Оптоэлектроника Полупроводниковый лазер Волоконно-оптический световод Электронно-дырочный переход Изучение законов внешнего фотоэффекта

Лабораторные работы по электронике

Определение напряжения пробоя Uпр. При большом обратном смещении на p–n-переходе, которое создает в нем большое электрическое поле, переход «пробивается» и через него протекает большой ток. Существует три основных механизма пробоя: тепловая неустойчивость, туннельный эффект и лавинное умножение.

Тепловой пробой является основным фактором в полупроводниках с относительно малой шириной запрещенной зоны Eg, например в германии. Однако при очень низких температурах, а также при специальных мерах по ограничению тока, протекающего через p–n-переход (включение токоограничивающего резистора) или по теплоотводу (установка радиаторов охлаждения), тепловая неустойчивость становится несущественной по сравнению с другими механизмами пробоя.

Когда электрическое поле в германии или кремнии достигает величин порядка 106 В/см, через p–n-переход начинают протекать токи, обусловленные туннельными переходами носителей заряда между разрешенными зонами полупроводников.

Чтобы получить такое сильное поле, толщина области пространственного заряда должна быть небольшой, следовательно, концентрации примеси в p- и n- областях должны быть достаточно высокими.

Установлено, что механизм пробоя в кремниевых и германиевых p–n-переходах является туннельным при напряжениях пробоя, меньших 4Eg/q. В переходах с напряжением пробоя, превышающим 6Eg/q, механизм пробоя обусловлен лавинным умножением.

Лавинное умножение, или ударная ионизация, является наиболее важным механизмом пробоя p–n-перехода. Напряжение лавинного пробоя определяет верхний предел обратного напряжения большинства диодов, коллекторного напряжения биполярных транзисторов, напряжения стока полевых транзисторов.

Напряжение лавинного пробоя p–n-перехода можно определить, зная величины максимального электрического поля и ширины области пространственного заряда.

Величина максимального значения напряженности электрического поля в p–n-переходе, сформированном на кремнии, определяется выражением

 , (1.34)

где N – концентрация примеси в высокоомной области p–n-перехода измеряется в см-3.

Если ширина области пространственного заряда p–n-перехода (W) известна, то напряжение пробоя для резкого несимметричного перехода

, (1.35)

а для плавного перехода

. (1.36)

Оценка величины напряжения пробоя резкого p-n-перехода может быть сделана на основании универсального приближенного выражения, справедливого для различных полупроводников:

 [В]. (1.37)

Для плавного перехода величину напряжения пробоя можно оценить, используя соотношение

 [В]. (1.38)

В выражениях (1.35) – (1.38) размерность величины а в см-4, а значение ширины запрещенной зоны полупроводника Eg при комнатной температуре в эВ.

Для p–n-перехода, полученного диффузионным методом, с линейным распределением примеси на одной стороне и с постоянной концентрацией примеси на другой стороне перехода напряжение пробоя принимает промежуточное значение между напряжением пробоя резкого и линейного переходов.

Для низких значений N напряжение пробоя диффузионного перехода приближается к напряжениям для резкого перехода; для высоких N напряжение близко к напряжениям для линейного перехода.

Выражения (1.34 – 1.38) получены в предположении достаточно большой толщины области пространственного заряда, чтобы существовали условия, необходимые для реализации процесса лавинного умножения носителей заряда.

Порядок построения энергетической диаграм-мы p-n-перехода. Для построения энергетической диаграммы несимметричного электронно-дырочного перехода при заданном напряжении смещения U необходимо определить следующие электрофизические характеристики:

концентрации примесей в высокоомной и низкоомной областях p–n-перехода;

величины объемных потенциалов (φобn, φобp), позволяющие определить положения уровней Ферми в р- и n -областях p–n-перехода, используя формулы (1.5 а), (1.5 б) и, полагая, что концентрации основных носителей заряда в n- и р- областях равны концентрациям донорных и акцепторных примесей (атомы примеси полностью ионизированы), т.е. nn » ND и pp » NA;

величину ширины области пространственного заряда соответствующего p–n-перехода, используя формулы (1.31), (1.33).

По полученным и исходным данным строится энергетическая диаграмма в следующей последовательности.

1. Выбирается масштаб – по вертикали в эВ, по горизонтали в мкм или в нм. Напомним, что электрон-вольт – это энергия, которую приобретает электрон, пройдя разность потенциалов 1 В. Связь этой единицы с джоулями следующая: 1 эВ = 1,6·10-19 Дж. Энергия, выраженная в электрон-вольтах, численно совпадает с соответствующей разностью потенциалов.

2. Проводится (произвольно) горизонтальная линия – линия уровня Ферми в высокоомной области p–n-перехода, обозначается Efn или Efр.

3. На расстоянии, равном величине рассчитанного объемного потенциала, выше (в случае, если область р-типа) или ниже (в случае, если область n -типа) уровня Ферми прочерчивается горизонтальная линия, соответствующая уровню середины запрещенной зоны, обозначается Ei.

4. Параллельно линии Ei на расстояниях, равных половине величины запрещенной зоны полупроводника Eg/2, проводятся горизонтальные линии:

- выше Ei – линия уровня дна зоны проводимости, обозначаемая Ec,

- ниже Ei – линия уровня потолка валентной зоны, обозначаемая Ev.

5. Проводятся вертикальные пунктирные линии, обозначающие границы области пространственного заряда р–n-перехода, расстояние между ними равно рассчитанному значению ширины р–n-перехода.

6. Проводится горизонтальная линия, соответствующая уровню Ферми в низкоомной области, таким образом, чтобы она отличалась от линии уровня Ферми в высокоомной области на величину приложенного напряжения смещения U, обозначается Efр или Efn.

7. Прочерчиваются линии, соответствующие середине запрещенной зоны, дну зоны проводимости и потолку валентной зоны в низкоомной области р–n-перехода способами, описанными в п. 3 и 4, обозначаются Ei, Ec и Ev.

8. Одинаково обозначенные линии, а также линии уровней Ферми в р- и n- областях соединяются друг с другом соответствующими отрезками прямой линии.

Охлаждение полупроводниковых приборов

В маломощных схемах транзисторы редко рассеивают мощность более 100мВт. Распространение тепла вдоль проводников и конвекция от корпуса транзистора в окружающий воздух при этом оказываются достаточными, чтобы избежать перегрева p-n перехода.

Транзисторы, на которых рассеиваются большие мощности, например, в мощных источниках питания и в выходных каскадах усилителей мощности, требуют применения специальных средств для отвода тепла. Обычно теплоотводы (радиаторы) используются с транзисторами, конструктивное исполнение которых предполагает их работу с радиаторами. Радиатор часто имеет ребристое исполнение и обычно он закрепляется на заземленном металлическом корпусе установки, которая сама может служить теплоотводом. Во всех случаях необходимо помнить, что корпус транзистора обычно соединен с коллектором и поэтому необходима электрическая изоляция между корпусом транзистора и радиатором. Слюдяные или лавсановые прокладки с нанесенной на каждую сторону теплопроводящей пастой гарантируют хороший тепловой контакт.

Качество теплоотвода обычно характеризуется величиной теплового сопротивления, которое учитывает тот факт, что скорость распространения тепла пропорциональна разности температур между источником тепла и внешней средой. В соответствии с этим понятием тепловое сопротивление q равно разности температур, деленной на величину рассеиваемой мощности, и измеряется в оС/Вт. Таким образом, корпус теплоотвода, имеющий тепловое сопротивление 3 оС/Вт, при рассеиваемой мощности 30Вт будет нагреваться до температуры на 90 оС выше температуры окружающей среды. Полное тепловое сопротивление транзистора на теплоотводе состоит из последовательного соединения тепловых сопротивлений между полупроводниковым кристаллом и корпусом, корпусом и радиатором, радиатором и окружающей средой. Максимальная температура полупроводникового кристалла обычно составляет 150 оС, а температуру окружающей среды можно принять равной 50 оС (это температура, при которой допускается работа электронной аппаратуры общего назначения).

Производители транзисторов, как правило, указывают безопасную максимальную температуру корпуса для своих транзисторов в 125 оС, кроме того, теплопроводность от корпуса транзистора к радиатору обычно столь хороша, что в большинстве вычислений можно учитывать только тепловое сопротивление между радиатором и воздухом qрв. Зная мощность Р, рассеиваемую транзистором, и полагая, что температура окружающей среды равна 50 оС, можно найти температуру корпуса транзистора: Тк=50+(Р*qрв). Сверяясь с данными производителя, теперь можно выяснить, сможет ли рассматриваемый транзистор рассеивать требуемую мощность при найденной температуре корпуса. Если это не так, то тепловое сопротивление qрв должно быть уменьшено путем применения большего радиатора. Большие ребристые радиаторы для мощных транзисторов обычно имеют тепловое сопротивление 2…4 оС/Вт, которое можно уменьшить до 1 оС/Вт с помощью принудительного охлаждения.


На главную