 |
Gate Transistor Oxide (GTO)
|
|
|
|
Введение
Самые крупные научно-технические достижения осуществляются в значительной мере благодаря широкому использованию электронных средств сбора, измерения, обработки, автоматизации, управления. Особенно возросла роль электроники с развитием технологий микросхемотехники, значительно повышающих надежность систем контроля и управления. Электроника и микросхемотехника обеспечивают автоматизированное управление главными и вспомогательными судовыми системами и механизмами. Следует особо подчеркнуть общность законов управления независимо от принципов управления, от природы объекта управления. Это позволяет представить любую систему автоматики и управления как некоторую систему, перерабатывающую, в соответствии с заложенными в нее алгоритмами, информацию о состоянии объектов (дизель, газовая турбина, генераторы и т.д.) в управляющее воздействие.
Роль электронных устройств автоматики и телемеханики особенно возрастает в настоящее время в связи с широким применением интегральной и микропроцессорной техники для переработки информационных сигналов и силовых полупроводниковых приборов для преобразования электрической энергии (выпрямители и инверторы регулируемой частоты и амплитуды напряжения).
Электронные элементы современных электронных устройств выпускаются промышленностью двух видов:
1. в виде отдельных дискретных компонентов – диодов, транзисторов, тиристоров и т.д.;
2. в виде интегральных микросхем, выполненных, как правило, на одном кристалле полупроводника.
Области использования элементов второго вида непрерывно расширяются. Они выполняют все более сложные функции, однако основу их структуры составляют элементарные типовые схемы.
|
|
|
Читаемый курс судовой электроники построен по принципу нарастания сложности: характеристики и особенности отдельных электронных элементов, простейшие типовые устройства и схемы – усилители, генераторы, формирователи электрических сигналов на дискретных элементах и простейших микросхемах, интегральных схемах высокой степени интеграции, простейшие цифровые микросхемы и устройства на их основе, типовые схемы судовой автоматики и управления в блочном виде.
При этом основное внимание будет уделяться принципам и особенностям работы типовых электронных устройств, из которых можно составить схемы практически любой сложности.
Авторы выражают благодарность, доктору (Ph.D.) Флоридского Университета Шарапатюку Д.А. за помощь в подготовке и оформлении рукописи учебного пособия.
Элементы и компоненты систем
Электроники
Полупроводниковые приборы
1.1.1. Физические явления в полупроводниковых
материалах
Согласно квантовой теории электрон, находясь на околоядерной орбите, может иметь строго определенные значения энергии и дискретные значения орбитальной скорости, при которых длина орбиты кратна длине электромагнитной волны λ.
Каждой орбите соответствует строго определенная энергия электрона или энергетический уровень.
Энергетические уровни электронов отделены друг от друга запрещенными интервалами, уровни которых не могут иметь электроны при переходе с одной орбиты на другую. Совокупность уровней образует энергетический спектр электронов в атоме.
В невозбужденном состоянии электроны располагаются на ближайших к ядру орбитах, причем незаполненной может быть только внешняя орбита. При поглощении атомом энергии какой-либо электрон может перейти на один из более свободных высоких уровней, либо совсем покинуть атом (образуется положительный ион).
|
|
|
| E |
| Свободная зона |
| Зона проводимости |
| Запрещенная зона |
| Заполненная зона |
| Валентная зона |
| EV |
| EF |
| EC |
Рис.1.1. Энергетические зоны твердого тела
Заполненная зона – уровни энергии, занятые электронами при 0° К. Валентная зона – верхняя часть заполненной зоны, занятая валентными электронами. Свободная зона – разрешенные уровни энергии, остающиеся свободными при 0° К. Зона проводимости – нижняя часть свободной зоны, ее уровни могут занимать валентные электроны, получившие дополнительную энергию.
Электропроводность материалов определяется шириной запрещенной зоны, расположенной между валентной зоной и зоной проводимости.
Проводимость твердого тела определяется той энергией, которую нужно сообщить валентным электронам, чтобы они перешли на более высокий энергетический уровень – в зону проводимости и, потеряв связь с ядром, стали свободными
| EV |
| EC |
| EF |
|
| T=0 |
|
|
| E |
|
Рис.1.2. Функции Ферми при различных температурах
Процесс занятия электронами того или иного энергетического уровня носит вероятностный характер и описывается функцией распределения Ферми – .
В чистом полупроводнике уровень Ферми при любой температуре находится посередине запрещенной зоны.
Полупроводники – элементы четвертой группы – Ge, Si, композиционные материалы – GaAs, GaP, SiC и др.
По удельному сопротивлению полупроводники занимают промежуточное положение между проводникам и диэлектриками, причем граница между ними весьма условна.
|
| металл |
| EV |
| EF |
| EC |
| ∆E=0 |
| E |
|
| EF |
| Валентная зона полупроводник |
| Зона проводимости |
| ∆E<5EV |
| EV |
| EC |
|
| Валентная зона |
| EF |
| ∆E>5EV |
| Зона проводимости |
| EC |
| EV |
|
|
|
а) б) в)
Рис.1.3. Диаграммы для проводников (а), полупроводников (б) и
диэлектриков (в)
Характер проводимости полупроводников рассмотрим на примере германия.
| Ge |
| Ge |
Рис.1.4. Кристаллическая решетка германия
Кристаллическая решетка германия имеет следующий вид (рис.1.4.). В узлах решетки расположены атомы Ge. В идеальном кристалле Ge все ковалентные связи заполнены и каждый атом имеет достроенную оболочку из 8 электронов. Валентная зона полностью заполнена, а зона проводимости пуста при T ≈ 0° K.
Для германия ∆Е ≈ 0,68 – 0,72 ЭВ. Для перевода электронов в зону проводимости нужно дополнительно сообщить им энергию, превышающую ∆Е.
С ростом температуры часть валентных электронов разрывает ковалентные связи и переходит в зону проводимости. На их месте образуются положительные ионы – дырки. Дырки совершают хаотическое движение в валентной зоне так же, как свободные электроны в зоне проводимости.
Если к кристаллу полупроводника приложить внешнее напряжение, то под действием электрического поля движение электронов и дырок приобретает упорядоченность, т.е. возникает электрический ток. Проводимость кристалла тем выше, чем интенсивнее процесс генерации пар электрон-дырка.
Такая проводимость называется собственной, а полупроводник – собственным.
Собственная проводимость невелика, она увеличивается с ростом температуры. Электронная и дырочная проводимости обусловлены движением электронов. Электроны зоны проводимости движутся навстречу направлению электрического поля.
В случаях дырочной проводимости движутся электроны валентной зоны в направлении, встречном движению дырок, заполняя вакантные энергетические уровни (дырки).
Свободные электроны в валентной зоне образуются в случае, если приобретенной энергии достаточно для разрыва ковалентных связей, но не хватает для преодоления потенциального барьера ∆Е.
Если в кристалл германия добавить примесь элементов третей или пятой групп, то получают примесные полупроводники, обладающие значительно большей проводимостью по сравнению с собственными.
|
|
|
Различают донорные и акцепторные примеси.
При введении в чистый германий примеси элементов 5-ой группы (например, мышьяка As или сурьмы Sb) атомы примеси замещают в узлах решетки атомы германия. При этом четыре из пяти валентных электронов мышьяка образуют четыре ковалентные пары с электронами германия. Пятый электрон оказывается избыточным.
Поскольку энергетический уровень примеси 
лежит в запрещенной зоне вблизи “дна” зоны проводимости, то даже при комнатной температуре эти электроны способны преодолеть потенциальный барьер
и перейти в зону проводимости. Число примесных электронов в зоне проводимости германия значительно превышает число собственных свободных электронов, так как
Атомы примеси в узлах кристаллической решетки становятся положительными ионами, но они являются связанными.
| ∆EЗ |
|
|
| ∆
|
| EC |
| EF |
| EV |
| Валентная зона |
| ----------------------------------------- |
| ---------------------------- |
| + |
| + |
| + |
| + |
| – |
| – |
| – |
| – |
Рис.1.5. Диаграмма образования полупроводника n-типа
Уровень Ферми в полупроводнике n-типа смещается в сторону зоны проводимости тем больше, чем выше концентрация основных носителей.
При внесении в чистый германий примеси элементов третьей группы (например – индия In) атомы примеси замещают в узлах атомы германия. Однако в этом случае одного электрона для образования 4-х ковалентных пар не хватает.
Примесный энергетический уровень индия лежит в запрещенной зоне вблизи потолка валентной зоны, причем 
. Поэтому уже при комнатной температуре электроны из верхних уровней валентной зоны переходят на уровень примеси, дополняя недостающие ковалентные связи. В валентной зоне образуются избыточные квантовые энергетические уровни (дырки), а атомы индия становятся отрицательными ионами (они связаны). Такой полупроводник приобретает дырочную проводимость (число дырок намного больше числа электронов) и называется полупроводником p-типа. Элементы 3-ей группы называются акцепторными примесями (или акцепторами).
1.1.2. Электронно–дырочный переход
Область, разделяющая полупроводник на две части с разной проводимостью, называется электронно-дырочным переходом или p-n переходом. Концентрация атомов донорной примеси в n-зоне значительно меньше, чем концентрация атомов акцепторной примеси в p-области. Поэтому сопротивление n-области намного больше, чем сопротивление p-области, и имеет одинаковый порядок с сопротивлением p-n перехода.
|
|
|
Рассмотрим физику процессов в двухзонном полупроводнике. Под действием градиента концентрации носители зарядов будут диффундировать из области с более высокой концентрацией в область с пониженной – электроны из n-зоны в p-зону, а дырки из p-зоны в n-зону.
| n |
| p |
| – |
| – |
| – |
| + |
| + |
| + |
| + |
| – |
| ± |
| ± |
|
| + |
| – |
| – |
| – |
| – |
| + |
| + |
| + |
| ± - пары зарядов, вызванные термогенерацией. |
| p |
| n |
| L |
| ± |
| ± |
|
E0
Рис.1.6. Образование потенциального барьера 
на границе раздела полупроводников p и n типа
Это движение основных зарядов образует диффузионный ток p-n перехода – Iдиф. В результате граничный слой обедняется основными подвижными носителями заряда.
Поскольку обедненный слой обладает малой электропроводимостью, его называют запирающим слоем. При этом возникает контактная разность потенциалов, направленная из области n- в p- область и препятствующая дальнейшему прохождению диффузионного тока.
Кроме основных носителей в полупроводниках n- и p- типов существуют и неосновные носители – электроны в p-зоне и дырки в n-зоне. Возникшее электрическое поле в зоне перехода является для них ускоряющим. При хаотическом движении эти заряды могут оказаться в зоне действия этого поля и выводиться в области, в которых они являются основными.
Ток неосновных носителей называют дрейфовым. Как и диффузионный, дрейфовый ток имеет также две составляющие In дрейф и Ip дрейф. При отсутствии внешних воздействующих факторов устанавливается динамическое равновесие Iдиф – Iдрейф = 0.
При подключении к p-n переходу внешнего электрического источника нарушается динамическое равновесие токов. При этом поведение p-n перехода зависит от полярности подключения внешнего источника.
При обратном включении (внешнее поле совпадает по направлению с собственными) потенциальный барьер увеличивается, диффузионный ток становится пренебрежимо мал, основное значение приобретает дрейфовый ток (ток неосновных носителей). Этот ток называют обратным током насыщения I0, он имеет небольшую величину (единицы-десятки микроампер в p-n переходах небольшой площади).
| n |
| p |
|
|
| + |
| – |
| – |
| – |
| – |
| – |
| + |
| + |
| + |
| + |
| + |
| – |
Рис.1.7. Обратное смещение p-n перехода
При обратном включении происходит обратное смещение перехода т.е. расширение запирающего слоя. Расширение запирающего слоя объясняется тем, что основные носители заряда под действием внешнего электрического поля оттесняются от обедненных зон (дырки в p-области притягиваются к отрицательному электроду, а электроны n-области – к положительному электроду).
Прямое включение p-n перехода приводит к его прямому смещению т.е. к сужению запирающего слоя.
|
| – |
| + |
|
| n |
| p |
| + |
| + |
| – |
| – |
| x |
| φ |
| Uпр |
| Uобр |
| φк0 |
| φк1 |
| φк2 |
а) б)
Рис.1.8. Прямое смешение p-n перехода (а) и
потенциальные графики (б)
При этом основные носители приближаются к границе раздела областей p- и n-типа, частично компенсируя объемные пространственные заряды. Так как сопротивление запирающего слоя уменьшилось из-за уменьшения его ширины, то диффузионная составляющая тока через переход возрастает, а дрейфовая – уменьшается. Вблизи p-n перехода появляется большое число неосновных носителей.
Процесс введения носителей заряда через p-n переход в область, где они являются неосновными носителями при понижении высоты потенциального барьера, называется инжекцией.
Дырки инжектируются из p-зоны в n-зону, а электроны из n-зоны в p-зону.
Область полупроводника, которая инжектирует заряды, называется эмиттером, область, в которую инжектируются заряды, называется базой.
При увеличении Uпр потенциальный барьер исчезает и через p-n переход будет протекать диффузионный ток; при этом I дрейф 0
Вольтамперная характеристика p-n перехода является нелинейной. В первом квадранте, соответствующему прямому включению перехода, на участке 0-1 высота потенциального барьера падает и в точке 1 φк2 = 0. На участке 1-2 прямой ток определяется только сопротивлением базы т.к. сопротивление перехода мало, этот ток значителен, максимальное его значение определяется площадью перехода.
В третьем квадранте при обратном включении p-n перехода его сопротивление велико и через него протекает очень малый обратный ток.
– температурный потенциал.
Следовательно, p-n переход обладает ярко выраженной нелинейной характеристикой и главное его свойство – односторонняя проводимость.
| I |
| U |
| I0 |
| Uпред |
Рис.1.9. Вольтамперная характеристика p-n перехода
При обратном включении p-n перехода при Uобр ≥ Uобр.макс. может наступить пробой.
Различают два вида пробоя – электрический и неэлектрический. Первый вид пробоя – обратимый, второй – необратимый.
Электрический пробой бывает двух видов – лавинный и туннельный. Оба эти вида используются в специальных полупроводниковых приборах – лавинных и туннельных диодах.
1.1.3. Барьерная и диффузионная емкости
Вследствие диффузии электронов и дырок через p-n переход, в области которого возникают некомпенсированные объемные заряды ионизированных атомов примеси, закрепленные в узлах кристаллической решетки полупроводника и не участвующие в процессе протекания тока, возникает электрическое поле. Это поле очень влияет на движение свободных зарядов (на ток).
При увеличении обратного напряжения происходит расширение области зарядов и их рост.
где U – внешнее напряжение.
Однако в практике математического моделирования принято пользоваться выражением, вытекающим из этого:
Cδ – называется барьерной емкостью p-n перехода.
При прямом смещении p-n перехода напряжением внешнего источника (U > 0) начинается инжекция (эмиссия). В случае несимметричного перехода (что обычно и бывает) главную роль играет инжекция из эмиттера (p) в базу (n) т.е. поступление дырок в слой n, и как вследствие – возникновение в базе объемного заряда дырок Q, причем:
На практике используют выражение:
Емкость называют диффузионной, т.к. в основе ее лежит диффузия носителей из эмиттера в базу.
Общая емкость перехода:
Основной областью применения двухзонных полупроводниковых структур p-n типа являются полупроводниковые диоды общего и специального назначения.
1.1.4. Полупроводниковые диоды
По назначению полупроводниковые диоды (ПД) делятся на выпрямительные, стабилитроны, высокочастотные, импульсные, варикапы, туннельные, диоды Шоттки.
выпрямительные, универсальные, импульсные, СВЧ диоды;
односторонние стабилитроны;
симметричные двуханодные стабилитроны;
туннельные диоды;
обращенные диоды;
варикапы;
диоды Шоттки.
Рис.1.10. Условные обозначения диодов
1.1.4.1. Выпрямительные диоды
Основные параметры выпрямительных диодов:
Iпр.ср. – среднее значение прямого тока;
Uпр.нас. – падение напряжения на p-n переходе;
I0. – обратный ток диода;
Uобр.max. – максимальное допустимое обратное напряжение;
Iпр.max. – максимальное допустимое значение прямого тока;
∆ 
– диапазон частот.
Выпрямительные диоды предназначены для преобразования переменного тока в постоянный и подразделяются на маломощные и силовые (Iср > 10А).
Как правило, выпрямительные диоды – низкочастотные, хотя разработаны диоды серии ВЧ на частоту до 800 kHz
Следует отметить большое влияние температуры на свойства выпрямительных диодов. В нелинейной части ВАХ p-n перехода описывается уравнением:
Здесь – температурный потенциал.
С ростом температуры увеличивается генерация пар электрон – дырка и собственная проводимость полупроводника. Растет обратный ток и p-n переход теряет свое основное свойство – одностороннюю проводимость.
Выпрямительные диоды выходят из строя даже при кратковременном перенапряжении, превышающем величину пробоя p-n перехода.
| Т1< Т2 I |
| Т2 |
| Uпр. |
| I |
| Uпроб. |
Рис.1.11. Влияние температуры на положение ВАХ
1.1.4.2. Стабилитроны
Полупроводниковый стабилитрон (ПС) – это полупроводниковый диод, напряжение на котором в области пробоя мало зависит от тока.
Рабочий участок ВАХ – это область пробоя Iс min – Ic max.
При ограничении тока пробоя (обратного тока) такое состояние в стабилитроне может поддерживаться и воспроизводиться в течение десятков тысяч часов.
У стабилитронов с низкоомной базой с напряжением стабилизации до 3V, пробой носит туннельный характер.
У ПС с высокоомной базой и напряжением стабилизации > 7U пробой носит лавинный характер. В диапазоне напряжений 3 < U < 7 пробой носит смешанный туннельно-лавинный характер.
Основным исходным материалом для ПС является кремний, имеющий малые значения обратного тока насыщения p-n переходов и, следовательно, низкую вероятность теплового разрушения перехода.
| Uст.н |
| U |
| I |
| Iс min |
| Iс ном. |
| Iс max |
Рис.1.12. ВАХ стабилитрона
На базе ПС делают параметрические стабилизаторы напряжения:
| Uвх. |
| Uст. |
| Rн |
| VD. |
| Rб |
Рис.1.13. Схема параметрического стабилизатора напряжения
Основные параметры полупроводниковых стабилитронов:
Uст.ном – номинальное напряжение стабилизации.
Iст.max – Iст.min – область изменения токов, соответствующая стабилизации напряжения.
– дифференциальное сопротивление.
– температурный коэффициент стабилизации
напряжения.
при Iст. =const
| Uст. |
| α(ТКН) |
| + |
| – |
Рис.1.14. Изменение температурного коэффициента напряжения (α) при разных видах пробоя
При туннельном пробое ТКН < 0.
При лавинном – >0.
По величине рассеиваемой мощности стабилитроны делятся на:
1. ПС малой мощности – Рmax < 0,3W.
2. ПС средней мощности – 0,3 < Pmax < 5W.
3. ПС большой мощности – Pmax > 5W.
Особую группу составляют двуханодные ПС, имеющие симметричную ВАХ.
В двуханодных ПС используется трехслойная симметричная p-n-p структура. Принцип работы приборов основан на смыкании слоев объемного заряда, которое наступает при таком напряжении, когда граница области объемного заряда обратно включенного p-n перехода доходит через базовую область до границы области объемного заряда прямо включенного p-n перехода. При этом резко увеличивается ток через структуру как при электрическом пробое. Напряжение смыкания (стабилизации) зависит от ширины базовой области. Они в основном используются в мощных ограничителях напряжения (до 5000V при токах до 1А).
1.1.4.3. Высокочастотные диоды
Это приборы универсального назначения, используемые для выпрямления, детектирования, нелинейных преобразований сигналов в диапазоне до 600 MHz. Они имеют точечную структуру, что обеспечивает небольшую емкость p-n перехода (<1pF), обеспечивающую высокую эффективность работы на высоких частотах. Но это имеет и отрицательную сторону – не позволяет рассеивать значительную мощность в области p-n перехода. Главная область применения – измерительная аппаратура и низковольтные слаботочные цепи.
Достоинством ВЧ диодов является меньшая зависимость обратного тока от температуры.
Сверхвысокочастотные (СВЧ) диоды используются в устройствах сантиметрового и миллиметрового диапазона волн. Они подразделяются на смесительные, детекторные, параметрические, регулирующие, умножительные, генераторные. В качестве СВЧ диодов используются лавинно-пролетные (ЛПД), диоды Шоттки, диоды Ганна, диоды с накоплением заряда (ДНЗ) и др. Частотный диапазон f = 5 – 250 MHz.
1.1.4.4. Импульсные диоды
Импульсные диоды предназначены для работы в быстродействующих переключающих и импульсных схемах (ТТЛ) с временем переключения ≤ 1ms, т.е. время переходных процессов должно быть минимальным.
| Uпр |
| Uб |
| Uпер |
| iпр |
| t |
| t |
| t |
| t |
Рис.1.15. Графики напряжения и его составляющие
при прямом включении диода
Падение напряжения на базе значительное в момент включения затем уменьшается в связи с уменьшением сопротивления Rб из-за накопления в ней неосновных носителей, инжектируемых эмиттером.
Напряжение на переходе постепенно растет от нуля до установившегося значения. Общее падение напряжения Uпр изменяется в зависимости от соотношения Uпер и Uб. В общем случае длительность переходного процесса снижается при уменьшении сопротивления базы Rб и площади p-n перехода.
При скачке обратного напряжения диод закрывается не мгновенно. Обратный ток изменяется скачком до I1 и некоторое время сохраняет свое значение и затем уменьшается до Iобр.
Это объясняется тем, что при прямом токе (диод открыт) вблизи p-n перехода создается концентрация неосновных неравновесных носителей, которая во много раз превышает концентрацию равновесных неосновных носителей в области p-n перехода.
При этом, чем больше прямой ток в момент изменения полярности напряжения, тем больше концентрация неосновных носителей, тем больше пик обратного тока.
Через время t1 избыточные носители заряда исчезнут (рекомбинируют, а также уйдут через p-n переход). С этого момента времени p-n переход оказывается включенным в обратном направлении, его сопротивление начинает расти и обратный ток падает до нормальной величины Iобр.
tв = t1 + tсп. (1.14)
tсп – время спада.
tв – время восстановления обратного сопротивления.
tв уменьшается с уменьшением толщины базовой области.
Основная характеристика импульсных диодов – переходная, а основные параметры: Iпр.макс; Uобр.макс; Iобр; tвосст; Cд; Uпр.макс.
| Uобр |
| U |
| t |
| Uпр |
| Iобр |
| t |
| tв |
| tсп |
| t1 |
| I1 |
| Iпр |
| I |
Рис.1.16. Графики напряжения и тока при обратном включении диода
1.1.4.5. Варикапы
Варикапы – это полупроводниковые диоды, у которых используется барьерная емкость запертого p-n перехода, значение которой зависит от величины обратного напряжения.
| U |
| 4v |
| Cн |
| C |
Рис.1.17. Емкостная характеристика варикапа
Величина емкости варикапа может меняться от единиц до сотен пикофарад
С = f (U,S, l,ε). (1.15)
Физика процесса объясняется обратным смещением p-n перехода и увеличением концентрации неосновных носителей в области p-n перехода – растет барьер φ = φ0 + Uобр.
К основным параметрам варикапов относятся:
1. Cн при Uобр = 4V.
2. 
– добротность.
3. U max, V – максимальное напряжение.
4. ТКЕ – показывает относительное изменение емкости на 1°С.
1.1.4.6. Туннельные диоды
Явление туннельного эффекта открыл Лео Эсаки в 1958 году в p-n переходах, выполненных на основе вырожденных полупроводников.
У вырожденных полупроводников концентрация примеси составляет – 1019 – 1020 см-3 (у обычных – 1014 – 1018 см-3).
| φЗ |
| EFp |
| Ecp |
| n |
| p |
| + |
| – |
| φЗ |
| Evp |
| EFn |
| Ecn |
| EVn |
Рис.1.18. Зонная диаграмма туннельного диода при Евн = 0.
У вырожденных полупроводников уровень Ферми находится в зоне проводимости n-типа и в валентной зоне полупроводника p-типа.
Ширина p-n перехода мала, т.к. концентрация примесей велика и соответственно сопротивления p-зоны и n-зоны малы. В таких переходах наблюдается квантово-механический эффект, суть которого заключается в том, что носители заряда, обладающие энергией, меньше чем высота потенциального барьера, имеют конечную вероятность проникновения сквозь узкий (<0,01μм) барьер, не меняя своей энергии, т.е. заряды как бы просачиваются (“туннелируют”) через потенциальный барьер p-n перехода.
При отсутствии внешнего электрического поля число “туннелирующих” зарядов из n- в p- зону и обратно компенсируют друг друга и суммарный ток I = 0.
При приложении прямого напряжения высота потенциального барьера снижается и уменьшается степень перекрытия зон. При этом разность Evp – Ecn уменьшается. Так как заполненные энергетические уровни зоны проводимости n-типа оказываются теперь напротив свободных уровней валентной зоны полупроводника p-типа, то электроны из n-зоны начинают “туннелировать” в p-зону и появляется прямой ток т.к. встречное движение зарядов уменьшается.
С увеличением внешнего напряжения ток через переход p-n возрастает до определенной величины, пока уровень Ферми n-зоны не сравнятся с потолком валентной p-зоны EFn = Evp.
При дальнейшем росте напряжения U прямой ток начинает уменьшаться т.к. заполненные энергетические уровни зоны проводимости п/п n-типа окажутся против запрещенной зоны p-типа (Рис.19.).
На ВАХ появляется участок с отрицательным динамическим сопротивлением. Уменьшение тока происходит до тех пор, пока не исчезнет перекрытие зон. При этом “туннельный” ток исчезает Evp = Ecn.
| EFn |
| Ecn |
| EVn |
| EFp |
| Evp |
| Ecp |
| p |
| n |
| – |
|
|
|
