Презентация на тему: «Физические основы электроники» используется при изучении дисциплины «Электротехника и электроника» студентами технического профиля в разделе 2. Электроника

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОНИКИ

Автор: преподаватель

электротехнических дисциплин

Гараева Т.Е.

Цель урока: изучение электронно-дырочного перехода и его свойств План урока: 1. Электропроводность полупроводников 2. Электронно-дырочный переход и его свойства

1. Электропроводность полупроводников

• Проводники (металлы)
• Полупроводники (кремний, германий)
• Диэлектрики (изоляторы)

1.1. Зонная энергетическая диаграмма

1.2. Собственная и примесная проводимость

Собственная проводимость – это электропроводность полупроводника, связанная с нарушением валентных связей.

• Дырка – положительный заряд, равный по величине заряду электрона, является собственным носителем заряда.

Примесная проводимость полупроводника обусловлена наличием в нем примесей:

пятивалентная примесь (мышьяк, сурьма) – донор;

трехвалентная примесь (индий, галлий) – акцептор.

1.3. Электронные и дырочные полупроводники

Электронные полупроводники или полупроводники

n-типа:

• концентрация электронов больше концентрации дырок;
• основные носители заряда – электроны;
• неосновные – дырки.

Дырочные полупроводники или полупроводники

p-типа:

• концентрация дырок больше концентрации электронов;
• основные носители заряда – дырки;
• неосновные – электроны.

2. Электронно-дырочный переход и его свойства

Электронно-дырочным или р-n переходом, называется тонкий слой между двумя частями полупроводникового кристалла, одна из которых обладает электронной ( n-типа), а другая - дырочной (р-типа) электропроводностью.

2.1. Типы электронно-дырочных переходов

1. В зависимости от концентрации электронов и дырок:

• симметричные,
• не симметричные.

2. В зависимости от метода изготовления:

• резкие (ступенчатые) – получают сплавлением,
• плавные (линейные) – получают путем диффузии или методом выращивания из расплава.

3. В зависимости от площади:

• точечные,
• плоскостные (сплавные, диффузионные).

2.2. Электронно-дырочный переход при отсутствии внешнего напряжения.

До момента слияния р- и n-части были электрически нейтральными. При слиянии происходит диффузия основных носителей - дырок - из р-области в n-область и электронов - из n-области в р-область;

Проникающие через переход основные носители интенсивно взаимно рекомбинируют, поэтому в обеих прослойках уменьшается концентрация дырок и электронов.

В приконтактных слоях p- и n-областей возникает пространственный заряд. Его называют запирающим слоем (ЗС).

На границе возникает разность потенциалов, которую называют потенциальным барьером.

Рис. 2.1. Электронно-дырочный переход при отсутствии внешнего напряжения

2.3. Прямое включение

электронно-дырочного перехода

• При прямом включении дырочная часть (р-область) полупроводника присоединяется к положительному зажиму внешнего источника, а электронная часть

(n-областъ) - к отрицательному (рис. 2.2.)

• Внешнее электрическое поле направлено навстречу внутреннему и частично или полностью ослабляет его, снижает высоту потенциального барьера, уменьшает толщину перехода
• Основные носители заряда перемещаются к границе перехода и переходят через границу в противоположную область, создавая диффузионный прямой ток.

Рис.2. 2. Электронно-дырочный переход

при прямом включении внешнего напряжения

2.4.Обратное включение

электронно-дырочного перехода

Обратное внешнее напряжение (р-область присоединяется к отрицательному, а n-область- к положительному выводу источника) (рис. 3.) создает электрическое поле, совпадающее с внутренним полем р-n перехода; потенциальный барьер возрастает, прямой ток практически обращается в нуль. Поскольку поблизости от перехода количество основных носителей уменьшается, его толщина и электрическое сопротивление возрастают.

Рис.2.3. Электронно-дырочный переход

при обратном включении внешнего источника напряжения.

2.5 Свойства электронно-дырочного перехода

• Свойство односторонней проводимости
• Температурные свойства
• Частотные свойства
• Пробой

2.6. Вольт-амперная характеристика электронно-дырочного перехода.

• Вольт-амперная характеристика р-n перехода представляет собой зависимость прямого тока от прямого напряжения и обратного тока от обратного напряжения.

• Повышение обратного напряжения до U oбр. проб. приводит к пробою электронно-дырочного перехода т.е. к резкому уменьшению обратного сопротивления перехода и, соответственно, к резкому повышению обратного тока.

Рис.2.4. Вольт-амперная характеристика p-n перехода

2.7. Пробой р-n перехода

• Туннельный пробой наблюдается в очень тонких р-n переходах при обратных напряжениях до 10 В, при которых возникает высокая напряженность электрического поля. Под действием сильного электрического поля валентные электроны приконтактного слоя р-области отрываются от атомов и перебрасываются в n-область.
• Лавинный пробой вызывается лавинообразным размножением носителей заряда под действием сильного электрического поля и свойственен полупроводникам со значительной толщиной р-n переходов.

Оба вида пробоя ( лавинообразный и тунельный ) обратимы, т.е. протекают без разрушения кристаллической структуры полупроводника.

• Тепловым называется пробой р-n перехода, обусловленный ростом количества носителей заряда при повышении температуры кристалла.

Под действием теплоты ослабевает связь валентных электронов с атомами.

Процесс термогенерации лавинообразно разрастается, р-n переход разрушается и в кристалле происходит необратимый процесс. Для предотвращения теплового пробоя в паспорте прибора указывается интервал рабочих температур и допустимое обратное напряжение.

Список используемой литературы

• Бондарь И.М. Электротехника и электроника [Текст]: Учебное пособие / И.М. Бондарь.- 2-е изд. – Ростов н/Д: Издательский центр «МарТ»; Феникс, 2010. – 340 с. (Среднее профессиональное образование).
• Славинский А.К., Туревский И.С. Электротехника с основами электроники [Текст]: учебное пособие. – М.: ИД «ФОРУМ»: ИНФРА-М, 2012.. – 448 с.: ил. – (Профессиональное образование).