Приборы с отрицательным сопротивлением

Эти приборы делятся на приборы с отрицательным сопротивлением и проводимостью. Особенностью их является то, что у них существует участок на ВАХ, где наблюдается падение тока при увеличении напряжения или падение напряжения при росте тока.

I I I

а) б) в)

U U U

Приборы с отрицательным сопротивлением: приборы, управляемые напряжением. Для них ток является однозначной функцией напряжения, а зависимость напряжения от тока – неоднозначной характеристикой. Для них характерна зависимость типа а), т.е. характеристика n-типа. Пример: туннельный диод.

Приборы с отрицательной проводимостью управляются током. Для них напряжение однозначно определяется величиной тока, обратная функция неоднозначна. ВАХ типа б), в) или S-образного сопротивления.

Туннельный диод

Это п/п диоды, p-n-переход в которых образован двумя вырожденными п/п – это п/п, концентрация носителей в которых превышает 10¹⁹ ат/см³.

p-n-переход, образованный такими п/п, имеет ряд особенностей:

1. Поскольку концентрация большая, то область ЗС имеет очень малую ширину;

2. Вследствие малой ширины ЗС (порядка 0,02 мкм) возникает новый механизм обмена зарядами в p-n-переходе – эффект туннелирования. При приближении к ЗС частицы испытывают отражение, но часть частиц оказывается за барьером (высота барьера достаточно велика);

3. Атомы примесей в вырожденных п/п, поскольку их очень много, начинают взаимодействовать друг с другом. Следовательно, их энергетическое состояние нельзя характеризовать одним энергетическим уровнем. Энергетические уровни примесных атомов при высокой их концентрации расщепляются в энергетическую зону примесей. Эта зона примесей в случае донорной примеси перекрывается с зоной проводимости, образуя единую энергетическую зону, в случае акцепторной примеси – с валентной зоной. В первом случае уровень Ферми оказывается расположенным выше дна ЗП, в п/п р-типа – ниже потолка ВЗ.

n ЗП p I

ЗПφ_к ЗЗW_В А

W_ФΔWB

W_с U

ВЗ

При образовании p-n-перехода наблюдается картина, при которой потолок ВЗ в п/п р-типа лежит выше дна ЗП W_с в п/п n-типа. В пределах энергетического состояния любому состоянию в ЗП n-п/п соответствует такое же энергетическое состояние в ВЗ p‑п/п и вероятность обнаружения частиц, перешедших из п/п n-типа в п/п p-типа и наоборот за счёт туннельного перехода (т.е без получения энергии, необходимой для преодоления высоты потенциального барьера) будет отлична от 0. В пределах с обеих сторон имеются как занятые электронами, так и не занятые энергетические уровни.

Токи в ТД

В состоянии равновесия при отсутствии внешнего напряжения суммарный ток через p-n-переход равен 0. Диффузионное движение частиц, как и в обычном p-n-переходе, компенсируется встречным дрейфовым движением за счёт наличия E_к. Но в отличие от обычного p-n-перехода добавляется равенство 0 туннельного тока, т.е. условие равновесия будет равно:

Туннельное движение электронов, имея в виду, что полученные результаты могут быть применены к движению дырок.

При температуре, равной 0 К, электроны могут занимать уровни до уровня Ферми. При температуре, большей нуля, электроны из ВЗ начинают переходить в ЗП. В этом случае часть энергетических состояний в пределах в п/п обоих типов будет занята, а часть свободна. Эти энергетические уровни расположены примерно одинаково и в ВЗ п/п p-типа и в ЗП п/п n-типа. При отсутствии напряжения это приводит к тому, что вероятность туннельного перехода из п/п n-типа в п/п p-типа и наоборот примерно одинаков. При смещении перехода в обратном направлении интервал перекрытия зон увеличивается на величину eU_обр. Это приводит к тому, что электроны, занимающие более глубокие уровни в ВЗ п/п p-типа окажутся напротив свободных уровней в п/п n-типа. Следовательно, вероятность туннельного перехода электронов из п/п p-типа в п/п n-типа резко возрастает и появляется ток, обусловленный туннельным переходом, быстро растущий при увеличении U_обр.

При приложении прямого напряжения величина будет уменьшаться. При уменьшении перекрытия окажется, что свободные уровни ВЗ в п/п p-типа окажутся напротив занятых электронами уровней в п/п n-типа. Вначале это перекрытие неполное, но с увеличением U_пр оно вначале будет возрастать (участок 0А). При этом свободные уровни в п/п p-типа совпадают с занятыми электронами уровнями в п/п n-типа и I_тун=I_max (А на ВАХ).

При дальнейшем увеличении U_пр перекрытие уменьшается и в точке В достигает 0. Ток минимален.

При данном напряжении p-n-перехода образуется п/п, соответствующий обычному p-n-переходу. Т.е. после точки В ток растёт, как и в обычном диоде.

Тиристоры

Это приборы, образованные 4х-слойными структурами p-n-p-n.

Могут быть 3 основных типов:

§ Динисторы (2 вывода)

§ Тринисторы (3 вывода)

§ Симисторы (проводят ток, как при прямом включении, так и при обратном). Тиристорная структура имеет 3 перехода, 2 крайних области называются эмиттерами, а 2 средних – базами.