Презентация на тему Твердотельная электроника. Полупроводниковые диоды

Презентация на тему Твердотельная электроника. Полупроводниковые диоды, предмет презентации: Разное. Этот материал содержит 86 слайдов. Красочные слайды и илюстрации помогут Вам заинтересовать свою аудиторию. Для просмотра воспользуйтесь проигрывателем, если материал оказался полезным для Вас - поделитесь им с друзьями с помощью социальных кнопок и добавьте наш сайт презентаций ThePresentation.ru в закладки!

Слайды и текст этой презентации

Слайд 1
Текст слайда:

Полупроводниковые диоды

МОСКВА 2012 НИУ «МЭИ»

Презентации к лекционному курсу

Твердотельная электроника

Электронный учебно-методический комплекс


Слайд 2
Текст слайда:

Уравнения непрерывности


Слайд 3
Текст слайда:

ПРИНЯТЫЕ ДОПУЩЕНИЯ ПРИ РАСЧЁТЕ ВАХ

Модель электронно-дырочного перехода одномерная; p- и n-области имеют бесконечную протяженность.
Переход тонкий, носители заряда пролетают через ОПЗ без рекомбинации (ОПЗ стянут в линию).
Обе квазинейтральные области сильно легированы, падением напряжения на них можно пренебречь. Вся внешняя разность потенциалов приложена к pn-переходу.
Рекомбинацию считаем линейной.
Уровень инжекции мал (Δnp<


Слайд 4
Текст слайда:

Но в квазинейтральной области напряженность внешнего электрического поля равна нулю!
Таким образом, плотность тока в n-области определяется диффузионным током дырок, зависящим от их градиента концентрации:





Общее решение такого уравнения имеет вид:




Слайд 5
Текст слайда:

Концентрация неравновесных дырок на границе ОПЗ при x=Wn равна:



При x=Wn:



Слайд 6
Текст слайда:

Окончательно закон изменения концентрации неравновесных дырок в n-области при x>Wn принимает вид:



Слайд 7
Текст слайда:


На границе ОПЗ при x=Wn, получим:



Слайд 8
Текст слайда:

Аналогично для p-области при x < -Wp:





Слайд 9
Текст слайда:

Решение уравнения для ВАХ



Слайд 10
Текст слайда:

ВАХ тонкого pn-перехода описывается уравнением:


известным как формула Шокли.

где


Слайд 11
Текст слайда:

Распределение носителей в p-n переходе


Слайд 12
Текст слайда:





Слайд 13
Текст слайда:

Расчет для кремниевого p-n-перехода

cм-3

cм-3

При прямом смещении:

Пусть , тогда


cм-3 и равна




cм-3

Пусть cм-3 ,

Тогда cм-3 ,


Слайд 14
Текст слайда:

Уже при

т.е. граничные концентрации составляют 5% от исходных.

и




При обратном смещении:


Слайд 15
Текст слайда:




см2/с

см

А/см2

А/см2



см2/с

см

А/см2

А/см2


Слайд 16
Текст слайда:

ВАХ p-n-перехода


Слайд 17
Текст слайда:


Оценим, насколько справедливо в нашем примере предположение, что напряжение смещения приложено только к pn-переходу. Для полученного полного тока определим падение напряжения на толще n- и p-областей, приняв длину n-области =0,01 см, длину p-области за 1 мкм=10-4 см. Проводимости σ n=q∙μn∙n, σp =q∙μp∙p. Подвижности μn и μp зависят от концентраций примеси в полупроводниках, исходя из данных, приведенных в литературе: μn = 300 см2/В∙с, μp =100 см2/В∙с.
σn=q∙μn∙n=

σp=q∙μp∙p=

Падение напряжения на n- и p-слоях




Слайд 18
Текст слайда:

Прямое смещение p-n-перехода


Слайд 19
Текст слайда:

Обратное смещение p-n-перехода


Слайд 20

Слайд 21
Текст слайда:

Влияние различных факторов на ВАХ pn-перехода





Слайд 22
Текст слайда:

Влияние температуры на ВАХ


Слайд 23
Текст слайда:

ВАХ кремниевого и германиевого диодов


Слайд 24
Текст слайда:

Влияние генерации-рекомбинации на ВАХ



Слайд 25
Текст слайда:


– прямое смещение pn-перехода:


– обратное смещение pn-перехода:



Слайд 26
Текст слайда:

Емкостные свойства pn-перехода


Слайд 27
Текст слайда:


К расчету емкости p-n-перехода


При нулевом смещении на рп-переходе:









При обратном смещении:



Слайд 28
Текст слайда:

Из формулы для плоского конденсатора:

При Na>>Nd:


Слайд 29
Текст слайда:

Барьерная емкость диода

Для ступенчатого pn-перехода с площадью S:


Слайд 30
Текст слайда:

Емкость pn-перехода может изменяться в значительных пределах, что позволило использовать это свойство в варикапах.



Варикап – нелинейный управляемый конденсатор, емкость которого изменяется в зависимости от обратного напряжения. В варикапах используется барьерная емкость, не зависящая от частоты вплоть до миллиметрового диапазона, имеющая малый температурный коэффициент емкости.
Варикап обладает высокой стабильностью параметров во времени. В радиоэлектронных устройствах варикапы применяют в усилителях, умножителях частоты, смесителях, детекторах и в схемах с электронной настройкой.


Слайд 31
Текст слайда:

Диффузионная емкость pn-перехода


где Q – инжектированный заряд.


Полная емкость pn-перехода равна сумме барьерной и диффузионной емкостей. При прямых напряжениях барьерная емкость много меньше диффузионной, а при обратных напряжениях она значительно превышает ее. Соотношения между барьерной и диффузионной емкостью определяют частотные зависимости pn-перехода.


Слайд 32
Текст слайда:

Пробой p-n-перехода


Слайд 33
Текст слайда:

Обратная ВАХ при различных видах пробоя


Слайд 34
Текст слайда:

Схема, иллюстрирующая лавинный пробой




Слайд 35
Текст слайда:

Лавинный пробой


Слайд 36
Текст слайда:


Коэффициент лавинного умножения M, определяемый как количество актов лавинного умножения в области сильного электрического поля, для которого справедливо следующее эмпирическое соотношение Миллера:


Слайд 37
Текст слайда:

Напряжение лавинного пробоя зависит от степени легирования p- и n-областей. Так, например для резкого кремниевого p-n-перехода зависимость напряжения пробоя от степени легирования n-области имеет вид:


Напряжение лавинного пробоя кремниевого pn-перехода с линейным распределением примеси (то есть при изменении примеси по линейному закону) определяется формулой:


где а – градиент концентрации примеси


Слайд 38
Текст слайда:

Зависимость напряжения лавинного пробоя от концентрации примеси в низколегированной области для резкого pn-перехода


Слайд 39
Текст слайда:

Температурная зависимость напряжения лавинного пробоя определяется уменьшением длины свободного пробега носителей заряда с увеличением температуры.

При этом величина напряжения пробоя увеличивается, так как энергию, необходимую для разрыва ковалентных связей носители могут набрать при больших напряжениях.


Слайд 40
Текст слайда:

Туннельный
пробой pn-перехода


Слайд 41
Текст слайда:

Зонная диаграмма сильнолегированного p-n-перехода при обратном смещении



Слайд 42
Текст слайда:

Чтобы этот эффект имел место, электрическое поле должно быть настолько сильным, чтобы обеспечить такой наклон зон, при котором заполненные электронами уровни валентной зоны оказались напротив незаполненных энергетических уровней разрешенной зоны, а ширина потенциального барьера сравнима с длиной волны де Бройля электрона.


Слайд 43
Текст слайда:

Напряжение туннельного пробоя сравнительно слабо зависит от температуры. Однако с ростом температуры ширина запрещенной зоны германия и кремния уменьшается, вероятность туннелирования возрастает, и величина критической напряженности поля уменьшается. Поэтому напряжение туннельного пробоя уменьшается.


Поскольку напряжение, при котором возникает лавинный и туннельный пробой достаточно стабильно, этот эффект используется для создания приборов, падение напряжения на которых остается стабильным при изменении тока – стабилитронов.


Слайд 44
Текст слайда:

Тепловой пробой pn-перехода

При увеличении обратного напряжения увеличивается мощность, рассеиваемая в переходе в виде тепла, поэтому для pn-переходов со сравнительно высокими обратными токами возможен разогрев.

Начавшийся разогрев, в свою очередь, приведет к увеличению обратного тока. Таким образом, в pn-переходе возникает положительная обратная связь, ведущая к возникновению тепловой неустойчивости – тепловому пробою.


Слайд 45
Текст слайда:

Влияние сопротивления базы на ВАХ


Слайд 46
Текст слайда:

Прямая ВАХ в полулогарифмическом масштабе


Слайд 47
Текст слайда:

Толщина базы , в свою очередь, влияет на закон распределения инжектированных носителей и диффузионных токов.
Экспоненциальное распределение, представленное в формулах справедливо для длинной базы, то есть при

В случае короткой базы:






Слайд 48
Текст слайда:

Характеристическое сопротивление диода

Различают два вида характеристического сопротивления диодов: дифференциальное сопротивление rd и сопротивление по постоянному току RD.

Дифференциальное сопротивление определяется как



Слайд 49
Текст слайда:

Определяется как отношение приложенного напряжения к протекающему току через диод:


На прямой ВАХ сопротивление RD >rd, на обратной – RD

Сопротивление по постоянному току RD

В точке вблизи нулевого значения напряжения

значения сопротивлений совпадают. Действительно, разложив экспоненту, получаем:


Слайд 50
Текст слайда:

Переходные процессы
в полупроводниковых диодах

При быстрых изменениях напряжения на полупроводниковом диоде значение тока через диод, соответствующее статической ВАХ, устанавливается не сразу. Процесс установления тока при таких переключениях называют переходным процессам.
Переходные процессы в полупроводниковых диодах связаны с накоплением носителей в базе диода при его прямом включении и их рассасывании в базе при быстром изменении полярности напряжения на диоде. Так как электрическое поле в базе обычного диода отсутствует, то движение неосновных носителей в базе определяется законами диффузии и происходит относительно медленно. В результате кинетика накопления носителей в базе и их рассасывание влияют на динамические свойства диодов в режиме переключения.


Слайд 51
Текст слайда:


С течением времени концентрация неравновесных носителей будет убывать, следовательно, будет убывать и обратный ток.
За время τ0, называемое временем восстановления обратного сопротивления или временем рассасывания, обратный ток придет к значению, равному току насыщения.




При

При


Слайд 52
Текст слайда:

Координатные зависимости p(x,t) в различные моменты времени


Слайд 53
Текст слайда:

Обратный ток обусловлен только диффузией дырок к границе ОПЗ p-n-перехода:



Слайд 54
Текст слайда:

Зависимость обратного тока при переключении диода

t=0,

τср = τр/2


Слайд 55
Текст слайда:

Полупроводниковые диоды

В данном разделе будут рассмотрены следующие типы полупроводниковых диодов:
выпрямительные диоды на основе pn-перехода
стабилитроны, варикапы
туннельные и обращенные диоды


Слайд 56
Текст слайда:

Выпрямительные диоды

Основная задача выпрямительного диода – выпрямление переменного (в частности синусоидального) тока, то есть выделение постоянной его составляющей.
Применяется в цепях управления и коммутации, для развязок в электрических цепях, ограничения выбросов напряжений в цепях с индуктивными элементами, а также в цепях, где необходимы вентильные элементы и не предъявляется жестких требований к временным и частотным параметрам.
Выпрямительные или вентильные свойства полупроводникового диода определяются его ВАХ


Слайд 57
Текст слайда:

ВАХ идеализированного выпрямляющего устройства



Слайд 58
Текст слайда:

ВАХ реального pn-перехода



Слайд 59
Текст слайда:

Выпрямительный, или силовой, диод – прибор, предназначенный для выпрямления переменного тока. Их применяют в цепях управления и коммутации, для развязок в электрических цепях, ограничения выбросов напряжений в цепях с индуктивными элементами, а также в цепях, где необходимы вентильные элементы и не предъявляется жестких требований к временным и частотным параметрам.


Слайд 60
Текст слайда:

Графики напряжения и выпрямленного тока (а). простейшая выпрямительная схема (б)



Слайд 61
Текст слайда:

Качественное сравнение ВАХ германиевого и кремниевого диода (масштабы прямого и обратного токов различны)





Слайд 62
Текст слайда:

При повышении температуры изменяются практически все электрофизические свойства полупроводников, поэтому изменяются и параметры полупроводниковых приборов, в частности, значение контактной разности потенциалов уменьшается, а ток насыщения растет.


Слайд 63
Текст слайда:

Изменение температуры диода может произойти не только вследствие изменения температуры окружающей среды, но и за счет саморазогрева pn-перехода при больших плотностях протекающего через него токов.

Si

Ge


Слайд 64
Текст слайда:

Снижение влияния температуры добиваются путем введения специальных конструктивных элементов корпусов – радиаторов


Слайд 65

Слайд 66
Текст слайда:

Стабилитроны

Стабилитрон (опорный диод) – полупроводниковый диод, предназначенный для стабилизации напряжения.
Стабилитроны используют также в качестве ограничителей постоянного или импульсного напряжения, элементов межкаскадной связи, источников эталонного напряжения и др.


Слайд 67
Текст слайда:

ВАХ стабилитрона




Слайд 68
Текст слайда:

Основными характеристиками стабилитрона являются ток Iст и напряжение Uст стабилизации, дифференциальное напряжение стабилитрона rд и температурная зависимость этих параметров.

Основное назначение стабилитрона – стабилизация напряжения на нагрузке (Rн), при изменяющемся напряжении во внешней цепи. В неразветвленную часть цепи включают балластный резистор R0, сопротивление которого должно быть существенно больше дифференциального сопротивления стабилитрона .


Слайд 69

Слайд 70
Текст слайда:

В режиме короткого замыкания ( )



Нестабильность выходного напряжения вызывается двумя основными причинами: нестабильностью входного напряжения и нестабильностью входного тока (нестабильностью сопротивления нагрузки Rн).


Слайд 71
Текст слайда:







Слайд 72
Текст слайда:

Туннельные диоды

Туннельный диод был предложен в 1958 году Лео Исаки, который в 1973 году получил Нобелевскую премию по физике за открытие эффекта туннелирования электронов, применяемого в этих диодах.

Туннельным диодом называют полупроводниковый диод на основе p+n+-перехода с сильнолегированными областями, на прямом участке ВАХ которого наблюдается N-образная зависимость тока от напряжения.


Слайд 73
Текст слайда:

Энергетические диаграммы сильно- легированных полупроводников


Слайд 74

Слайд 75

Слайд 76
Текст слайда:

ВАХ туннельного диода

EC

EC

EV

EV

Fp

Fn


Слайд 77
Текст слайда:

ВАХ туннельного диода

EC

EC

EV

EV

Fp

Fn


Слайд 78
Текст слайда:

ВАХ туннельного диода

Fn

Fp

EC

EC

EV

EV


Слайд 79
Текст слайда:

ВАХ туннельного диода

EC

EC

EV

EV

Fp

Fn


Слайд 80
Текст слайда:

ВАХ туннельного диода

Fp

Fn

EC

EC

EV

EV


Слайд 81
Текст слайда:

Обращенный диод

EV

EV

EV

EV

EV

EV

EC

EC

EC

EC

Fp

Fp

Fp

Fn

Fn

Fn

EC

EC


Слайд 82
Текст слайда:

Расчет ВАХ барьера Шоттки


Слайд 83
Текст слайда:

Расчет ВАХ барьера Шоттки

При приложении напряжения:

где

- Постоянная Ричардсона


Слайд 84
Текст слайда:

ВАХ диода Шоттки


Слайд 85
Текст слайда:

Диод Шоттки


Слайд 86
Текст слайда:

Диоды Шоттки характеризуются быстрой рекомбинацией инжектированных носителей (время жизни носителей крайне мало), а значит и высоким быстродействием.

Благодаря минимальному сопротивлению базы и отсутствию процессов накопления и рассасывания избыточных зарядов, быстро-действие получается достаточно высоким: граничная частота .


Обратная связь

Если не удалось найти и скачать презентацию, Вы можете заказать его на нашем сайте. Мы постараемся найти нужный Вам материал и отправим по электронной почте. Не стесняйтесь обращаться к нам, если у вас возникли вопросы или пожелания:

Email: Нажмите что бы посмотреть 

Что такое ThePresentation.ru?

Это сайт презентаций, докладов, проектов, шаблонов в формате PowerPoint. Мы помогаем школьникам, студентам, учителям, преподавателям хранить и обмениваться учебными материалами с другими пользователями.


Для правообладателей

Яндекс.Метрика