Какое свойство pn перехода

p-n-перехо́д или электронно-дырочный переход — область соприкосновения двух полупроводников с разными типами проводимости — дырочной (p, от англ. positive — положительная) и электронной (n, от англ. negative — отрицательная). Электрические процессы в p-n-переходах являются основой работы полупроводниковых приборов с нелинейной вольт-амперной характеристикой (диодов, транзисторов и других).

Энергетическая диаграмма p-n-перехода. a) Состояние равновесия; b) При приложенном прямом напряжении; c) При приложенном обратном напряжении.

Области пространственного заряда[править | править код]

В полупроводнике p-типа, который получается посредством акцепторной примеси, концентрация дырок намного превышает концентрацию электронов. В полупроводнике n-типа, который получается посредством донорной примеси, концентрация электронов намного превышает концентрацию дырок. Если между двумя такими полупроводниками установить контакт, то возникнет диффузионный ток — основные носители заряда (электроны и дырки) хаотично перетекают из той области, где их больше, в ту область, где их меньше, и рекомбинируют друг с другом. Как следствие, вблизи границы между областями практически не будет свободных (подвижных) основных носителей заряда, но останутся ионы примесей с некомпенсированными зарядами[1]. Область в полупроводнике p-типа, которая примыкает к границе, получает при этом отрицательный заряд, приносимый электронами, а пограничная область в полупроводнике n-типа получает положительный заряд, приносимый дырками (точнее, теряет уносимый электронами отрицательный заряд).

Таким образом, на границе полупроводников образуются два слоя с пространственными зарядами противоположного знака, порождающие в переходе электрическое поле. Это поле вызывает дрейфовый ток в направлении, противоположном диффузионному току. В конце концов, между диффузионным и дрейфовым токами устанавливается динамическое равновесие, и изменение пространственных зарядов прекращается. Обеднённые области с неподвижными пространственными зарядами и называют p-n-переходом[2].

Выпрямительные свойства[править | править код]

Устройство простейшего прибора, основанного на p-n-переходе — полупроводникового диода — и его символическое изображение на принципиальных схемах (треугольник обозначает p-область и указывает направление тока).

Если к слоям полупроводника приложено внешнее напряжение так, что создаваемое им электрическое поле направлено противоположно существующему в переходе полю, то динамическое равновесие нарушается, и диффузионный ток преобладает над дрейфовым током, быстро нарастая с повышением напряжения. Такое подключение напряжения к p-n-переходу называется прямым смещением (на область p-типа подан положительный потенциал относительно области n-типа).

Если внешнее напряжение приложить так, чтобы созданное им поле было одного направления с полем в переходе, то это приведёт лишь к увеличению толщины слоёв пространственного заряда. Диффузионный ток уменьшится настолько, что преобладающим станет малый дрейфовый ток. Такое подключение напряжения к p-n-переходу называется обратным смещением (или запорным смещением), а протекающий при этом через переход суммарный ток, который определяется в основном тепловой или фотонной генерацией пар электрон-дырка, называется обратным током.

Ёмкость[править | править код]

Ёмкость p-n-перехода — это ёмкости объёмных зарядов, накопленных в полупроводниках на p-n-переходе и за его пределами. Ёмкость p-n-перехода нелинейна — она зависит от полярности и значения внешнего напряжения, приложенного к переходу. Различают два вида ёмкостей p-n-перехода: барьерная и диффузионная[3].

Барьерная ёмкость[править | править код]

Барьерная (или зарядовая) ёмкость связана с изменением потенциального барьера в переходе и возникает при обратном смещении. Она эквивалентна ёмкости плоского конденсатора, в котором слоем диэлектрика служит запирающий слой, а обкладками — p и n-области перехода. Барьерная ёмкость зависит от площади перехода и относительной диэлектрической проницаемости полупроводника.

Диффузионная ёмкость[править | править код]

Диффузионная ёмкость обусловлена накоплением в области неосновных для неё носителей (электронов в p-области и дырок в n-области) при прямом смещении. Диффузионная ёмкость увеличивается с ростом прямого напряжения.

Воздействие радиации[править | править код]

Взаимодействие радиационного излучения с веществом — сложное явление. Условно принято рассматривать две стадии этого процесса: первичную и вторичную.

Первичные или прямые эффекты состоят в смещении электронов (ионизации), смещении атомов из узлов решётки, в возбуждении атомов или электронов без смещения и в ядерных превращениях вследствие непосредственного взаимодействия атомов вещества (мишени) с потоком частиц.

Вторичные эффекты состоят в дальнейшем возбуждении и нарушении структуры выбитыми электронами и атомами.

Наибольшего внимания заслуживают возбуждение электронов с образованием электронно-дырочных пар и процессы смещения атомов кристалла из узлов решетки, так как это приводит к образованию дефектов кристаллической структуры. Если электронно-дырочные пары образуются в области пространственного заряда, это приводит к возникновению тока, на противоположных контактах полупроводниковой структуры. Этот эффект используется для создания беттавольтаических источников питания со сверхдолгим сроком службы (десятки лет).

Облучение заряженными частицами большой энергии всегда приводит к первичной ионизации и, в зависимости от условий, к первичному смещению атомов. При передаче высоких энергий электронам решетки образуются дельта-излучение, высокоэнергетические электроны, которые рассеиваются от ионного трека, а также фотоны и рентгеновские кванты. При передаче атомам кристаллической решетки меньших энергий происходит возбуждение электронов и их переход в более высокоэнергетическую зону, в которой электроны термолизируют энергию путем испускания фотонов и фононов (нагрев) различных энергий. Наиболее общим эффектом рассеяния электронов и фотонов является эффект Комптона.

Методы формирования[править | править код]

Вплавление примесей[править | править код]

При вплавлении монокристалл нагревают до температуры плавления примеси, после чего часть кристалла растворяется в расплаве примеси. При охлаждении происходит рекристаллизация монокристалла с материалом примеси. Такой переход называется сплавным.

Диффузия примесей[править | править код]

В основе технологии получения диффузного перехода лежит метод фотолитографии. Для создания диффузного перехода на поверхность кристалла наносится фоторезист — фоточувствительное вещество, которое полимеризуется засвечиванием. Неполимеризованные области смываются, производится травление плёнки диоксида кремния, и в образовавшиеся окна производят диффузию примеси в пластину кремния. Такой переход называется планарным.

Эпитаксиальное наращивание[править | править код]

Сущность эпитаксиального наращивания состоит в разложении некоторых химических соединений с примесью легирующих веществ на кристалле. При этом образуется поверхностный слой, структура которого становится продолжением структуры исходного проводника. Такой переход называется эпитаксиальным[3].

Применение[править | править код]

Диод
Транзистор
Тиристор
Варикап
Стабилитрон (диод Зенера)
Светодиод
Фотодиод
Стабистор
pin диод
Бетавольтаические источники питания

См. также[править | править код]

Омический контакт
Зонная теория
Барьер Шоттки

Примечания[править | править код]

Литература[править | править код]

А. П. Лысенко, Л. С. Мироненко. Краткая теория p-n-перехода / Рецензент: проф. Ф. И. Григорьев. — М.: МИЭМ, 2002.
В. Г. Гусев, Ю. М. Гусев. Электроника. — 2-е изд. — М.: «Высшая школа», 1991. — 622 с.
К. И. Таперо, В. Н, Улимов, А. М. Членов. Радиационные эффекты в кремниевых интегральных схемах космического применения. — М.: 2009 г. — 246 с.

Источник

Открытие P-N перехода позволило совершить революцию в современной электронике. Без него мы бы с вами никогда не увидели современные компьютеры, телефоны, телевизоры и другие столь привычные нам гаджеты. Так в чем же его суть? В этой статье я постараюсь вам объяснить все это простыми словами без скучных формул и заумных фраз. Итак, приступим.

Что такое P–N переход

Итак, давайте разберемся в принципе работы:

Как вы знаете, кроме проводников и диэлектриков существуют промежуточные материалы под названием полупроводник. И поначалу было непонятно каким образом их можно использовать, но после того как полупроводник пролегировать, то он обретает довольно интересные свойства.

Первым и самым распространенным полупроводниковым элементом является кремний, которого просто огромное количество на нашей Земле (почти 30 % земной коры состоит из этого элемента).

yandex.ru

Далее идет уже довольно редкий металл как германий (его доля в земной коре порядка 1,5*10-4 %)

yandex.ru

Учеными было совершено следующее открытие: если в состав кремния добавить мышьяк, то он (кремний) насыщается свободными электронами, а, как известно, материал, в составе которого много свободных электронов является хорошим проводником. Так как электрон имеет отрицательный заряд, то таким образом пролегированный кремний можно считать N (Negative– отрицательный) – проводником. Интересно? Дальше еще интереснее.

Если тот же самый кремний пролегировать таким элементом как индий, то такой проводник обретает просто уникальные свойства. Если в первом случае у нас с вами появились свободные электроны, то вот во втором варианте получаются положительные свободные заряды.

Парадокс в том, что свободных электронов с положительным зарядом нет. Протоны (положительно заряженные частицы) связаны с нейтронами и являются составными частями ядра атома. То есть они не могут переносить положительный заряд. Получается сам заряд есть, а частиц его переносящих просто нет.

Такие частицы принято называть «дырками» с положительным зарядом. И тот полупроводниковый материал, в составе которого много таких «дырок», называется полупроводником P (Positive — положительный) — типа.

Сам по себе кремний P – типа и N – типа бесполезен, а вот если пластины из данного элемента очень плотно прислонить друг к другу, то как раз в месте соприкосновения и возникает пресловутый P–N переход, который и совершил революцию в современной электронике.

Как работает P – N переход

Итак, если не вдаваться в физику самого процесса, то проще говоря, такой переход обладает односторонней проводимостью. Непонятно? Сейчас объясню на примере.

Давайте возьмем самую обычную воронку:

Если мы с вами будем наливать воду со стороны горлышка, то вся вода довольно легко пройдет через воронку, но стоит нам попробовать налить воду через тонкую часть лейки, то лишь малая часть воды пройдет через нее.

Так и с P–N переходом, если мы к стороне с P – переходом подадим плюс от постоянного источника питания, а на N – переход минус, то ток беспрепятственно пройдет через переход, а вот если мы поменяем плюс и минус местами, то ток не пойдет. прям как в самом обычном диоде.

Чтобы это проверить, давайте проведем небольшой эксперимент: возьмем обычный диод, лампочку на 12 Вольт и блок питания и соберем по данной схеме:

Собрав такую схему и включив источник питания, мы с вами увидим, что лампа горит. А это значит, что нет никакого препятствия для протекания тока, но стоит нам с вами поменять полярность питания и лампочка не загорится.

То есть мы с вами наглядно убедились, что диод, в принцип работы которого заложен P-N переход, при прямом включении пропускает ток, а при обратном нет.

Заключение

Надеюсь теперь вам стало более-менее понятно, что такое P-N переход и как он работает, на рассмотренном примере с обычным диодом. Если вам интересна эта тема, то подпишитесь, чтобы не пропустить свежие публикации и оцените статью лайком. Спасибо за ваше внимание!

Источник

Работа
большинства полупроводниковых приборов
основана на использовании p—n-перехода.
Физически это приконтактный слой
толщиною в несколько микрон разновесных
кристаллов.

На
границе раздела возникает внутреннее
электрическое поле p-n перехода, которое
будет тормозящим для основных носителей
заряда и будет их отбрасывать от границы
раздела.

Какое свойство pn перехода

Приложим
внешнее напряжение плюсом к p-области.
Внешнее электрическое поле направлено
навстречу внутреннему полю p-n перехода,
что приводит к уменьшению потенциального
барьера. Основные носители зарядов
легко смогут преодолеть потенциальный
барьер, и поэтому через p-n переход будет
протекать сравнительно большой ток,
вызванный основными носителями заряда.

Такое
включение p-n перехода называется
прямым, и ток через p-n переход, вызванный
основными носителями заряда, также
называется прямым током. Считается, что
при прямом включении p-n переход открыт.
Если подключить внешнее напряжение
минусом на p-область, а плюсом на n-область,
то возникает внешнее электрическое
поле, линии напряжённости которого
совпадают с внутренним полем p-n перехода.
В результате это приведёт к увеличению
потенциального барьера и ширины p-n
перехода. Основные носители заряда не
смогут преодолеть p-n переход, и считается,
что p-n переход закрыт. Оба поля – и
внутреннее и внешнее — являются ускоряющими
для неосновных носителей заряда, поэтому
неосновные носители заряда будут
проходить через p-n переход, образуя
очень маленький ток, который называется
обратным током. Такое включение p-n
перехода также называется обратным.

Свойства
p-n перехода.

К
основным свойствам p-n перехода относятся:

—
свойство односторонней проводимости;

—
температурные свойства p-n перехода;

—
частотные свойства p-n перехода;

—
пробой p-n перехода.

Какое свойство pn перехода

Свойство
односторонней проводимости
p-n

Вольтамперной
характеристикой (ВАХ) называется
графически выраженная зависимость
величины протекающего через p-n переход
тока от величины приложенного напряжения.
I=f(U).

Какое свойство pn перехода

Температурное
свойство
p-n перехода показывает, как
изменяется

работа
p-n перехода при изменении температуры

Частотные
свойства p-n перехода
показывают, как работает p-n переход при
подаче на него переменного напряжения
высокой частоты. Частотные свойства
p-n перехода определяются двумя видами
ёмкости перехода:

—
ёмкость, обусловленная неподвижными
зарядами ионов донорной и акцепторной
примеси. Она называется зарядной, или
барьерной
ёмкостью;

—
диффузионная
ёмкость,
обусловленная диффузией подвижных
носителей заряда через p-n переход при
прямом включении.

Вывод:
чем меньше величина ёмкости p-n перехода,
тем на более высоких частотах он может
работать.

Явление
сильного увеличения обратного тока при
определённом обратном напряжении
называется электрическим
пробоем
p-n перехода.

Различают
электрический (лавинный, туннельный) и
тепловой пробои.

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]

Источник

Краткая теория

В полупроводниковых материалах валентные электроны сильно связаны с ядрами атомов и при создании кристаллической решетки участвуют в образовании химических связей. Рассмотрим условия появления носителей заряда в полупроводниках на примере классического полупроводника — кремния.

Собственный полупроводник

Рассмотрим кристалл чистого кремния, не содержащего никаких примесей. Каждый атом кремния имеет 4 валентных электрона. При образовании кристаллической решетки валентные

Рис.15.1. Двумерное представления расположения связей в кремнии при низкой (а) и высокой (б) температурах

электроны, представленные на рис.15.1,а в виде черных точек, обеспечивают ковалентную связь. При температурах, близких к абсолютному нулю, все электроны находятся в связанном состоянии, и свободных носителей заряда в полупроводнике нет. При подведении энергии (например, за счет теплового нагрева) появляется возможность разрыва ковалентной связи, в результате чего электрон становится свободным (рис.15.1,б). При уходе электрона ковалентная связь оказывается незавершенной (светлый кружок на рисунке).

Примесной полупроводник

Изменить концентрацию электронов или дырок в полупроводнике можно его легированием (введением примесей). Допустим, что часть атомов кремния замещена атомами пятивалентного мышьяка (рис.15.2,а).

Рис. 15.2. Схематическое изображение кристаллической решетки примесного полупроводника n- (а) и p-типа (б) проводимости

Четыре валентных электрона атома мышьяка участвуют в образовании ковалентной связи, пятый электрон оказывается «лишним». Он слабо связан с атомами мышьяка. При низких температурах он локализован около своего родного атома, но при повышении температуры способен стать свободным. В этом случае каждый введенный атом мышьяка вносит в кристаллическую решетку свободный электрон. Концентрация электронов будет определяться концентрацией введенной примеси. В таком полупроводнике выполняется условие

. (15.1)

В силу доминирующей роли электронов такие полупроводники называются полупроводниками n-типа проводимости или полупроводниками с электронной проводимостью.

Введем в кристаллическую решетку кремния атомы элемента 3-й группы периодической системы Менделеева (например, алюминий). Поскольку валентность алюминия равна трем, то одна связь атома кремния будет незавершенной (рис. 15.2,б). Следовательно, каждый введенный в кремний элемент 3-й группы будет вносить один положительный заряд – дырку. В таком материале будет выполняться условие

(15.2)

и электропроводность кристалла будет дырочной. Рассмотренные полупроводники называются полупроводниками p-типа проводимости.

Важно отметить, что в примесном полупроводнике существуют основные и неосновные носители заряда. В материале n-типа основными носителями являются электроны, неосновными – дырки. В полупроводниках p-типа основными носителями являются дырки, неосновными – электроны.

Выпрямляющие свойства p-n перехода

Контакт двух полупроводников с разным типом проводимости обладает выпрямляющим действием. Это означает, что сопротивление такого контакта зависит от направления тока: в одном направлении оно велико, в другом – мало. Рассмотрим выпрямляющее действие p-n перехода. Приведем в плотный контакт два материала с дырочной и электронной проводимостью (рис.15.3). Различие в концентрациях однотипных носителей заряда приведет к возникновению диффузионного потока электронов из n-области в p-область, а дырок из p-области в n. При этом приконтактная область дырочного полупроводника будет заряжаться отрицательно, а электронного – положительно. Возникает двойной электрический слой разделенных зарядов, которому будет соответствовать внутреннее контактное электрическое поле, направленное от плюса к минусу. Иными словами, на границе p и n областей возникает внутренняя контактная разность потенциалов UK, затрудняющая процессы перехода основных носителей заряда.

Рис.15.3. Образование контактной разности потенциалов

Подадим на p-n переход внешнее напряжение. Если положительный потенциал приходится на p-область, а отрицательный на n— область (рис.15.4), то такое включение называется прямым и ему соответствует протекание большого тока через p-n переход.

Рис.15.4. P-n переход при прямом смещении

Это обусловлено тем, что внешнее электрическое поле будет ослаблять действие внутреннего электрического поля. Величина потенциального барьера для основных носителей заряда по обе стороны от p-n перехода понизится, уменьшится ширина двойного электрического слоя, и, увлекаемые внешним электрическим полем, электроны n-области и дырки p-области будут двигаться через границу через невысокий потенциальный барьер. Таким образом, протекание большого прямого тока обусловлено движением основных носителей заряда.

Если сменить направление внешнего электрического поля, подавая положительный потенциал на n-область, а отрицательный на p (рис.15.5), то такое смещение называется обратным и характеризуется протеканием малых токов.

Рис.15.5. Обратное включение p-n перехода

Зависимость силы тока I от внешнего напряжения U, называемая вольтамперной характеристикой (ВАХ), для p-n перехода описывается уравнением:

(15.3)

где знак «+» относится к прямому направлению, знак «-» — к обратному. При прямых смещениях зависимость имеет экспоненциальный характер, поскольку уже при небольших напряжениях единицей в квадратных скобках можно пренебречь. При больших обратных смещениях ток выходит на постоянный уровень, называемый током насыщения IS.

Вольтамперная характеристика реальных промышленных полупроводниковых диодов изображена на рис.15.6 и имеет небольшие отличия от зависимости, описываемой ф.(15.3).

Рис.15.6. ВАХ полупроводникового диода

Эти отличия относятся к области прямых смещений, когда начальный экспоненциальный участок переходит в строгую линейную зависимость. Линейная зависимость обусловлена тем, что при больших прямых смещениях потенциальный барьер для основных носителей полностью исчезает и величину протекающего тока уже определяет электрическое сопротивление p- и n- областей, называемых базовой областью. Сопротивление базовой области RБ определяется по тангенсу угла наклона линейного участка ВАХ:

(15.4)