биполярном транзисторе в схеме с общей базой обусловлено эффектом модуляции ширины базы.

Получим выражение для коэффициента обратной связи. Поскольку , то . Учтем, что , так как градиент постоянен. Зависимость ширины базы от напряжения на коллекторе была получена ранее. Тогда

.

Таким образом, выражение для коэффициента обратной связи по напряжению m _эк в биполярном транзисторе в схеме с общей базой в зависимости от конструктивно-технологических параметров имеет следующий вид:

.

Источник

Обратное включение перехода)

=

Если к p-n переходу подключить внешнее Евн напряжение, полярность которого совпадает с полярностью контактной разности Uк потенциалов, то такое включение называется обратным (n-область подключается к положительному полюсу Евн, а p-область к отрицательному полюсу Евн). При таком включении в p-n переходе появится дополнительное внешнее электрическое поле, увеличивающее его внутреннее поле. Суммарное поле Еε, действующее в переходе, будет определяться:

=

Это поле увеличит тормозящее действие на основные носители заряда и их движение уменьшится, а при некотором значении Евн совсем прекратится и ток диффузии станет равным нулю (Iдиф=0).

Под действием электрического поля Евн основные носители заряда будут оттягиваться от пограничных слоев p-n перехода, увеличивая дефицит свободных носителей в области перехода и расширяя переход (увеличение его толщины).

Для неосновных носителей заряда Евн является ускоряющим полем, поэтому оно будет поддерживать дрейфовый ток, переводя неосновные носители через расширенный p-n переход.

Процесс перевода (оттягивания, «отсоса») носителей заряда через p-n переход из областей, где они становятся основными носителями, под действием обратного напряжения на переходе, называется экстракцией.

При малых значениях обратного напряжения на переходе навстречу дрейфовому току протекает диффузионный ток (I0=Iдиф), который уменьшается по экспоненциальному закону:

Результирующий ток через p-n переход в этом случае будет называться обратным током и определяется:

Поскольку φт =26 мВ при Т=300 К, то уже при |Евн|>3φт током основных носителей можно пренебречь, и обратный ток будет определяться током I0, независящим от Евн. Поэтому I0 в этом случае называют обратным током насыщения или просто обратным током. (Он зависит от температуры и от концентрации носителей в собственном полупроводнике)

Эмпирическим путем установлено, что значение тока в зависимости от температуры может быть выражено:

,

Где Т – текущая температура,

Эта формула носит название формулы «удвоения». Эта формула имеет более высокую точность для полупроводников на основе германия и меньшую точность – для кремния.

Диаграмма энергетических зон p-n перехода при обратном смещении

При подаче обратного напряжения на p-n переход (Евн

Уравнение Шокли.

Анализ выражений для токов через p-n переход при прямых и обратных напряжениях позволяет установить аналитическую зависимость:

Это уравнение называется уравнением диода или уравнением Шокли, где I0 – тепловой ток или обратный ток насыщения.

Термин «тепловой» отражает сильную температурную зависимость I0 от температуры, а также тот факт, что I0 = 0 при Т = 0 К.

, где k = 1,38* Дж/К – постоянная Больцмана;

q = 1,6* Кл;

Т – абсолютная температура;

=26 БмВ при Т = 300 К.

Действительно, близко к нулю.

Вольт-амперная характеристика(ВАХ)

p-n перехода

Статическое сопротивление p-n перехода в рабочей точке (А) определяется как отношение напряжения в этой точке к току, соответствующему этому напряжению или равно ctgα – угла образованного прямой, проходящей через начало координат и рабочую точку(А) и осью абсцисс(Х).

Дифференциальное сопротивление p-n перехода в рабочей точке(А) определяется как отношение приращения напряжения в этой точке к приращению тока, соответствующего этому приращению напряжения

или равно ctgβ – угла образованного касательной к этой точке и осью абсцисс.

Реальная ветвь(прямая) ВАХ перехода отклоняется от идеальной ВАХ в основном за счёт падения напряжения на сопротивлении базы(r_Б), с учётом этого уравнение перехода может быть определено:

Прологарифмировав это выражение можно определить падение напряжения на переходе при прямом включении.

Заменив E_вн на U_пр, получим:

Для малых токов I_пр имеем:

Статическое и дифференциальное сопротивление для обратной ветви ВАХ рассчитывается аналогично прямой ветви ВАХ

Источник