Ćwiczenie E11 - UKŁADY PROSTOWNIKOWE - Elementy półprzewodnikowe złączowe.pdf

(229 KB) Pobierz
Ćwiczenie
E11
UKŁADY PROSTOWNIKOWE
Elementy półprzewodnikowe złączowe
1. Złącze p-n
Złącze p-n nazywamy układ dwóch półprzewodników .Jednego typu „p” w którym
nośnikami większościowymi są „dziury” obdarzone
ładunkiem
dodatnim oraz drugiego typu
„n” w którym rolę
ładunku
większościowego pełnią elektrony.
Schematycznie obraz takiego złącza można przedstawić jak na rys.1.
Rys.1. Struktura fizyczna diody epiplanarnej (a) oraz wycinek złącza p-n (b)
Złącze p-n można wytworzyć w procesie dyfuzji domieszek do obszaru półprzewodnika
wówczas takie złącze nazywamy
złączami dyfuzyjnymi
, lub w procesie implantacji jonów
domieszek do półprzewodnika i wtedy powstaje
złącze implantowane.
2.
Niespolaryzowane złącze p-n
Dla uproszczenia rozważań przyjmijmy,
że
oba obszary półprzewodnika tworzące złącze p-n
mają równomierny rozkład domieszek: akceptorów po stronie półprzewodnika „p” oraz
donorów po stronie półprzewodnika „n” (rys 2 b).
W obszarze typu „p” wskutek obecności domieszek akceptorowych, koncentracja „dziur” jest
większa niż koncentracja elektronów – dziury są zatem nośnikami większościowymi.
W obszarze typu „n” mamy sytuację odwrotną, nośnikami większościowymi są elektrony. W
obszarach dalszych od warstwy kontaktowej (granicznej) istnieje stan równowagi między
nieruchomymi
ładunkami
zjonizowanych domieszek (akceptorów lub donorów) oraz
ruchomymi nośnikami
ładunku:
elektronami i dziurami.
Na styku obszarów p-n wskutek dużej różnicy koncentracji ruchomych nośników
ładunku
następuje dyfuzje nośników większościowych: dziur z obszaru „p” do obszar „n” oraz
elektronów z obszaru „n” do obszaru „p”.
Nośniki większościowe po przejściu do obszarów o przeciwnym typie przewodnictwa w
krótkim czasie ulegają rekombinacji.
W wyniku dyfuzyjnego przepływu
ładunków
większościowych w warstwie granicznej
powstaje
ładunek
przestrzenny tworzony przez nieskompensowane
ładunki
nieruchomych
zjonizowanych domieszek.
Rys.2. Symetryczne złącze p-n w stanie równowagi.(a)-model złącza,(b)-wykresy zmiany
koncentracji domieszek, (c)-rozkład koncentracji nośników większościowych, (d)-gęstość
ładunku
przestrzennego, (e)-rozkład natężenia pola elektrycznego,(f)-rozkład potencjału
elektrycznego.
Powstaje w ten sposób warstwa dipolowa
ładunku
przestrzennego , która wytwarza pole
elektryczne przeciwdziałające dalszej dyfuzji nośników większościowych.
Ta warstwa dipolwa nosi nazwę
warstwy zaporowej
lub
warstwy
ładunku
przestrzennego,
a
ze względu na brak elektronów lub dziur nazywana jest też
warstwą zubożoną.
Z istnieniem warstwy zaporowej
łączy
się powstanie
bariery potencjału
φ
B
, zwanej często
napięciem dyfuzyjnym
,ważnym przy interpretacji charakterystyk prądowo-napieciowych
złącza. W stanie równowagi termodynamicznej złącza niespolaryzowanego napięciem
zewnętrznym, prąd wypadkowy płynący przez złącze wynosi zero.
3. Spolaryzowane złącze p-n
3.1. Polaryzacja złącza p-n w kierunku przewodzenia
Polaryzacja w kierunku przewodzenia występuje wtedy gdy napięcie zewnętrzne
doprowadzone do złącza p-n jest w taki sposób,
że
biegun dodatni
źródła
napięcia
U
jest
podłączony z obszarem „p”, a biegun ujemny z obszarem „n” – rys.3a.
Rys.3. Złącze p-n spolaryzowane napięciem zewnętrznym
U.
(a)-w kierunku przewodzenia,
(b)- w kierunku zaporowym,
I
F
– prąd przewodzenia , I
R
– prąd wsteczny
Polaryzacja zewnętrzna jest wówczas przeciwna do biegunowości napięcia dyfuzyjnego,
zatem bariera potencjału
φ
B
maleje o wartość napięcia zewnętrznego czyli zmniejsza się
szerokość warstwy zaporowej. W wyniku obniżenia bariery potencjału rośnie
prawdopodobieństwo przejścia nośników większościowych przez warstwę zaporową, a tym
samym zwiększa się prąd dyfuzji elektronów z obszaru „n” do obszaru „p” a dziur z obszaru
„p” do „n”. W miarę wzrostu napięcia zewnętrznego prądy dyfuzyjne rosną,osiągając bardzo
duże wartości gdy wartość napięcia zewnętrznego zbliża się do wartości
φ
B
bariery
potencjału. Przy polaryzacji w kierunku przewodzenia prąd dyfuzji nośników
większościowych jest znacznie większy niż prąd unoszenia nośników mniejszościowych,
czyli prądy dyfuzyjne dominują w prądzie przewodzenia przez złącze p-n.
3.2. Polaryzacja złącza w kierunku zaporowym.
Polaryzacja tego typu występuje wówczas, gdy biegun dodatni
źródła
napięcia zewnętrznego
połączymy z obszarem „n” a biegun ujemny z obszarem „p” – rys.3b.
Zgodność polaryzacji zewnętrznej z biegunowością napięcia dyfuzyjnego powoduje ,że
bariera potencjału zwiększy się o wartość napięcia zewnętrznego i jednocześnie ulegnie
rozszerzeniu warstwa zaporowa. Dyfuzja nośników większościowych ponad zwiększoną
barierą kontaktową jest praktycznie niemożliwa. Przez złącze p-n płynie tylko bardzo mały
prąd wsteczny
.Na rys.4. przedstawiono wyidealizowana charakterystykę prądowo-
napięciową złącza p-n, którą w przybliżeniu można opisać zależnością:
I = I
R
(exp U/φ
T
– 1)
gdzie: I
R
– prąd wsteczny,
φ
T
= kT/q – potencjał elektrokinetyczny.
Rys.4. Charakterystyka prądowo-napięciowa idealnego złącza p-n
4. Układy prostownicze niesterowane
Najprostszy
prostownik jednopołówkowy ( półfalowy) jednofazowy z obciążeniem
rezystancyjnym przedstawia rys.5.
Rys.5. Schemat
rezystancyjnym.
prostownika
jednopołówkowego
(półfalowego)
z
obciążenien
Dioda przewodzi, gdy napięcie na niej jest dodatnie, tzn.anoda ma wyższy potencjał niż
katoda. Jeżeli napięcie zasilające jast sinusoidalne (u
2
=U
2m
sin
ωt
,gdzie U
2m
=
2
U
2
– wartość
maksymalna napięcia ,
ω=
2Πf – pulsacja) to prąd płynie przez obciążenie tylko przez pół
okresu tego napięcia – rys.6.
Rys .6. Przebiegi napięć i prądów w układzie prostownika jednofazowego półfalowego.
Napięcie na obciążeniu wynosi :
u
o
= U
2m
sin
ωt
dla
dla
u
o
= 0
a prąd
i
o
=
0
≤
ωt
≤
Π
Π
≤
ωt
≤
2Π
u
R
Częściej używa się bardziej złożonych układów prostownikowych, mających lepsze
własności. Jednym z takich układów jest prostownik dwupołówkowy z obciążeniem
rezystancyjnym. Realizuje się go w dwóch wersjach : z wyprowadzeniem ze
środka
uzwojenia wtórnego transformatora – rys.7a oraz z diodami w układzie Gretza –rys.7b.
W pierwszym układzie w czasie półfali dodatniej napięcia wejściowego przewodzi dioda D1 i
prąd płynie przez górną część uzwojenia transformatora, diodę D1 i obciążenie R
o
.
W czasie półfali ujemnej przewodzi dioda D2 i prąd plynie tak, jak zaznaczono liniami
kreskowanymi – rys.7a. W układzie Gretza w czasie półfali dodatniej napięcia wejściowego
Prąd płynie przez uzwojenie wtórne, diodę D1, obciążenie R
o
i diodę D3, a przy półfali
ujemnej – przez uzwojenie wtórne, diodę D4, obciążenie R
o
i diodę D2 – rys.7b.
W obu przypadkach prąd płynie przez obciążenie w jednym kierunku i ma charakter
pulsujący.

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika:

Zgłoś jeśli naruszono regulamin