Меню

Рассчитать величину тока в кремниевом переходе при внешнем напряжении

Вопросы. 1.1. Рассчитать токи через кремниевый p-n переход при температурах 20 и

Задачи

1.1. Рассчитать токи через кремниевый p-n переход при температурах 20 и

50 о С и при напряжении 0,55 В. Принять, что тепловой ток при температуре 25 о С равен 10 -10 А.

1.2. Рассчитать напряжения на кремниевом p-n переходе при температурах 25 и 75 о С и при токе 10 мА. Принять, что тепловой ток при температуре 25 о С составляет 10 -12 А.

1.3. Рассчитать дифференциальные сопротивления кремниевого p-n перехода при температурах 0 и 50 о С и при нулевом приложенном напряжении. Принять, что тепловой ток при температуре 25 о С составляет 10 -11 А.

1.4 Рассчитать дифференциальные сопротивления p-n перехода при температурах 0 и 50 о С и при токе через переход 5 мА. Принять, что тепловой ток при температуре 25 о С составляет 2×10 -11 А.

1.5. Рассчитать дифференциальное сопротивление кремниевого p-n перехода при приложенных напряжениях 0,55 и минус 0,55 В и при температуре 25 о С. Принять, что тепловой ток при температуре 20 о С составляет 3×10 -10 А.

1.6. Рассчитать контактную разность потенциалов для кремниевого и германиевого p-n переходов при температуре 20 о С. Принять концентрации легирующих примесей в p и n – областях равными соответственно 3×10 16 и 10 15 см -3 .

1.7. Рассчитать контактную разность потенциалов и сопротивление базы диода на основе кремниевого p-n перехода при температуре 300 К. Принять, что концентрация легирующих примесей в p и n-областях составляет соответственно 3×10 16 и 10 15 см -3 , площадь перехода – 0,1 см 2 , толщина базы – 0,2 см.

1.8. Рассчитать контактную разность потенциалов и сопротивление базы диода на основе кремниевого p-n перехода при температуре 250 К. Принять, что концентрация легирующих примесей в p- и n – областях составляет соответственно 2×10 15 см -3 и 4×10 16 см -3 , площадь перехода – 0,2 см 2 , толщина базы – 0,3 см.

1.9. Рассчитать напряжение на клеммах диода при токе 10 мА и температуре 300 К в соответствии с условием задачи 1.8. Принять, что тепловой ток при этой температуре равен 10 -11 А.

1.10. Рассчитать напряжение на клеммах диода при токе 15 мА и температуре 300 К в соответствии с условиями задачи 1.7. Принять, что тепловой ток при этой температуре составляет 10 -10 А.

1.11. Кремниевый p-n переход включен в цепь, содержащую последовательно соединенные резистор номиналом 1 кОм и источник напряжения 5 В. Рассчитать ток, протекающий через переход при температуре 50 о С, если тепловой ток при температуре 25 о С составляет 10 -11 А. Сопротивлением базы пренебречь. Принять, что p-n переход смещен в прямом направлении.

1.12. Кремниевый p-n переход включен в цепь, содержащую последовательно соединенные резистор номиналом 0,5 кОм и источник напряжения 0,3 В. Рассчитать ток, протекающий через переход при температуре минус 20 о С, если тепловой ток при температуре 25 о С составляет 10 -10 А. Сопротивлением базы пренебречь. Принять, что p-n переход смещен в обратном направлении.

1.13. К двум последовательно соединенным p-n переходам подсоединен источник напряжения 1,1 В. Тепловой ток переходов при температуре 300 К составляет соответственно 10 -10 и 3×10 -10 А. Определить ток, протекающий в цепи при этой температуре, и напряжение на каждом переходе. Принять, что оба перехода смещены в прямом направлении. Сопротивлением базы пренебречь.

1.14. К двум последовательно и встречно соединенным p-n переходам подсоединен источник напряжения 2,0 В. Тепловой ток переходов при температуре 300 К составляет 10 -10 А для перехода, смещенного в прямом направлении, и 3×10 -10 А – для перехода, смещенного в обратном направлении. Определить ток, протекающий в цепи при этой температуре, и напряжение на каждом переходе. Сопротивлением базы пренебречь.

1.15. Рассчитать емкость кремниевого p-n перехода при нулевом приложенном напряжении и температуре 20 о С. Принять, что концентрация примесей в p- и n — областях составляет 10 16 и 10 15 см -3 соответственно. Площадь перехода равна 0,1 см 2 .

1.16. Рассчитать емкость кремниевого p-n перехода при напряжении 0,56 В и температуре 300 К. Принять, что концентрация примесей в p— и n- областях составляет соответственно 3×10 16 и 10 15 см -3 . Время жизни носителей в базе принять равным 0,001 с, площадь перехода – 0,1 см 2 .

1.17. Рассчитать, насколько изменится емкость кремниевого p-n перехода при уменьшении приложенного напряжения от минус 0,5 до минус 0,9 В. Концентрация примесей в p- и n- областях равна 10 15 и 2×10 16 см -3 соответственно. Температуру принять равной 300 К.

1.18. Определить, насколько изменится емкость кремниевого p-n перехода, если температура увеличится от 30 о до 50 о С при постоянном приложенном напряжении минус 0,5 В. Концентрация примесей в p— и n- областях составляет соответственно 4×10 16 и 2×10 15 см -3 .

Читайте также:  Зависимость силы тока от напряжения электрическое сопротивление проводников 8 класс тест ответы

1.19. Рассчитать, насколько изменится емкость кремниевого p-n перехода, если температура увеличится от 27 о до 50 о С при постоянном приложенном напряжении 0,57 В. Концентрация примесей в p- и n – областях составляет соответственно 2×10 16 и 10 15 см -3 , площадь перехода – 0,1 см 2 . Время жизни неравновесных носителей считать не зависящим от температуры и равным 0,001 с.

1.20. В параллельном колебательном контуре в качестве конденсатора используется обратно смещенный кремниевый p-n переход. Рассчитать, как изменится резонансная частота колебательного контура, если обратное смещение снизить от минус 0,2 В до минус 0,7 В, а индуктивность составляет 2 мкГн. Концентрация примесей в p- и n – областях перехода равна соответственно 10 15 и 10 16 см -3 , площадь перехода – 0,1 см 2 , температура – 300 К.

1.21. Рассчитать, насколько необходимо изменить температуру кремниевого p-n перехода по отношению к 300 К для того, чтобы тепловой ток увеличился в 2 раза.

1.22. К кремниевому p-n переходу приложено обратное напряжение 0,2 В. Рассчитать, насколько необходимо изменить напряжение для того, чтобы уменьшить ширину перехода в 2 раза. Концентрация примесей в p— и n – областях равна соответственно 10 15 и 3×10 16 см -3 .

1.23. Кремниевый p-n переход последовательно включен в цепь, содержащую резистор номиналом 100 кОм и источник напряжения 3 В. Переход смещен в обратном направлении. Определить, насколько изменится напряжение на клеммах резистора при увеличении температуры относительно 20 о С на один градус. Тепловой ток при температуре 300 К считать равным 10 -10 А.

1.24. Кремниевый p-n переход последовательно включен в цепь, содержащую резистор номиналом 1 кОм и источник напряжения 5 В. Переход смещен в прямом направлении. Определить, насколько изменится напряжение на переходе при изменении температуры (20 о С) на один градус. Тепловой ток при температуре 300 К считать равным 10 -10 А.

1.25. Кремниевый p-n переход последовательно включен в цепь, содержащую резистор номиналом 2 кОм и источник напряжения 8 В. Переход смещен в прямом направлении. Определить, насколько изменится напряжение на переходе при увеличении напряжения источника на 1 В. Температуру принять равной 300 К, тепловой ток при этой температуре равен 10 -11 А.

1.26. Рассчитать амплитуду тока в цепи кремниевого диода, если к диоду подключен источник синусоидального напряжения с действующим значением 10 мВ и частотой 100 кГц. Концентрация примесей в p- и n – областях равна соответственно 2×10 15 и 3×10 16 см -3 , площадь перехода – 0,1 см 2 , ширина базы – 0,2 см, температура – 300 К.

1.27. Определить сопротивление базы кремниевого диода на основе p-n перехода, если при приложении обратного напряжения 2 В ток равен 10 -12 А, а при приложении прямого напряжения 0,8 В ток равен 20 мА. Температуру принять равной 20 о С.

1.28. Обратный ток p-n перехода при напряжении 2 В и температуре 20 о С составляет 10 -12 А, а при увеличении температуры до 40 о С возрастает до 10 -11 А. Определить обратный ток перехода при температуре 60 о С.

1.29. Емкость кремниевого p-n перехода при напряжении минус 0,2 В равна 10 -8 Ф, а при напряжении минус 0,8 В равна 7×10 -9 Ф. Рассчитать емкость перехода при нулевом напряжении на переходе, если концентрация примесей в p- и n – областях составляет соответственно 2×10 15 и 3×10 16 см -3 .

1.30. р-n переход включен последовательно в цепь, содержащую резистор номиналом 100 кОм и источник напряжения. Переход смещен в обратном направлении. Определить величину напряжения источника, при котором обратный ток отличается от теплового на 1%, если тепловой ток составляет 10 -7 А. Температуру принять равной 20 о С.

1.31. р-n переход, зашунтированный резистором номиналом 50 Ом, включен в цепь, содержащую последовательно включенный резистор 100 Ом и источник напряжения 5 В. Определить ток, потребляемый от источника, если переход смещен в прямом направлении, а тепловой ток равен 10 -8 А. Температура равна 300 К.

1.32. Диод на основе p-n перехода имеет сопротивление базы 30 Ом, тепловой ток 10 -10 А, сопротивление утечки 10 8 Ом. Рассчитать токи через диод при приложении напряжения 1 В и минус 1 В. Температуру принять равной 20 о С, сопротивление утечки считать не зависящим от приложенного напряжения.

1.33. Прямой ток через p-n переход при температуре 20 о С составляет 1 мА, а при температуре 40 о С увеличивается до 1,2 мА. Приложенное к переходу напряжение при этом остается постоянным и составляет 0,55 В. Определить ширину запрещенной зоны полупроводникового материала, из которого изготовлен переход. Сопротивление базы принять равным нулю.

1. Показать, как перемещаются носители заряда через p-n переход при нулевом, прямом и обратном напряжениях. Объяснить, почему p-n переход обладает вентильными свойствами.

2. Объяснить, что такое ширина p-n перехода и как она зависит от приложенного к переходу напряжения.

Читайте также:  Ток пройдет через сердце

3. Начертить энергетические диаграммы p-n перехода при нулевом, прямом и обратном напряжениях и дать соответствующие объяснения для каждой из них.

4. Начертить вольт-амперную характеристику p-n перехода и показать, какое влияние на нее оказывает полупроводниковый материал, из которого изготовлен переход (например, кремний и германий).

5. Начертить вольт-амперную характеристику p-n перехода и показать, как определяется дифференциальное сопротивление в рабочей точке. Начертить зависимость дифференциального сопротивления от напряжения на переходе.

6. Объяснить, что такое эмиттер и база диода и какое влияние эти области оказывают на ход его вольт-амперной характеристики.

7. Объяснить механизм возникновения и степень влияния на вольт-амперную характеристику p-n перехода токов генерации и рекомбинации в области пространственного заряда.

8. Показать, как изменяются прямой и обратный токи p-n перехода при увеличении температуры, и объяснить эти изменения.

9. Объяснить, что такое тепловой ток p-n перехода и как он зависит от приложенного к переходу напряжения и температуры.

10. Начертить вольт-амперные характеристики p-n перехода при наличии электрического пробоя. Объянить, какие физические явления в переходе приводят к возникновению пробоя, как влияет температура на напряжение пробоя и указать диапазоны численных значений напряжений пробоя.

11. Начертить вольт-амперную характеристику p-n перехода при наличии теплового пробоя. Объяснить, какие физические явления приводят к возникновению пробоя, как влияет температура на напряжение пробоя и указать диапазон численных значений напряжений пробоя.

12. Начертить на одном графике вольт-амперные характеристики p-n переходов, изготовленных на основе кремния и германия, и объяснить существующие различия.

13. Показать и объяснить, как реагирует диод на основе p-n перехода на подключение и отключение источников тока различной величины.

14. Показать и объяснить, как реагирует диод на переключение источника напряжения смещения от прямого на обратное.

15. Объяснить, какие физические процессы приводят к появлению барьерной емкости p-n перехода, как зависит эта емкость от приложенного напряжения и в каких случаях использование этой емкости в схемотехнических расчетах является правомерным.

16. Объяснить, какие физические процессы приводят к появлению диффузионной емкости p-n перехода, как зависит эта емкость от приложенного напряжения и в каких случаях использование этой емкости в схемотехнических расчетах является правомерным.

17. Перечислить основные электрические параметры и предельные эксплуатационные данные для низкочастотных выпрямительных диодов с объяснениями и иллюстрациями на графиках.

18. Перечислить основные электрические параметры и предельные эксплуатационные данные для высокочастотных выпрямительных диодов с объяснениями и иллюстрациями на графиках.

19. Начертить простейшую схему включения стабилитрона и объяснить эффект стабилизации входного напряжения.

20. Перечислить основные электрические параметры и предельные эксплуатационные данные для стабилитронов с указанием диапазонов численных значений. Объяснить, как влияет температура на напряжение стабилизации и какими способами можно снизить это влияние.

21. Объяснить принцип работы варикапов, перечислить основные электрические параметры, указать основные области их использования и начертить простейшую схему включения.

Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет

Источник

Рассчитать величину тока в кремниевом переходе при внешнем напряжении

P-n переход при прямом и обратном напряжении

Напряжение, приложенное к p-n переходу, называется прямым, если оно приложено «плюсом» к p-области и минусом к n-области, обратным наоборот. Напряжение, приложенное к переходу называется также смещением перехода.

При прямом смещении (image002_0 P-n переход при прямом и обратном напряжении) источник создает поток электронов, который проникает в n-область и вместе с основными электронами n-области эти внесенные электроны дрейфуют по направлению границы. Аналогично и в p-области: от источника поступают дополнительные дырки, которые вместе с основными дырками дрейфуют к границе. Вблизи границы электроны и дырки рекомбинируют, а на выводах источника появляются новые электроны и дырки, поступающие в ПП пока приложено прямое напряжение.

Кроме того, электроны из p-области притягиваются к «плюсу» источника, а дырки из n-области притягиваются к «минусу» источника, снижая тем самым концентрацию неосновных носителей зарядов. Возникает ток, который называется прямым. Этот ток ограничен сопротивлением перехода в прямом смещении, которое при увеличении image002_0 P-n переход при прямом и обратном напряженииочень мало (image003_0 P-n переход при прямом и обратном напряжении). Поэтому image004_0 P-n переход при прямом и обратном напряженииочень большой, а pn переход называется открытым. Открывается переход после того, как приложенное image002_0 P-n переход при прямом и обратном напряжениипревысит потенциальный барьер.

image005_0 P-n переход при прямом и обратном напряжении

При обратном смещении ( ) свободные электроны n-области притягиваются к «плюсу» источника, а свободные дырки p-области – к «минусу» источника. Обедненный слой расширяется, и величина потенциального барьера растет. Это препятствует перемещению основных носителей зарядов через переход. С другой стороны через переход и внешнюю цепь будут проходить неосновные носители зарядов, образуя небольшой обратный ток. Сопротивление перехода в обратном смещении ( ) велико и при возрастании обратного напряжения ток будет медленно возрастать. Переход закрыт.

график p-n перехода

Таким образом, pn переход обладает односторонней проводимостью.

Этот процесс описывается с помощью ВАХ:

Область 1: image006_0 P-n переход при прямом и обратном напряженииimage008_0 P-n переход при прямом и обратном напряжении, image004_0 P-n переход при прямом и обратном напряжениивозрастает (image009 P-n переход при прямом и обратном напряжении).

Область 3: image010_0 P-n переход при прямом и обратном напряжении– мал, медленно растет.

Область 4: соответствует обратному напряжению, при котором происходит пробой pn перехода.

Источник

Некоторые Примеры расчетов электрофизических характеристик полупроводниковых структур

Пример 1.В германиевом р-n-переходе удельная проводимость р-области σр=10 4 См/м и удельная проводимость n-области σn=10 2 См/м. Подвижности электронов μn и дырок mp в германии соответственно равны 0,39 и 0,19 м 2 /(В×с). Концентрация собственных носителей в германии при Т=300 К составляет ni=2,5×10 19 м -3 . Вычислить контактную разность потенциалов (высоту потенциального барьера) при Т=300 К.

Читайте также:  Как называется устройство для получения переменного электрического тока

Решение

Для материала р-типа σp=qρpmр. Отсюда концентрация дырок в p-области

Аналогично для материала n-типа

Концентрация дырок в n-области

pn=пi 2 /пп=(2,5×10 19 ) 2 /(1,60×10 21 )=3,91×10 17 м -3 .

Тогда контактная разность потенциалов

Пример 2.Используя данные и результаты расчетов задачи из примера 1, найти плотность обратного тока насыщения, а также отношение дырочной составляющей обратного тока насыщения к электронной, если диффузионные длины для электронов и дырок Ln = Lp = 1×10 -3 м.

Решение

Плотность обратного тока насыщения

Из предыдущей задачи

Используя соотношение Эйнштейна

Отношение дырочной составляющей обратного тока насыщения к электронной составляющей равно

Пример 3.Германиевый полупроводниковый диод, имеющий обратный ток насыщения I=25 мкА, работает при прямом напряжении, равном 0,1 В, и T = 300 К. Определить: а) сопротивление диода постоянному току R; б) дифференциальное сопротивление r.

Решение

Найдем ток диода при прямом напряжении (U=0,1 В) по формуле

I=Iexp(qU/kT-1)=

=25∙10 -6 (exp(1,6∙10 -19 ∙0,1/(1,38∙10 -23 ∙300)-1)=1,17мА.

Тогда сопротивление диода постоянному току

R =U/I=0,1/(1,17×10 -3 )=85Ом.

Вычислим дифференциальное сопротивление:

r=1/(46×10 -3 )=21,6Ом.

Или приближенно, с учетом того, что I>>I,

Пример 4.В равновесном состоянии высота потенциального барьера сплавного германиевого p–n-перехода равна 0,2 В, концентрация акцепторных примесей NA в p-области много меньше концентрации доноров в ND n-области и равна 3×10 14 см -3 . Требуется: а) вычислить ширину p–n-перехода W для обратных напряжений Uобр, равных 0,1 и 10 В; б) для прямого напряжения Uпр 0,1 В; в) найти барьерную емкость С, соответствующую обратным напряжениям, равным 0,1 и 10 В, если площадь p–n-перехода S=1 мм 2 .

Решение

В выражении для расчета ширины ОПЗ резкого p–n-перехода

По условию задачи NA

можно рассчитать концентрацию примеси в полупроводнике:

n=ND=niexp(0,362/0,0258)=1,5∙10 10 exp(0,362/0,0258)=

=1,8∙10 16 см -3 .

Из уравнения, приведенного в пункте 1.3.1, следует, что напряженность электрического поля в ОПЗ максимальна (Em) при U = 0. Рассчитаем вначале ширину ОПЗ при U = 0:

а затем напряженность электрического поля:

Пример 6.Идеальный МДП-конденсатор сформирован на основе кремниевой подложки р-типа с концентрацией NA = 10 15 см -3 . Диэлектрический слой имеет толщину 100 нм. Разность работ выхода электрона из металла и полупроводника составляет qjМП = — 0,9эВ. Плотность заряда на границе раздела Qss = 8×10 -8 Кл/см -2 . Вычислите максимальную толщину обедненной области Wmax , емкость диэлектрического слоя, заряд в обедненной области (Qs), пороговое напряжение и минимальную емкость МДП-конденсатора, а также его пороговое напряжение с учетом влияния напряжения плоских зон.

Решение

Для расчета максимальной толщины обедненной области Wmax вычислим сначала величину объемного потенциала:

а емкость диэлектрического слоя

Cd=eed/d=8,85×10 -14 ×4/10 -5 =3,45×10 -8 Ф/см 2 .

Заряд в обеденной области рассчитаем следующим образом:

тогда пороговое напряжение

Емкость обеденного слоя полупроводника

а общая емкость МДП-структуры при наличии обедненного слоя

Пороговое напряжение с учетом влияние напряжения плоских зон

-(5×10 11 ×1,6×10 -19 -1,39×10 -8 )/3,45×10 -8 = -2,24B.

Источник



1.2.2. Электронно — дырочный переход при внешнем воздействии

При подключении к p-n-переходу внешнего напряжения плюсом к полупроводнику р-типа (прямое включение) потенциальный барьер для основных носителей уменьшается, через переход потечет ток, увеличивающийся с увеличением внешнего напряжения. При изменении полярности внешнего напряжения (обратное включение) потенциальный барьер увеличивается, весьма малый обратный ток определяется дрейфом только неосновных носителей.

Зависимость тока через переход от приложенного к нему внешнего напряжения определяет так называемую вольтамперную характеристику перехода (ВАХ). Для идеального p-n-перехода имеет место следующая зависимость тока от напряжения

где Is — обратный ток насыщения неосновных носителей при обратном напряжении на переходе. При u >> 0,025 В величина , поэтому в этом случае можно считать , а при u -15 …10 -13 А. В выражение (1.4) для малых токов кремниевого перехода в формулу (1.4) вводят коэффициент m =2…2,5:

Обычно графики для прямых и обратных токов представляются в разных масштабах как для токов, так и для напряжений, поскольку прямые напряжения составляют доли вольта при токах несколько миллиампер , а обратные напряжения – десятки вольт при токе доли и единицы микроампер.

В каждой точке нелинейной ВАХ можно найти производную, которая характеризует дифференциальные проводимость или сопротивление, сильно отличающиеся на прямой и обратной ветвях ВАХ.

На вид и положение ВАХ в значительной степени влияет температура p — n -перехода . Считается, что ток насыщения IS изменяется примерно в два раза у германиевых переходов и в 2,5 раза у кремниевых на каждые 10 градусов изменения температуры, при этом изменение падения напряжения на переходе составляет –(2…2,5) mВ/ о С. В интегральных схемах это изменение достигает величины -1,5 mВ/ о С.

Максимально допустимые температуры для германиевых переходов составляют 80…100 о С, для кремниевых переходов – 150…200 о С .

Источник