Электронная техника. 4. Объяснить устройство и принцип работы диодного оптрона.

Задание 1.
Какое включение p-n-перехода называется прямым и обратным?
Ответ:
Вольт- амперная характеристика p-n-перехода – это зависимость тока через переход от приложенного к нему напряжения.
Аналитическое выражение ВАХ p-n перехода имеет вид:
, (1)
где Iобр – обратный ток насыщения p-n перехода;
U –напряжение, приложенное к p-n переходу.
Характеристика, построенная с использованием этого выраже¬ния,
имеет два характерных участка (рис.1): 1– соответствую¬щий прямому управляющему напряжению Unp, 2 – соответствую¬щий обратному напряжению Uобр.

Рис.1. Вольт-амперная характеристика p-n-перехода

При больших обратных напряжениях наблюдается пробой p-n
перехода, при котором обратный ток резко увеличивается. Различают два вида пробоя: электрический (обратимый) и тепловой (необратимый).
Включение, при котором к p-n переходу прикладывается внешнее напряжение Uпр в противофазе с контактной разностью потенциалов, называется прямым. Прямое включение p-n перехода показано на рис. 2, а. Практи¬чески все внешнее напряжение прикладывается к запирающему слою, поскольку его сопротивление значительно больше сопротив¬ления остальной части полупроводника. Как видно из потенциаль¬ной диаграммы (рис. 2, б), высота потенциального барьера уменьшается: Uб = Uк - Uпp. Ширина p-n перехода также умень¬шается (h' < h). Дрейфовый ток уменьшается, диффузионный ток резко возрастает. Динамическое равновесие нарушается и через p-n переход протекает прямой ток:
(2)
Как видно из формулы (2), при увеличении прямого напряжения ток может возрасти до больших значений, так как он обусловлен движением основных носителей, концентрация кото¬рых в обеих областях полупроводника велика.
При прямом включении дрейфовая составляющая тока пре-небрежимо
мала по сравнению с диффузионной. Это объясняется низкой концентрацией неосновных носителей заряда и уменьше¬нием результирующей напряженности электрического поля, обу¬словливающих дрейфовый ток.
Процесс введения основных носителей заряда через p-n переход с
пониженной высотой потенциального барьера в область полу¬проводника, где эти носители заряда являются неосновными, называется инжекцией. Инжектированные носители диффундируют вглубь полупроводника, рекомбинируя с основными носителями этой области. Дырки, проникшие из p-области в n-область, рекомбинируют с электронами, поэтому диффузионный дырочный ток Iр постепенно спадает в n-области до нуля.
Поступающие от внешнего источника в n-область электроны продвигаются к p-n переходу, создавая электронный ток In. По мере приближения к переходу, вследствие рекомбинации электро¬нов с дырками, этот ток спадает до нуля. Суммарный же ток в n-области Iдиф = Ip + In во всех точках полупроводника n-типа остается неизменным. Одновременно с инжекцией дырок в n-область происходит инжекция электронов в p-область.
Включение, при котором к p-n переходу прикладывается внешнее
напряжение Uобр в фазе с контактной разностью потенциалов, называется обратным. Этот случай иллюстрирует рис.3, а.

Рис. 2 Рис.3
Под действием электрического поля, создаваемого внешним источником Uобр, основные носители оттягиваются от приконтактных слоев вглубь полупроводника. Как видно из рис. 3, б, это приводит к расширению p-n перехода (h' > h). Потенциальный барьер возрастает и становится равным Uб = Uк + Uобр. Число основных носителей, способных преодолеть действие результирую¬щего поля, уменьшается. Это приводит к уменьшению диффузион¬ного тока, который может быть определен по формуле:
(3)
Для неосновных носителей (дырок в n-области и электронов в p-области) потенциальный барьер в электронно-дырочном пере¬ходе отсутствует. Неосновные носители втягиваются полем в переход и быстро преодолевают его. Это явление называется экстракцией.
При обратном включении преобладающую роль играет дрей¬фовый ток. Он имеет небольшую величину, так как создается движением неосновных носителей. Этот ток называется обратным и может быть определен по формуле Iобр = Iдр — Iдиф. Величина обратного тока практически не зависит от напряжения Uобр. Это объясняется тем, что в единицу времени количество генерируемых пар «электрон — дырка» при неизменной температуре остается неизменным. Поскольку концентрация неосновных носителей значительно меньше концентрации основных носителей заряда, обратный ток p-n перехода существенно меньше прямого (обычно на несколько порядков). Это определяет выпрямительные свойства p-n перехода: способность пропускать ток только в одном направлении.
Для получения хороших выпрямительных свойств желательно уменьшить обратный ток, что достигается очисткой исходного полупроводникового материала с целью снижения концентрации неосновных носителей заряда. Высокая степень чистоты полупро-водниковых материалов обеспечивается специальной дорогостоя¬щей технологией.
Электрический пробой происходит в результате внутренней электростатической эмиссии и под действием ударной ионизации атомов. Внутренняя электростатическая эмиссия в полупроводни¬ках аналогична электростатической эмиссии электронов из метал¬ла. Под действием сильного электрического поля часть электронов освобождается из ковалентных связей и получает энергию, достаточную для преодоления высокого потенциального барьера p-n перехода.