Capítulo 2 Semiconductor Diodos Semiconductor
diodo
es
tú mismo
dispositivo semiconductor con una unión p-n y dos
conclusiones. La mayoría de los diodos se basan en
uniones p-n asimétricas. Sin embargo, una de las áreas
diodo, generalmente (p +) altamente dopado y llamado emisor,
otro
(norte)
ligeramente aleado
–
base.
Unión PN
colocado en la base porque es ligeramente aleado.
Estructura, símbolo y nombre de las salidas
mostrado en la fig. 3.1. Entre cada área exterior
semiconductor y su salida tiene un contacto óhmico,
que en la Fig. 3.1 se muestra en negrita.
Dependiendo de la tecnología de fabricación, hay:
diodos puntuales, aleados y microaleados, con difusión
base, epitaxial, etc.
Por
funcional
cita
diodos
Cuota:
rectificador, universal, pulso, diodos zener y
estabilizadores, varicaps, túnel e invertidos, así como diodos de microondas, etc.

Clasificación de diodos según su finalidad funcional y su UGO

2.1. Voltio-amperio característico del diodo

diodos semiconductores

2.2. Circuito equivalente de diodo

2.3. El efecto de la temperatura en las características I-V del diodo.

2.4. diodos rectificadores

2.5. diodos de pulso

2.7. Estabilizadores y diodos zener

2.9. Diodos túnel e invertidos

2.10. Marcado de diodos semiconductores

Disciplina: Ingeniería Eléctrica y Electrónica

Contenidos.1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
Definición.
Área de aplicación.
Principio de funcionamiento.
Tipos de dispositivos y su designación.
VACACIONES.
factor de rectificación.
Circuitos puente para encender diodos.
Diodos Schottky.

Definición.

Área de aplicación.

Cómo funciona un diodo rectificador

Tipos de dispositivos y su designación.

Parámetros de diodos rectificadores.

Parámetros de diodos rectificadores.

Características de voltios-amperios

Relación de rectificación

Circuitos puente para encender diodos.

Circuito puente monofásico.

Circuito puente trifásico.

Diodos Schottky

Secciones: Física, Concurso "Presentación para la lección"

Presentación para la lección

De vuelta atras

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Lección en décimo grado.

Asunto: R- y norte- tipos diodo semiconductor transistores

Metas:

• educativo: formarse una idea de los portadores de carga eléctrica libres en semiconductores en presencia de impurezas desde el punto de vista de la teoría electrónica y, con base en este conocimiento, averiguar la esencia física de la unión p-n; enseñar a los estudiantes a explicar el funcionamiento de los dispositivos semiconductores, a partir del conocimiento de la naturaleza física de la unión p-n;
• desarrollando: desarrollar el pensamiento físico de los estudiantes, la capacidad de formular conclusiones de forma independiente, ampliar el interés cognitivo, la actividad cognitiva;
• educativo: continuar la formación de la cosmovisión científica de los escolares.

Equipo: presentación sobre el tema:"Semiconductores. Corriente eléctrica a través de contacto semiconductor R- y norte- tipos diodo semiconductor Transistor, proyector multimedia.

durante las clases

I. Momento organizativo.

II. Aprendiendo material nuevo.

diapositiva 1.

Diapositiva 2. Semiconductores - una sustancia en la que la resistividad puede variar mucho y disminuye muy rápidamente al aumentar la temperatura, lo que significa que la conductividad eléctrica (1/R) aumenta.

Se observa en silicio, germanio, selenio y en algunos compuestos.

Diapositiva 3.

Mecanismo de conducción en semiconductores.

diapositiva 4.

Los cristales semiconductores tienen una red cristalina atómica, donde el exterior Diapositiva 5. los electrones están unidos a los átomos vecinos por enlaces covalentes.

A bajas temperaturas, los semiconductores puros no tienen electrones libres y se comportan como dieléctricos.

Los semiconductores son puros (sin impurezas)

Si el semiconductor es puro (sin impurezas), entonces tiene su propia conductividad, que es pequeña.

Hay dos tipos de conducción intrínseca:

diapositiva 6. 1) electrónico (conductividad "n" - tipo)

A bajas temperaturas en los semiconductores, todos los electrones están asociados con núcleos y la resistencia es grande; a medida que aumenta la temperatura, aumenta la energía cinética de las partículas, se rompen los enlaces y aparecen electrones libres - la resistencia disminuye.

Los electrones libres se mueven en dirección opuesta al vector del campo eléctrico.

La conductividad electrónica de los semiconductores se debe a la presencia de electrones libres.

Diapositiva 7.

2) agujero (conductividad "p" - tipo)

Con un aumento de la temperatura, los enlaces covalentes realizados por los electrones de valencia entre los átomos se destruyen y se forman lugares en los que falta un electrón: un "agujero".

Puede moverse por todo el cristal, porque. su lugar puede ser reemplazado por electrones de valencia. Mover un "agujero" es equivalente a mover una carga positiva.

El agujero se mueve en la dirección del vector de fuerza del campo eléctrico.

Además del calentamiento, la ruptura de los enlaces covalentes y la aparición de la conductividad intrínseca de los semiconductores pueden ser provocadas por la iluminación (fotoconductividad) y la acción de fuertes campos eléctricos. Por lo tanto, los semiconductores también tienen conductividad de huecos.

La conductividad total de un semiconductor puro es la suma de las conductividades de los tipos "p" y "n" y se denomina conductividad de hueco de electrón.

Semiconductores en presencia de impurezas

Dichos semiconductores tienen su propia conductividad + impureza.

La presencia de impurezas aumenta considerablemente la conductividad.

Cuando cambia la concentración de impurezas, cambia el número de portadores de corriente eléctrica (electrones y huecos).

La capacidad de controlar la corriente es la base aplicación amplia semiconductores

Existir:

Diapositiva 8. 1) impurezas del donante (donante)- son proveedores adicionales de electrones para los cristales semiconductores, donan fácilmente electrones y aumentan el número de electrones libres en el semiconductor.

diapositiva 9. Estos son conductores "n" - tipo, es decir. semiconductores con impurezas donantes, donde el principal portador de carga son los electrones y la minoría son los huecos.

Tal semiconductor tiene conducción de impurezas electrónicas. Por ejemplo, el arsénico.

Diapositiva 10. 2) impurezas del aceptor (recepción)- crear "agujeros" tomando electrones en sí mismos.

estos son semiconductores "p" - tipo, es decir. Semiconductores con impurezas aceptoras, donde el principal portador de carga son los huecos y la minoría son los electrones.

Tal semiconductor tiene conductividad de la impureza del agujero. Diapositiva 11. Por ejemplo, indio. diapositiva 12.

Consideremos qué procesos físicos ocurren cuando dos semiconductores entran en contacto con diferente tipo conductividad, o, como dicen, en la unión pn.

Diapositiva 13-16.

Propiedades eléctricas de la unión "p-n"

Unión "p-n" (o unión electrón-hueco): el área de contacto de dos semiconductores, donde la conductividad cambia de electrón a hueco (o viceversa).

En un cristal semiconductor, tales regiones pueden crearse introduciendo impurezas. En la zona de contacto de dos semiconductores de diferente conductividad se producirá una difusión mutua. electrones y huecos, y se forma una capa eléctrica de bloqueo. El campo eléctrico de la capa de barrera evita la transición adicional de electrones y huecos a través del límite. La capa de barrera tiene una mayor resistencia en comparación con otras áreas del semiconductor.

El campo eléctrico externo afecta la resistencia de la capa de barrera.

En la dirección directa (rendimiento) del campo eléctrico externo, la corriente eléctrica pasa a través del límite de dos semiconductores.

Porque los electrones y los huecos se mueven uno hacia el otro hasta la interfase, luego los electrones, cruzando la interfase, llenan los huecos. El espesor de la capa de barrera y su resistencia disminuyen continuamente.

aprobar modo p-n transición:

Con la dirección de bloqueo (inversa) del campo eléctrico externo, la corriente eléctrica no pasará por el área de contacto de los dos semiconductores.

Porque los electrones y los huecos se mueven desde el límite en direcciones opuestas, luego la capa de bloqueo se espesa y su resistencia aumenta.

Modo de unión p-n con enclavamiento:

Por lo tanto, la transición electrón-hueco tiene una conducción unilateral.

diodos semiconductores

Un semiconductor con una unión "p-n" se llama diodo semiconductor.

Chicos, escriban nuevo tema: "Diodo Semiconductor".
"¿Qué otro idiota hay?", Preguntó Vasechkin con una sonrisa.
- ¡No un idiota, sino un diodo! - contestó el profesor, - Diodo, lo que significa que tiene dos electrodos, un ánodo y un cátodo. ¿Todo quedo claro?
“Pero Dostoievski tiene tal obra: “El idiota”, insistió Vasechkin.
- Sí, lo hay, ¿y qué? ¡Estás en clase de física, no de literatura! ¡Te pido que no confundas más un diodo con un idiota!

Diapositiva 17-21.

Cuando se aplica un campo eléctrico en una dirección, la resistencia del semiconductor es grande, en la dirección opuesta, la resistencia es pequeña.

Los diodos semiconductores son los elementos principales de los rectificadores de CA.

Diapositiva 22-25.

transistores llamados dispositivos semiconductores diseñados para amplificar, generar y convertir oscilaciones eléctricas.

Transistores semiconductores: también se utilizan las propiedades de las uniones "p-n", los transistores se utilizan en los circuitos de dispositivos electrónicos.

La gran "familia" de dispositivos semiconductores llamados transistores incluye dos tipos: bipolares y de campo. El primero de ellos, para distinguirlos de alguna manera del segundo, a menudo se denomina transistores ordinarios. Los transistores bipolares son los más utilizados. Es con ellos que podemos comenzar. El término "transistor" se forma a partir de dos palabras en inglés: transferencia - convertidor y resistencia - resistencia. De forma simplificada, un transistor bipolar es una placa semiconductora con tres (como en un pastel de capas) regiones alternas de diferente conductividad eléctrica (Fig. 1), que forman dos uniones p-n. Las dos regiones extremas tienen la conductividad eléctrica de un tipo, la del medio, la conductividad eléctrica de otro tipo. Cada región tiene su propio punto de contacto. Si la conductividad eléctrica del agujero prevalece en las regiones extremas y la conductividad electrónica en el medio (Fig. 1, a), entonces dicho dispositivo se llama transistor p-n-p. En un transistor de la estructura n – p – n, por el contrario, hay regiones con conductividad eléctrica electrónica a lo largo de los bordes, y entre ellos hay una región con conductividad eléctrica de hueco (Fig. 1, b).

Cuando se aplica a la base del transistor tipo n-p-n voltaje positivo, se abre, es decir, la resistencia entre el emisor y el colector disminuye, y cuando se aplica un voltaje negativo, por el contrario, se cierra y cuanto más fuerte es la corriente, más se abre o se cierra. para transistores estructuras p-n-p es al revés.

La base de un transistor bipolar (Fig. 1) es una pequeña placa de germanio o silicio, que tiene conductividad eléctrica electrónica o de hueco, es decir, tipo n o tipo p. En la superficie de ambos lados de la placa se depositan bolas de elementos de impureza. Cuando se calienta a una temperatura estrictamente definida, se produce la difusión (penetración) de elementos impuros en el espesor de la placa semiconductora. Como resultado, aparecen dos regiones en el espesor de la placa, que son opuestas a ella en conductividad eléctrica. Una placa de germanio o silicio de tipo p y las regiones de tipo n creadas en ella forman un transistor de estructura n-p-n (Fig. 1, a), y una placa de tipo n y regiones de tipo p creadas en ella forman un transistor de estructura p-n-p ( Figura 1, b).

Independientemente de la estructura del transistor, su placa del semiconductor original se denomina base (B), la región de menor volumen opuesta a él en conductividad eléctrica es el emisor (E), y la otra región de mayor volumen. es el colector (K). Estos tres electrodos forman dos uniones p-n: entre la base y el colector - el colector, y entre la base y el emisor - el emisor. Cada uno de ellos es similar en sus propiedades eléctricas a las uniones p-n de los diodos semiconductores y se abre a los mismos voltajes directos en ellos.

Las designaciones gráficas convencionales de transistores de diferentes estructuras difieren solo en que la flecha, que simboliza el emisor y la dirección de la corriente a través de la unión del emisor, mira hacia la base para el transistor p-n-p, y desde la base para el transistor n-p-n.

Diapositiva 26-29.

tercero Fijación primaria.

1. ¿Qué sustancias se llaman semiconductores?
2. ¿Qué tipo de conductividad se llama electrónica?
3. ¿Qué tipo de conductividad se observa en los semiconductores?
4. ¿Qué impurezas conoces ahora?
5. ¿Cuál es el modo de rendimiento de la unión pn?
6. ¿Cuál es el modo de bloqueo de la unión pn?
7. ¿Qué dispositivos semiconductores conoces?
8. ¿Dónde y por qué se utilizan los dispositivos semiconductores?

IV. Consolidación de lo estudiado

1. ¿Cómo cambia la resistividad de los semiconductores: cuando se calientan? ¿En iluminación?
2. ¿Será el silicio superconductor si se enfría a una temperatura cercana al cero absoluto? (no, a medida que baja la temperatura, aumenta la resistencia del silicio).

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1 de 16

Presentación sobre el tema: Diodo

diapositiva número 1

Descripción de la diapositiva:

diapositiva número 2

Descripción de la diapositiva:

diapositiva número 3

Descripción de la diapositiva:

diodo túnel El primer trabajo que confirmó la realidad de la creación de dispositivos de túnel se dedicó al diodo de túnel, también llamado diodo Esaki, y fue publicado por L. Esaki en 1958. Esaki, en el proceso de estudiar la emisión del campo interno en una unión p-n de germanio degenerada, descubrió una característica de corriente-voltaje "anómala": la resistencia diferencial en una de las secciones de la característica era negativa. Explicó este efecto con la ayuda del concepto de túnel mecánico cuántico y al mismo tiempo obtuvo un acuerdo aceptable entre los resultados teóricos y experimentales.

diapositiva número 4

Descripción de la diapositiva:

diodo túnel Un diodo túnel es un diodo semiconductor basado en una unión p + -n + con regiones fuertemente dopadas, en la sección recta de la característica corriente-voltaje en la que se observa una dependencia en forma de n de la corriente con respecto al voltaje. Como es sabido, las bandas de energía de impurezas se forman en semiconductores con una alta concentración de impurezas. En los n-semiconductores, esta banda se superpone con la banda de conducción, y en los p-semiconductores, con la banda de valencia. Como resultado, el nivel de Fermi en los semiconductores n con una alta concentración de impurezas se encuentra por encima del nivel Ec y en los semiconductores p por debajo del nivel Ev. Como resultado, dentro del intervalo de energía DE=Ev-Ec, cualquier nivel de energía en la banda de conducción de un n-semiconductor puede corresponder al mismo nivel de energía detrás de la barrera de potencial, es decir en la banda de valencia de un semiconductor p.

diapositiva número 5

Descripción de la diapositiva:

diodo túnel Por lo tanto, las partículas en los semiconductores n y p con estados de energía dentro del intervalo DE están separadas por una estrecha barrera de potencial. En la banda de valencia de un semiconductor p y en la banda de conducción de un semiconductor n, algunos de los estados de energía en el intervalo DE están libres. En consecuencia, a través de una barrera de potencial tan estrecha, a ambos lados de la cual hay niveles de energía desocupados, es posible el movimiento de efecto túnel de las partículas. Al acercarse a la barrera, las partículas experimentan reflexión y, en la mayoría de los casos, regresan, pero aún existe la probabilidad de detectar una partícula detrás de la barrera; como resultado de la transición del túnel, la densidad de corriente del túnel j t0 también es distinta de cero. Calculemos cuál es el ancho geométrico de la unión p-n degenerada. Supondremos que en este caso se conserva la asimetría de la unión p-n (p+ es una región más fuertemente dopada). Entonces el ancho de la transición p+-n+ es pequeño: Estimamos la longitud de onda de De Broglie del electrón a partir de relaciones simples:

diapositiva número 6

Descripción de la diapositiva:

diodo túnel El ancho geométrico de la transición p+-n+ es comparable a la longitud de onda de De Broglie del electrón. En este caso, en una transición p+-n+ degenerada, se pueden esperar manifestaciones de efectos de la mecánica cuántica, uno de los cuales es un túnel a través de una barrera de potencial. ¡Con una barrera estrecha, la probabilidad de hacer un túnel a través de la barrera no es cero!

diapositiva número 7

Descripción de la diapositiva:

diodo túnel Corrientes en un diodo túnel. En equilibrio, la corriente total a través de la unión es cero. Cuando se aplica un voltaje a la unión, los electrones pueden pasar de la banda de valencia a la banda de conducción o viceversa. Para que fluya la corriente del túnel, se deben cumplir las siguientes condiciones: 1) estados de energía en el lado de la unión desde donde se debe llenar el túnel de electrones; 2) del otro lado de la transición, los estados de energía con la misma energía deben estar vacíos; 3) la altura y el ancho de la barrera potencial deben ser lo suficientemente pequeños para que haya una probabilidad finita de tunelado; 4) se debe conservar el cuasi-momento. túnel diodo.swf

diapositiva número 8

Descripción de la diapositiva:

diodo túnel Como parámetros se utilizan tensiones y corrientes que caracterizan los puntos singulares de las características I-V. La corriente pico corresponde al CVC máximo en la región del efecto túnel. La tensión Up corresponde a la corriente Ip. Las corrientes de valle Iv y Uv caracterizan las características I–V en la región del mínimo de corriente. El voltaje de la solución Upp corresponde al valor de la corriente Ip en la rama de difusión de la característica. La sección descendente de la dependencia I=f(U) se caracteriza por una resistencia diferencial negativa rD= -dU/dI, cuyo valor puede determinarse con algún error mediante la fórmula

diapositiva número 9

Descripción de la diapositiva:

diodos invertidos. Consideremos el caso cuando la energía de Fermi en los semiconductores de electrones y huecos coincide o está a una distancia de ± kT/q de la parte inferior de la banda de conducción o de la parte superior de la banda de valencia. En este caso, las características de corriente-voltaje de dicho diodo con polarización inversa serán exactamente las mismas que las de un diodo de túnel, es decir, con un aumento en el voltaje inverso, habrá un rápido aumento en la corriente inversa. En cuanto a la corriente con polarización directa, el componente de túnel de la característica I-V estará completamente ausente debido al hecho de que no hay estados completamente llenos en la banda de conducción. Por lo tanto, cuando se polariza directamente en dichos diodos a voltajes mayores o iguales a la mitad de la brecha de banda, no habrá corriente. Desde el punto de vista de un diodo rectificador, la característica corriente-voltaje de dicho diodo será inversa, es decir, habrá alta conductividad con polarización inversa y baja con polarización directa. En este sentido, este tipo de diodos túnel se denominan diodos invertidos. Así, un diodo invertido es un diodo túnel sin sección con resistencia diferencial negativa. La alta no linealidad de la característica corriente-voltaje a voltajes bajos cercanos a cero (del orden de microvoltios) hace posible usar este diodo para detectar señales débiles en el rango de microondas.

diapositiva número 10

Descripción de la diapositiva:

Procesos de transición. Con cambios rápidos de voltaje a través de un diodo semiconductor basado en p-n normal transición, el valor de la corriente a través del diodo, correspondiente a la característica estática de corriente-voltaje, no se establece de inmediato. El proceso de establecimiento de la corriente durante dicha conmutación suele denominarse proceso transitorio. Los procesos transitorios en los diodos semiconductores están asociados con la acumulación de portadores minoritarios en la base del diodo cuando se enciende directamente y su absorción en la base con un cambio rápido en la polaridad del voltaje a través del diodo. Dado que no hay campo eléctrico en la base de un diodo convencional, el movimiento de los portadores minoritarios en la base está determinado por las leyes de difusión y se produce con relativa lentitud. Como resultado, la cinética de acumulación de portadores en la base y su disipación afectan las propiedades dinámicas de los diodos en el modo de conmutación. Considere el cambio en la corriente I al cambiar el diodo del voltaje directo U al voltaje inverso.

diapositiva número 11

Descripción de la diapositiva:

Procesos de transición. En el caso estacionario, la corriente en el diodo se describe mediante la ecuación Después de completar los transitorios, la corriente en el diodo será igual a J0. Considere la cinética del proceso de transición, es decir, el cambio p-n actual transición al cambiar de voltaje directo a inverso. Cuando un diodo está polarizado directamente sobre la base de una unión p-n asimétrica, se inyectan agujeros de no equilibrio en la base del diodo. Se describe el cambio en el tiempo y el espacio de los agujeros inyectados fuera del equilibrio en la base. ecuación de continuidad:

diapositiva número 12

Descripción de la diapositiva:

Procesos de transición. En el tiempo t = 0, la distribución de portadores inyectados en la base se determina a partir de la ecuación de difusión y tiene la forma: De provisiones generales está claro que en el momento de cambiar el voltaje en el diodo de directo a recíproco la corriente inversa será significativamente mayor que la corriente térmica del diodo. Esto sucederá porque la corriente inversa del diodo se debe a la componente de deriva de la corriente y su valor, a su vez, está determinado por la concentración de portadores minoritarios. Esta concentración se incrementa significativamente en la base del diodo debido a la inyección de huecos desde el emisor y se describe en el momento inicial por la misma ecuación.

diapositiva número 13

Descripción de la diapositiva:

Procesos de transición. A medida que pasa el tiempo, la concentración de portadores fuera del equilibrio disminuirá y, en consecuencia, la corriente inversa también disminuirá. Durante el tiempo t2, denominado tiempo de recuperación de la resistencia inversa, o tiempo de reabsorción, la corriente inversa llegará a un valor igual a la corriente térmica. Para describir la cinética de este proceso, escribimos las condiciones iniciales y de frontera para la ecuación de continuidad de la siguiente forma. En el tiempo t = 0, la ecuación para la distribución de portadores inyectados en la base es válida. Cuando se establece un estado estacionario en el momento del tiempo, la distribución estacionaria de portadores de no equilibrio en la base se describe mediante la relación:

diapositiva número 14

Descripción de la diapositiva:

Procesos de transición. La corriente inversa se debe únicamente a la difusión de huecos al límite de la región de carga espacial de la unión p-n: El procedimiento para encontrar la cinética de la corriente inversa es el siguiente. Teniendo en cuenta las condiciones de contorno, se resuelve la ecuación de continuidad y se encuentra la dependencia de la concentración de portadores de desequilibrio en la base p(x,t) con el tiempo y las coordenadas. La figura muestra las dependencias coordinadas de la concentración p(x,t) en diferentes momentos. Dependencias de coordenadas de la concentración p(x,t) en diferentes momentos

diapositiva número 15

Descripción de la diapositiva:

Procesos de transición. Sustituyendo la concentración dinámica p(x,t), encontramos la dependencia cinética de la corriente inversa J(t). La dependencia de corriente inversa J(t) tiene la siguiente forma: Aquí, hay una función de distribución de error adicional igual a La primera expansión de la función de error adicional tiene la forma: Expandamos la función en una serie en casos de tiempos pequeños y grandes : t > pág. Obtenemos: De esta relación se sigue que en el momento t = 0 el valor de la corriente inversa será infinitamente grande. La limitación física para esta corriente será la corriente máxima que puede circular por la resistencia óhmica de la base del diodo rB a la tensión inversa U. El valor de esta corriente, denominada corriente de corte Jav, es: Jav = U/rB. El tiempo durante el cual la corriente inversa es constante se denomina tiempo de corte.

diapositiva número 16

Descripción de la diapositiva:

Procesos de transición. Para diodos pulsados, el tiempo de corte τcp y el tiempo de recuperación τv de la resistencia inversa del diodo son parámetros importantes. Hay varias formas de reducir su valor. En primer lugar, la vida útil de los portadores que no están en equilibrio en la base del diodo se puede reducir introduciendo centros de recombinación profundos en el volumen casi neutro de la base. En segundo lugar, puede hacer que la base del diodo sea más delgada para que los portadores que no están en equilibrio se recombinen en la parte posterior de la base.perpr_pn.swf Corriente inversa versus tiempo al cambiar un diodo

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