Eine Halbleiterdiode ist nichtlinear elektronisches Gerät mit zwei Ausgängen. Abhängig von der inneren Struktur, Art, Menge und Höhe der Dotierung der inneren Elemente der Diode und den Strom-Spannungs-Kennlinien variieren die Eigenschaften von Halbleiterdioden.

Gleichrichterdiode eingeschaltet pn-BasisÜbergang Die Basis der Gleichrichterdiode ist ein herkömmlicher Elektron-Loch-Übergang; die Strom-Spannungs-Kennlinie einer solchen Diode weist eine ausgeprägte Nichtlinearität auf. Bei Vorwärtsspannung handelt es sich bei dem Diodenstrom um einen Injektionsstrom mit großem Betrag, der die Diffusionskomponente des Majoritätsträgerstroms darstellt. Bei Sperrvorspannung ist der Diodenstrom klein und stellt die Driftkomponente des Minoritätsträgerstroms dar. Im Gleichgewichtszustand ist der Gesamtstrom aufgrund der Diffusions- und Driftströme von Elektronen und Löchern Null. Reis. Parameter einer Halbleiterdiode: a) Strom-Spannungs-Kennlinie; b) Der Aufbau des Strom-Spannungs-Kennliniengehäuses wird durch die Gleichung beschrieben

Gleichrichtung in einer Diode Eine der Haupteigenschaften einer Halbleiterdiode basiert auf p-n-Übergang ist eine starke Asymmetrie der Strom-Spannungs-Kennlinie: hohe Leitfähigkeit bei Vorwärtsvorspannung und niedrige bei Rückwärtsvorspannung. Diese Diodeneigenschaft wird bei Gleichrichterdioden genutzt. Die Abbildung zeigt ein Diagramm, das die Gleichrichtung von Wechselstrom in einer Diode veranschaulicht. - Gleichrichtungskoeffizient einer idealen Diode basierend auf einem pn-Übergang.

Charakteristischer Widerstand Es gibt zwei Arten von charakteristischen Widerständen von Dioden: Differenzwiderstand rD und Gleichstromwiderstand RD. Der Differenzwiderstand ist definiert als Gleichstromwiderstand. Im Vorwärtsabschnitt der Strom-Spannungs-Kennlinie ist der Gleichstromwiderstand größer als der Differenzwiderstand RD > rD, im Rückwärtsabschnitt ist er kleiner als RD rD und im Rückwärtsabschnitt ist er kleiner weniger als RD

Zenerdioden Eine Zenerdiode ist eine Halbleiterdiode, deren Volt-Ampere-Kennlinie einen Bereich starker Abhängigkeit des Stroms von der Spannung im umgekehrten Abschnitt der Volt-Ampere-Kennlinie aufweist. Die Strom-Spannungs-Kennlinie der Zenerdiode hat die in der Abbildung gezeigte Form: Wenn die Spannung an der Zenerdiode, die sogenannte Stabilisierungsspannung Ustab, erreicht wird, steigt der Strom durch die Zenerdiode stark an. Der Differenzwiderstand Rdiff einer idealen Zenerdiode geht in diesem Abschnitt der Strom-Spannungs-Kennlinie gegen 0, in realen Geräten beträgt der Wert von Rdif: Rdif 2 50 Ohm.

Der Hauptzweck einer Zenerdiode besteht darin, die Spannung an der Last zu stabilisieren, wenn sich die Spannung im externen Stromkreis ändert. Dabei ist ein Lastwiderstand in Reihe mit der Zenerdiode geschaltet, der die Änderung der externen Spannung dämpft. Daher wird eine Zenerdiode auch als Referenzdiode bezeichnet. Die Stabilisierungsspannung Ustab hängt von dem physikalischen Mechanismus ab, der eine starke Abhängigkeit des Stroms von der Spannung verursacht. Für diese Abhängigkeit des Stroms von der Spannung sind zwei physikalische Mechanismen verantwortlich: Lawinen- und Tunneldurchbruch des pn-Übergangs. Bei Zenerdioden mit Tunneldurchbruchmechanismus ist die Stabilisierungsspannung Ustab klein und beträgt weniger als 5 Volt: Ustab 8 V.

Varicaps Varicap ist eine Halbleiterdiode, deren Funktionsweise auf der Abhängigkeit der Barriere basiert Kapazitäten p-nÜbergang von der Sperrspannung. Varicaps werden als Elemente mit elektrisch gesteuerter Kapazität in Schaltkreisen zum Abstimmen der Frequenz eines Schwingkreises, zum Teilen und Multiplizieren von Frequenzen, zur Frequenzmodulation, zu gesteuerten Phasenschiebern usw. verwendet. Ohne externe Spannung existieren eine Potentialbarriere und ein internes elektrisches Feld im pn-Übergang. Wenn an die Diode eine Sperrspannung angelegt wird, erhöht sich die Höhe dieser Potentialbarriere. Die externe Sperrspannung stößt Elektronen tiefer in den n-Bereich ab, was zu einer Erweiterung des Verarmungsbereichs führt. p-n-BereicheÜbergang, der als der einfachste Flachkondensator dargestellt werden kann, bei dem die Platten die Grenzen des Bereichs darstellen. In diesem Fall nimmt gemäß der Formel für die Kapazität eines Flachkondensators mit zunehmendem Abstand zwischen den Platten (verursacht durch eine Erhöhung des Sperrspannungswerts) die Kapazität des pn-Übergangs ab. Diese Reduzierung wird nur durch die Dicke der Basis begrenzt, über die hinaus sich der Übergang nicht ausdehnen kann. Sobald dieses Minimum erreicht ist, ändert sich die Kapazität mit zunehmender Sperrspannung nicht mehr.

In einem Halbleiter vom n+-Typ sind alle Zustände im Leitungsband bis zum Fermi-Niveau von Elektronen besetzt, in einem Halbleiter vom p+-Typ von Löchern. Banddiagramm eines p+ n+-Übergangs, der aus zwei entarteten Halbleitern besteht: Berechnen wir die geometrische Breite des entarteten p n-Übergangs. Wir gehen davon aus, dass in diesem Fall die Asymmetrie des pn-Übergangs erhalten bleibt (p+ ist ein stärker dotierter Bereich). Dann ist die Breite des p+ n+-Übergangs klein: Wir schätzen die De-Broglie-Wellenlänge des Elektrons aus einfachen Beziehungen ab:

Somit stellt sich heraus, dass die geometrische Breite des p+ n+-Übergangs mit der de Broglie-Wellenlänge des Elektrons vergleichbar ist. In diesem Fall kann man im entarteten p+ n+-Übergang mit der Manifestation rechnen Quantenmechanik Effekte, von denen einer das Tunneln durch eine potenzielle Barriere ist. Bei einer schmalen Barriere ist die Wahrscheinlichkeit eines Tunnelsickerns durch die Barriere ungleich Null. Eine Sperrdiode ist eine Tunneldiode ohne negativen Differenzwiderstandsabschnitt. Die hohe Nichtlinearität der Strom-Spannungs-Kennlinie bei niedrigen Spannungen nahe Null (in der Größenordnung von Mikrovolt) ermöglicht den Einsatz dieser Diode zur Erkennung schwache Signale im Mikrowellenbereich. Volt-Ampere-Kennlinie einer Germanium-Sperrdiode a) Gesamtstrom-Spannungs-Kennlinie; b) Umkehrabschnitt der Strom-Spannungs-Kennlinie bei verschiedenen Temperaturen

Diodengleichrichter Larionov A. N. Dreiphasengleichrichter auf drei Halbbrücken. Dioden werden häufig verwendet, um Wechselstrom in Gleichstrom (genauer gesagt in unidirektionalen pulsierenden Strom) umzuwandeln. Ein Diodengleichrichter oder eine Diodenbrücke (d. h. 4 Dioden für einen einphasigen Stromkreis (6 für einen dreiphasigen Halbbrückenstromkreis oder 12 für einen dreiphasigen Vollbrückenstromkreis), zusammengeschaltet in einem Stromkreis) ist die Hauptdiode Bestandteil der Stromversorgung fast aller elektronischen Geräte. In Autogeneratoren wird ein dreiphasiger Diodengleichrichter nach der Schaltung von A. N. Larionov auf drei parallelen Halbbrücken eingesetzt, der den dreiphasigen Wechselstrom des Generators in Gleichstrom des Bordnetzes des Fahrzeugs umwandelt. Durch die Verwendung eines Wechselstromgenerators in Kombination mit einem Diodengleichrichter anstelle eines Gleichstromgenerators mit Bürsten-Kommutator-Anordnung konnte die Größe eines Autogenerators erheblich reduziert und seine Zuverlässigkeit erhöht werden. Einige Gleichrichtergeräte verwenden immer noch Selengleichrichter. Dies liegt an der Besonderheit dieser Gleichrichter, dass bei Überschreitung des maximal zulässigen Stroms Selen (abschnittsweise) durchbrennt, was (bis zu einem gewissen Grad) weder zu einem Verlust der Gleichrichtereigenschaften noch zu einem Kurzschluss – Durchschlag – führt. Hochspannungsgleichrichter verwenden Selen-Hochspannungssäulen aus mehreren in Reihe geschalteten Selen-Gleichrichtern und Silizium-Hochspannungssäulen aus mehreren in Reihe geschalteten Siliziumdioden. Diodendetektoren Dioden werden in Kombination mit Kondensatoren verwendet, um niederfrequente Modulationen von amplitudenmodulierten Funksignalen oder anderen modulierten Signalen zu isolieren. Diodendetektoren werden in fast allen [Quelle nicht angegeben 180 Tage] Radioempfangsgeräten verwendet: Radios, Fernseher usw. Dabei wird der quadratische Anteil der Strom-Spannungs-Kennlinie der Diode verwendet. Diodenschutz Dioden werden auch verwendet, um verschiedene Geräte vor falscher Schaltpolarität usw. zu schützen. Es gibt ein bekanntes Diodenschutzschema für Gleichstromkreise mit Induktivitäten vor Überspannungen beim Ausschalten der Stromversorgung. Die Diode ist parallel zur Spule geschaltet, so dass die Diode im „Betriebszustand“ geschlossen ist. Wenn Sie in diesem Fall die Baugruppe abrupt ausschalten, entsteht ein Strom durch die Diode und die Stromstärke nimmt langsam ab (die induzierte EMK entspricht dem Spannungsabfall an der Diode) und es entsteht keine starke Spannung Überspannung, die zu Funkenbildung an Kontakten und durchgebrannten Halbleitern führt. Diodenschalter werden zum Schalten hochfrequenter Signale verwendet. Die Ansteuerung erfolgt über Gleichstrom, die Trennung von HF- und Steuersignal erfolgt über Kondensatoren und Induktivitäten. Diodenfunkenschutz Damit ist der Einsatz von Dioden in der Elektronik nicht erschöpft, andere Schaltungen sind jedoch in der Regel sehr hochspezialisiert. Spezielle Dioden haben einen völlig anderen Anwendungsbereich und werden daher in separaten Artikeln behandelt.

Vortrag zum Thema: „Halbleiterdioden“ Abgeschlossen von: Barmin R.A. Gelzin I.E. Eine Halbleiterdiode ist ein nichtlineares elektronisches Gerät mit zwei Anschlüssen. Abhängig von der inneren Struktur, Art, Menge und Höhe der Dotierung der inneren Elemente der Diode und den Strom-Spannungs-Kennlinien variieren die Eigenschaften von Halbleiterdioden. Wir werden die folgenden Arten von Dioden betrachten: Gleichrichterdioden auf Basis eines pn-Übergangs, Zenerdioden, Varicaps, Tunnel- und Sperrdioden. J J s (e VG 1) Gleichrichterdiode basierend auf p-n-Übergang Die Basis der Gleichrichterdiode ist ein gewöhnlicher Elektron-Loch-Übergang; die Strom-Spannungs-Kennlinie einer solchen Diode weist eine ausgeprägte Nichtlinearität auf. Bei Vorwärtsspannung handelt es sich bei dem Diodenstrom um einen Injektionsstrom mit großem Betrag, der die Diffusionskomponente des Majoritätsträgerstroms darstellt. Bei Sperrvorspannung ist der Diodenstrom klein und stellt die Driftkomponente des Minoritätsträgerstroms dar. Im Gleichgewichtszustand ist der Gesamtstrom aufgrund der Diffusions- und Driftströme von Elektronen und Löchern Null. Reis. Parameter einer Halbleiterdiode: a) Strom-Spannungs-Kennlinie; b) Der Aufbau des Gehäuses mit Strom-Spannungs-Kennlinie wird durch die Gleichung J J s (e VG 1) beschrieben. Gleichrichtung in einer Diode Eine der Haupteigenschaften einer Halbleiterdiode auf Basis eines pn-Übergangs ist die starke Asymmetrie der Strom-Spannung Charakteristik: hohe Leitfähigkeit bei Vorwärtsvorspannung und niedrige Leitfähigkeit bei Rückwärtsvorspannung. Diese Diodeneigenschaft wird bei Gleichrichterdioden genutzt. Die Abbildung zeigt ein Diagramm, das die Gleichrichtung von Wechselstrom in einer Diode veranschaulicht. - Gleichrichtungskoeffizient einer idealen Diode basierend auf einem pn-Übergang. Charakteristischer Widerstand Es gibt zwei Arten von charakteristischen Widerständen von Dioden: Differenzwiderstand rD und Gleichstromwiderstand RD. Der Differenzwiderstand ist definiert als Gleichstromwiderstand RD U I U I 0 (e U 1) Im Vorwärtsabschnitt der Strom-Spannungs-Kennlinie ist der Gleichstromwiderstand größer als der Differenzwiderstand RD > rD und im Rückwärtsabschnitt kleiner als RD< rD. Стабилитроны Стабилитрон - это полупроводниковый диод, вольт-амперная характеристика которого имеет область резкой зависимости тока от напряжения на обратном участке вольт-амперной характеристики. ВАХ стабилитрона имеет вид, представленный на рисунке При достижении напряжения на стабилитроне, называемого напряжением стабилизации Uстаб, ток через стабилитрон резко возрастает. Дифференциальное сопротивление Rдиф идеального стабилитрона на этом участке ВАХ стремится к 0, в реальных приборах величина Rдиф составляет значение: Rдиф 250 Ом. Основное назначение стабилитрона – стабилизация напряжения на нагрузке, при изменяющемся напряжении во внешней цепи. В связи с этим последовательно со стабилитроном включают нагрузочное сопротивление, демпфирующее изменение внешнего напряжения. Поэтому стабилитрон называют также опорным диодом. Напряжение стабилизации Uстаб зависит от физического механизма, обуславливающего резкую зависимость тока от напряжения. Различают два физических механизма, ответственных за такую зависимость тока от напряжения, – лавинный и туннельный пробой p-n перехода. Для стабилитронов с туннельным механизмом пробоя напряжение стабилизации Uстаб невелико и составляет величину менее 5 вольт: Uстаб < 5 В. Для стабилитронов с лавинным механизмом пробоя напряжение стабилизации обычно имеет большие значения и составляет величину более 8 вольт: Uстаб > 8 V. Varicaps Varicap ist eine Halbleiterdiode, deren Funktionsweise auf der Abhängigkeit der Barrierekapazität des pn-Übergangs von der Sperrspannung basiert. Varicaps werden als Elemente mit elektrisch gesteuerter Kapazität in Schaltkreisen zum Abstimmen der Frequenz eines Schwingkreises, zum Teilen und Multiplizieren von Frequenzen, zur Frequenzmodulation, zu gesteuerten Phasenschiebern usw. verwendet. Ohne externe Spannung existieren eine Potentialbarriere und ein internes elektrisches Feld im pn-Übergang. Wenn an die Diode eine Sperrspannung angelegt wird, erhöht sich die Höhe dieser Potentialbarriere. Eine externe Sperrspannung drückt Elektronen tiefer in den Bereich, was zu einer Erweiterung des verarmten Bereichs des pn-Übergangs führt, den man sich als einfachen Flachkondensator vorstellen kann, bei dem die Platten die Grenzen des Bereichs darstellen. In diesem Fall nimmt gemäß der Formel für die Kapazität eines Flachkondensators mit zunehmendem Abstand zwischen den Platten (verursacht durch eine Erhöhung des Sperrspannungswerts) die Kapazität des pn-Übergangs ab. Diese Reduzierung wird nur durch die Dicke der Basis begrenzt, über die hinaus sich der Übergang nicht ausdehnen kann. Sobald dieses Minimum erreicht ist, ändert sich die Kapazität mit zunehmender Sperrspannung nicht mehr. Eine Tunneldiode ist eine Halbleiterdiode, die auf einem p+-n+-Übergang mit stark dotierten Bereichen basiert, in deren Vorwärtsabschnitt der Strom-Spannungs-Kennlinie eine n-förmige Abhängigkeit des Stroms von der Spannung beobachtet wird. In einem Halbleiter vom n+-Typ sind alle Zustände im Leitungsband bis zum Fermi-Niveau mit Elektronen besetzt, in einem Halbleiter vom p+-Typ mit Löchern. Banddiagramm eines p+-n+-Übergangs, der aus zwei entarteten Halbleitern besteht: Berechnen wir die geometrische Breite des entarteten p-n-Übergangs. Wir gehen davon aus, dass in diesem Fall die Asymmetrie des pn-Übergangs erhalten bleibt (p+ ist ein stärker dotierter Bereich). Dann ist die Breite des p+-n+-Übergangs klein: 2 s 0 2 0 W 2 s 0 E g qN D 2 1 10 qN D 12 1,6 10 19 1 6 ~ 10 см ~ 100 Å Schätzen wir die De-Broglie-Wellenlänge von ab das Elektron aus einfachen Beziehungen: E 2 2 2 2m 2 kT ; 2 mkT h 2 1 h 2 mkT 2 9,1 10 31 1, 38 10 6, 3 10 34 23 300 ~ 140 Å Somit erweist sich die geometrische Breite des p+-n+-Übergangs als vergleichbar mit der de Broglie-Wellenlänge des Elektrons . In diesem Fall kann man in einem entarteten p+-n+-Übergang mit der Manifestation quantenmechanischer Effekte rechnen, darunter dem Tunneln durch eine Potentialbarriere. Bei einer schmalen Barriere ist die Wahrscheinlichkeit eines Tunnelsickerns durch die Barriere ungleich Null. Eine Sperrdiode ist eine Tunneldiode ohne negativen Differenzwiderstandsabschnitt. Die hohe Nichtlinearität der Strom-Spannungs-Kennlinie bei niedrigen Spannungen nahe Null (in der Größenordnung von Mikrovolt) ermöglicht den Einsatz dieser Diode zur Erkennung schwacher Signale im Mikrowellenbereich. Strom-Spannungs-Kennlinie einer Germanium-Sperrdiode a) Gesamtstrom-Spannungs-Kennlinie; b) Umkehrabschnitt der Strom-Spannungs-Kennlinie bei verschiedenen Temperaturen

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Vortrag zum Thema: Diode

Folie Nr. 1

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Tunneldiode. Die erste Arbeit, die die Realität der Herstellung von Tunnelgeräten bestätigte, widmete sich einer Tunneldiode, auch Esaki-Diode genannt, und wurde 1958 von L. Esaki veröffentlicht. Esaki entdeckte bei der Untersuchung der internen Feldemission in einem entarteten Germanium-pn-Übergang eine „anomale“ Strom-Spannungs-Kennlinie: Der Differenzwiderstand in einem der Abschnitte der Kennlinie war negativ. Er erklärte diesen Effekt mit dem Konzept des quantenmechanischen Tunnelns und erzielte gleichzeitig eine akzeptable Übereinstimmung zwischen theoretischen und experimentellen Ergebnissen.

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Tunneldiode. Eine Tunneldiode ist eine Halbleiterdiode, die auf einem p+-n+-Übergang mit stark dotierten Bereichen basiert, in deren direktem Teil der Strom-Spannungs-Kennlinie eine n-förmige Abhängigkeit des Stroms von der Spannung beobachtet wird. Bekanntlich bilden sich in Halbleitern mit einer hohen Konzentration an Verunreinigungen Verunreinigungsenergiebänder. Bei n-Halbleitern überlappt ein solches Band mit dem Leitungsband und bei p-Halbleitern mit dem Valenzband. Dadurch liegt das Fermi-Niveau bei n-Halbleitern mit hoher Störstellenkonzentration oberhalb des Ec-Niveaus und bei p-Halbleitern unterhalb des Ev-Niveaus. Dadurch kann innerhalb des Energieintervalls DE=Ev-Ec jedes Energieniveau im Leitungsband des n-Halbleiters dem gleichen Energieniveau hinter der Potentialbarriere entsprechen, d. h. im Valenzband eines p-Halbleiters.

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Tunneldiode. Somit sind Teilchen in n- und p-Halbleitern mit Energiezuständen innerhalb des DE-Intervalls durch eine schmale Potentialbarriere getrennt. Im Valenzband eines p-Halbleiters und im Leitungsband eines n-Halbleiters sind einige der Energiezustände im DE-Bereich frei. Folglich ist durch eine so schmale Potentialbarriere, auf deren beiden Seiten sich unbesetzte Energieniveaus befinden, eine Tunnelbewegung von Teilchen möglich. Bei der Annäherung an die Barriere erfahren die Teilchen eine Reflexion und kehren in den meisten Fällen zurück, es besteht jedoch immer noch die Möglichkeit, ein Teilchen hinter der Barriere zu entdecken; infolge des Tunnelübergangs ist auch die Tunnelstromdichte j t0 ungleich Null. Berechnen wir die geometrische Breite des entarteten pn-Übergangs. Wir gehen davon aus, dass in diesem Fall die Asymmetrie des pn-Übergangs erhalten bleibt (p+ ist ein stärker dotierter Bereich). Dann ist die Breite des p+-n+-Übergangs klein: Wir werden die De-Broglie-Wellenlänge des Elektrons aus einfachen Beziehungen abschätzen:

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Tunneldiode. Die geometrische Breite des p+-n+-Übergangs ist vergleichbar mit der de Broglie-Wellenlänge des Elektrons. In diesem Fall kann man in einem entarteten p+-n+-Übergang mit der Manifestation quantenmechanischer Effekte rechnen, darunter dem Tunneln durch eine Potentialbarriere. Bei einer schmalen Barriere ist die Wahrscheinlichkeit eines Tunnelsickerns durch die Barriere ungleich Null!!!

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Tunneldiode. Ströme in einer Tunneldiode. Im Gleichgewicht ist der Gesamtstrom durch den Übergang Null. Wenn an den Übergang eine Spannung angelegt wird, können Elektronen vom Valenzband in das Leitungsband oder umgekehrt tunneln. Damit der Tunnelstrom fließt, müssen die folgenden Bedingungen erfüllt sein: 1) die Energiezustände auf der Seite des Übergangs, von der aus die Elektronen tunneln müssen; 2) Auf der anderen Seite des Übergangs müssen Energiezustände mit derselben Energie leer sein; 3) Höhe und Breite der Potentialbarriere müssen klein genug sein, damit eine endliche Wahrscheinlichkeit eines Tunnelbaus besteht; 4) Der Quasiimpuls muss erhalten bleiben. Tunneldiode.swf

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Tunneldiode. Als Parameter werden Spannungen und Ströme verwendet, die besondere Punkte der Strom-Spannungs-Kennlinie charakterisieren. Der Spitzenstrom entspricht der maximalen Strom-Spannungs-Kennlinie im Bereich des Tunneleffekts. Spannung Up entspricht dem Strom Ip. Die Talströme Iв und Uв charakterisieren die Strom-Spannungs-Kennlinie im Bereich des Stromminimums. Die Lösungsspannung Upp entspricht dem Stromwert Iп auf dem Diffusionszweig der Kennlinie. Der fallende Abschnitt der Abhängigkeit I=f(U) ist durch einen negativen Differenzwiderstand rÄ= -dU/dI gekennzeichnet, dessen Wert mit einiger Fehlerformel ermittelt werden kann

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Umgekehrte Dioden. Betrachten wir den Fall, dass die Fermi-Energie in Elektronen- und Lochhalbleitern zusammenfällt oder einen Abstand von ± kT/q von der Unterseite des Leitungsbandes oder der Oberseite des Valenzbandes hat. In diesem Fall sind die Strom-Spannungs-Kennlinien einer solchen Diode bei Sperrvorspannung genau die gleichen wie die einer Tunneldiode, d. h. mit zunehmender Sperrspannung steigt der Sperrstrom schnell an. Was den Strom unter Vorwärtsvorspannung betrifft, so fehlt die Tunnelkomponente der Strom-Spannungs-Kennlinie vollständig, da es im Leitungsband keine vollständig gefüllten Zustände gibt. Wenn solche Dioden daher in Vorwärtsrichtung auf Spannungen größer oder gleich der halben Bandlücke vorgespannt werden, fließt kein Strom. Aus der Sicht einer Gleichrichterdiode ist die Strom-Spannungs-Kennlinie einer solchen Diode invers, das heißt, es liegt eine hohe Leitfähigkeit bei Sperrvorspannung und eine niedrige Leitfähigkeit bei Vorwärtsvorspannung vor. In diesem Zusammenhang werden Tunneldioden dieser Art als Sperrdioden bezeichnet. Somit ist eine Sperrdiode eine Tunneldiode ohne Abschnitt mit negativem Differenzwiderstand. Die hohe Nichtlinearität der Strom-Spannungs-Kennlinie bei niedrigen Spannungen nahe Null (in der Größenordnung von Mikrovolt) ermöglicht den Einsatz dieser Diode zur Erkennung schwacher Signale im Mikrowellenbereich.

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Vorübergehende Prozesse. Mit schnellen Spannungsänderungen an einer Halbleiterdiode regelmäßige p-n Beim Übergang stellt sich nicht sofort der Stromwert durch die Diode ein, der der statischen Strom-Spannungs-Kennlinie entspricht. Der Vorgang des Stromaufbaus bei solchen Schaltvorgängen wird üblicherweise als Übergangsprozess bezeichnet. Transiente Prozesse in Halbleiterdioden sind mit der Ansammlung von Minoritätsträgern in der Basis der Diode beim direkten Einschalten und deren Resorption in der Basis mit einer schnellen Änderung der Polarität der Spannung an der Diode verbunden. Da in der Basis einer herkömmlichen Diode kein elektrisches Feld vorhanden ist, wird die Bewegung der Minoritätsträger in der Basis durch die Diffusionsgesetze bestimmt und erfolgt relativ langsam. Infolgedessen beeinflusst die Kinetik der Ladungsträgerakkumulation in der Basis und deren Resorption die dynamischen Eigenschaften von Dioden im Schaltmodus. Betrachten wir die Änderungen des Stroms I, wenn die Diode von der Durchlassspannung U auf die Sperrspannung umschaltet.

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Vorübergehende Prozesse. Im stationären Fall wird der Stromwert in der Diode durch die Gleichung beschrieben: Nach Abschluss transienter Vorgänge ist der Stromwert in der Diode gleich J0. Betrachten wir die Kinetik des Übergangsprozesses, also der Veränderung aktuelle p-nÜbergang beim Umschalten von Vorwärtsspannung auf Rückwärtsspannung. Wenn eine Diode auf der Grundlage eines asymmetrischen pn-Übergangs in Durchlassrichtung vorgespannt wird, werden Ungleichgewichtslöcher in die Basis der Diode injiziert. Die zeitliche und räumliche Änderung von in die Basis injizierten Nichtgleichgewichtslöchern wird beschrieben. Kontinuitätsgleichung:

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Vorübergehende Prozesse. Zum Zeitpunkt t = 0 wird die Verteilung der injizierten Ladungsträger in der Basis aus der Diffusionsgleichung bestimmt und hat die Form: From allgemeine Bestimmungen Es ist klar, dass in dem Moment, in dem die Spannung in der Diode von Gleichstrom auf Rückwärtsspannung umschaltet, der Wert des Sperrstroms deutlich größer sein wird als der thermische Strom der Diode. Dies liegt daran, dass der Sperrstrom der Diode auf die Driftkomponente des Stroms zurückzuführen ist und sein Wert wiederum durch die Konzentration der Minoritätsträger bestimmt wird. Diese Konzentration wird in der Basis der Diode durch die Injektion von Löchern vom Emitter deutlich erhöht und wird im Anfangsmoment durch die gleiche Gleichung beschrieben.

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Folienbeschreibung:

Vorübergehende Prozesse. Mit der Zeit nimmt die Konzentration der Nichtgleichgewichtsträger ab und daher nimmt auch der Rückstrom ab. Während der Zeit t2, die Erholungszeit des Rückwärtswiderstands oder Resorptionszeit genannt wird, erreicht der Rückwärtsstrom einen Wert, der dem thermischen Strom entspricht. Um die Kinetik dieses Prozesses zu beschreiben, schreiben wir die Rand- und Anfangsbedingungen für die Kontinuitätsgleichung in der folgenden Form. Zum Zeitpunkt t = 0 gilt die Gleichung für die Verteilung der injizierten Ladungsträger in der Basis. Wenn sich zu einem bestimmten Zeitpunkt ein stationärer Zustand einstellt, wird die stationäre Verteilung der Nichtgleichgewichtsträger in der Basis durch die Beziehung beschrieben:

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Vorübergehende Prozesse. Der Rückstrom wird nur durch die Diffusion von Löchern an die Grenze der Raumladungszone des pn-Übergangs verursacht: Das Verfahren zur Ermittlung der Kinetik des Rückstroms ist wie folgt. Unter Berücksichtigung der Randbedingungen wird die Kontinuitätsgleichung gelöst und die Abhängigkeit der Konzentration von Nichtgleichgewichtsträgern in der Basis p(x,t) von Zeit und Koordinaten ermittelt. Die Abbildung zeigt die Koordinatenabhängigkeiten der Konzentration p(x,t) zu verschiedenen Zeiten. Koordinatenabhängigkeiten der Konzentration p(x,t) zu verschiedenen Zeiten

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Vorübergehende Prozesse. Wenn wir die dynamische Konzentration p(x,t) einsetzen, finden wir die kinetische Abhängigkeit des Rückstroms J(t). Die Abhängigkeit des Rückstroms J(t) hat die folgende Form: Hier ist eine zusätzliche Fehlerverteilungsfunktion gleich der ersten Entwicklung Zusatzfunktion Fehler hat die Form: Entwickeln wir die Funktion in einer Reihe für kleine und große Zeiten: t > p. Wir erhalten: Aus dieser Beziehung folgt, dass im Moment t = 0 der Betrag des Rückstroms unendlich groß sein wird. Die physikalische Grenze für diesen Strom ist der maximale Strom, der bei Sperrspannung U durch den ohmschen Widerstand der Diodenbasis rB fließen kann. Der Wert dieses Stroms, der als Abschaltstrom Jav bezeichnet wird, ist gleich: Jav = U/rB. Die Zeit, während der der Rückstrom konstant ist, wird Abschaltzeit genannt.

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Vorübergehende Prozesse. Bei gepulsten Dioden sind die Abschaltzeit τср und die Erholungszeit τв der Sperrwiderstand der Diode wichtige Parameter. Es gibt verschiedene Möglichkeiten, ihren Wert zu mindern. Erstens ist es möglich, die Lebensdauer von Nichtgleichgewichtsträgern in der Diodenbasis zu reduzieren, indem tiefe Rekombinationszentren in das quasineutrale Volumen der Basis eingeführt werden. Zweitens können Sie den Diodensockel dünn machen, sodass sich Nichtgleichgewichtsträger auf der Rückseite des Sockels rekombinieren. perpr_pn.swf Abhängigkeit des Sperrstroms von der Zeit beim Schalten der Diode

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Folienunterschriften:

Elektron-Loch-Übergang. Transistor

Ein Elektron-Loch-Übergang (oder n-p-Übergang) ist der Kontaktbereich zwischen zwei Halbleitern verschiedene Typen Leitfähigkeit.

Wenn zwei Halbleiter vom n- und p-Typ in Kontakt kommen, beginnt ein Diffusionsprozess: Löcher aus dem p-Bereich wandern in den n-Bereich, Elektronen hingegen vom n-Bereich in den p-Bereich. Dadurch nimmt im n-Bereich nahe der Kontaktzone die Elektronenkonzentration ab und es entsteht eine positiv geladene Schicht. Im p-Bereich nimmt die Lochkonzentration ab und es entsteht eine negativ geladene Schicht. An der Grenzfläche von Halbleitern bildet sich eine elektrische Doppelschicht, deren elektrisches Feld die Diffusion von Elektronen und Löchern zueinander verhindert.

Der Grenzbereich zwischen Halbleitern unterschiedlicher Leitfähigkeit (Barriereschicht) erreicht üblicherweise eine Dicke in der Größenordnung von Dutzenden und Hunderten von Atomabständen. Die Raumladungen dieser Schicht erzeugen eine Sperrspannung Uz zwischen p- und n-Gebiet, die etwa 0,35 V für Germanium-n-p-Übergänge und 0,6 V für Silizium-Übergänge beträgt.

Unter thermischen Gleichgewichtsbedingungen und ohne äußere elektrische Spannung ist der Gesamtstrom durch den Elektron-Loch-Übergang Null.

Wenn ein n-p-Übergang mit einer Quelle verbunden ist, sodass der positive Pol der Quelle mit dem p-Bereich und der negative Pol mit dem n-Bereich verbunden ist, nimmt die elektrische Feldstärke in der Sperrschicht ab, was das erleichtert Übergang der Majoritätsträger durch die Kontaktschicht. Löcher aus der p-Region und Elektronen aus der n-Region bewegen sich aufeinander zu und überqueren den NP-Übergang, wodurch ein Strom entsteht Vorwärtsrichtung. Der Strom durch den NP-Übergang nimmt in diesem Fall mit zunehmender Quellenspannung zu.

Wird ein Halbleiter mit n-p-Übergang so an eine Stromquelle angeschlossen, dass der Pluspol der Quelle mit dem n-Gebiet und der Minuspol mit dem p-Gebiet verbunden ist, dann erhöht sich die Feldstärke in der Sperrschicht. Löcher im p-Bereich und Elektronen im n-Bereich verschieben sich vom NP-Übergang weg und erhöhen dadurch die Konzentration der Minoritätsladungsträger in der Sperrschicht. Durch den NP-Übergang fließt praktisch kein Strom. Der sehr unbedeutende Rückstrom ist nur auf die intrinsische Leitfähigkeit von Halbleitermaterialien zurückzuführen, d. h. auf das Vorhandensein einer geringen Konzentration an freien Elektronen im p-Bereich und Löchern im n-Bereich. Die am NP-Übergang anliegende Spannung wird in diesem Fall als Sperrspannung bezeichnet.

Die Fähigkeit eines NP-Übergangs, Strom fast nur in eine Richtung zu leiten, wird in sogenannten Halbleiterdioden genutzt. Halbleiterdioden bestehen aus Silizium- oder Germaniumkristallen. Bei ihrer Herstellung wird eine Verunreinigung in einen Kristall mit einer bestimmten Leitfähigkeit eingeschmolzen, wodurch eine andere Leitfähigkeit entsteht. Halbleiterdioden haben gegenüber Vakuumdioden viele Vorteile – geringe Größe, lange Lebensdauer, mechanische Festigkeit. Ein wesentlicher Nachteil von Halbleiterdioden ist die Abhängigkeit ihrer Parameter von der Temperatur. Siliziumdioden beispielsweise können nur im Temperaturbereich von -70 °C bis 80 °C zufriedenstellend arbeiten. Germaniumdioden haben einen etwas größeren Betriebstemperaturbereich.

Halbleiterbauelemente mit nicht einem, sondern zwei NP-Übergängen werden Transistoren genannt. Der Name kommt von der Kombination englische Wörter: Übertragung - Übertragung und Widerstand - Widerstand. Typischerweise werden Germanium und Silizium zur Herstellung von Transistoren verwendet. Es gibt zwei Arten von Transistoren: p-n-p-Transistoren und n-p-n-Transistoren.

Ein Germaniumtransistor vom p-n-p-Typ ist eine kleine Germaniumplatte mit einer Donorverunreinigung, also ein Halbleiter vom n-Typ. In dieser Platte entstehen zwei Bereiche mit einer Akzeptorverunreinigung, also Bereiche mit Lochleitfähigkeit.

Bei einem n-p-n-Typ-Transistor weist die Hauptplatte aus Germanium eine p-Leitfähigkeit auf, und die beiden darauf erzeugten Bereiche weisen eine n-Leitfähigkeit auf.

Die Transistorplatte wird als Basis (B) bezeichnet, einer der Bereiche mit dem entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp wird als Kollektor (K) und der zweite als Emitter (E) bezeichnet. Typischerweise ist das Volumen des Kollektors größer als das Volumen des Emitters.

IN Symbole Bei verschiedenen Strukturen zeigt der Emitterpfeil die Richtung des Stroms durch den Transistor an.

Einbindung eines pnp-Strukturtransistors in die Schaltung Der Emitter-Basis-Übergang ist in Durchlassrichtung (Emitterschaltung) und der Kollektor-Basis-Übergang in Sperrrichtung (Kollektorschaltung) geschaltet.

Wenn der Emitterkreis geschlossen ist, bewegen sich Löcher – die Hauptladungsträger im Emitter – von ihm zur Basis und erzeugen in diesem Stromkreis einen Strom I e. Aber für Löcher, die vom Emitter in die Basis eindringen, ist der NP-Übergang im Kollektorkreis offen. Die meisten Löcher werden vom Feld dieses Übergangs erfasst und dringen in den Kollektor ein, wodurch ein Strom Ic entsteht.

Damit der Kollektorstrom nahezu dem Emitterstrom entspricht, ist die Basis des Transistors in Form einer sehr dünnen Schicht ausgeführt. Wenn sich der Strom im Emitterkreis ändert, ändert sich auch der Strom im Kollektorkreis.

Wird an den Emitterkreis eine Wechselspannungsquelle angeschlossen, so entsteht auch an dem an den Kollektorkreis angeschlossenen Widerstand R eine Wechselspannung, deren Amplitude um ein Vielfaches größer sein kann als die Amplitude des Eingangssignals. Daher fungiert der Transistor als Wechselspannungsverstärker.

Eine solche Transistorverstärkerschaltung ist jedoch wirkungslos, da darin keine Stromsignalverstärkung erfolgt und der gesamte Emitterstrom I e durch die Eingangssignalquellen fließt. In echten Transistorverstärkerschaltungen ist die Wechselspannungsquelle so eingeschaltet, dass nur ein kleiner Basisstrom I b = I e - I c durch sie fließt. Kleine Änderungen des Basisstroms führen zu erheblichen Änderungen des Kollektorstroms. Die Stromverstärkung in solchen Schaltungen kann mehrere Hundert betragen.

Derzeit werden Halbleiterbauelemente in der Funkelektronik äußerst häufig eingesetzt. Moderne Technologie ermöglicht die Herstellung von Halbleiterbauelementen – Dioden, Transistoren, Halbleiterfotodetektoren usw. – mit einer Größe von mehreren Mikrometern. Eine qualitativ neue Stufe der elektronischen Technologie war die Entwicklung der Mikroelektronik, die sich mit der Entwicklung integrierter Schaltkreise und den Prinzipien ihrer Anwendung befasst.

Ein integrierter Schaltkreis ist eine Ansammlung einer großen Anzahl miteinander verbundener Elemente – ultrakleine Dioden, Transistoren, Kondensatoren, Widerstände, Verbindungsdrähte, die in einem einzigen Stück hergestellt werden technologischer Prozess auf einem Chip. Ein 1 cm2 großer Mikroschaltkreis kann mehrere hunderttausend Mikroelemente enthalten. Der Einsatz von Mikroschaltungen hat in vielen Bereichen der modernen elektronischen Technologie zu revolutionären Veränderungen geführt. Besonders deutlich wurde dies im Bereich der elektronischen Computertechnik. Personalcomputer ersetzten schwerfällige Computer, die Zehntausende Vakuumröhren enthielten und ganze Gebäude einnahmen.

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