Опишите свойства p n перехода в полупроводниках кратко

Обновлено: 05.07.2024

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).

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

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.

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!

Донорная примесь: основные носители заряда - свободные электроны. Остается положительный ион примеси. Акцепторная примесь: основные носители заряда—дырки. Остается отрицательный ион примеси. В месте контактадонорного и акцепторного полупроводников возникает электронно-дырочный переход (p-n-переход).

Свойства р-п-перехода

1. Образуется запирающий слой, образованный зарядами ионов примеси: d=10 -7 м , Dj = 0.4—0,8 В .

2. Направление внешнего поля (источника) совпадает с направлением контактного поля. Тока основных носителей заряда нет. Существует слабый токнеосновных носителей заряда. Такое включение называется обратным.

3. Прямое включение. Существует ток основных носителей заряда.

p-n-переход пропускает электрический ток только в одном направлении

(свойство односторонней проводимости).

Полупроводниковый диод

Схематическое изображение. Направление стрелки указывает направление тока.

Вольтамперная характеристика полупроводникового диода.

/, 2 — участок приближенно прямолинеен -экспонента;

3 - пробой диода

0,3- обратный ток;

0,1- ток меняется нелинейно.

Обратный ток обусловлен наличием неосновных носителей заряда.

Применение полупроводникового диода

Принцип действия транзистора

Направление стрелки - направление тока

На всех рисунках - p-n-p- транзисторы.

Устройство биполярного транзистора.

Основные применения: элемент усилетеля тока, напряжения или мощности; электронный ключ (например, в генераторе электромагнитных колебаний).

Переход эмиттер - база включается в прямом направлении, а база - коллектор - в обратном. Через эмиттерный переход идет большое количество основных носителей заряда. База очень тонкая. Концентрация основных носителей заряда в базе небольная. Поэтому рекомбинация электронов и дырок небольшая. Ток базы маленький. Заряды, пришедшие из эмиттера, по отношению к базе являютсянеосновными, поэтому они свободно проходят через коллекторный переход. До 95% дырок, попадающих из эмиттера в базу, проходят в коллектор. Т.е. I_э ≈ I_б . При изменении I_э с помощью источника переменного напряжения одновременно почти во столько же раз изменяется I_к . Т.к. сопротивление коллекторного перехода во много раз превышает сопротивление эмиттерного, то при практически равных токах, напряжение на эмиттере много меньше напряжения на коллекторе.

Например, при внедрении донорной примеси в какое-либо место полупроводника p-типа, в нем возникает полупроводниковая область n-типа, стоящая на границе полупроводника p-типа.
Разберем схематически возникновение p-n-перехода при схождении двух полупроводников с разными типами проводимости (рис.1). До соприкосновения в этих полупроводниках дырки, электроны, а также неподвижные ионы были расположены равномерно (рис. 1, а).
При схождении полупроводников внутри пограничного слоя происходит так называемая рекомбинация, т. е. воссоединение электронов и дырок. Свободные электроны полупроводника n-типа захватывают свободные ниши в валентной области полупроводника n-типа. В итоге рядом с границей обоих полупроводников появляется слой, утративший подвижных переносчиков заряда и, следовательно, обладающий низкой электропроводностью, называемый запирающим слоем (рис1, б). Толщина такого слоя не выше нескольких микрометров.
Увеличению запирающего слоя затрудняют неподвижные ионы акцепторных и донорных прибавок, которые формируют на рубеже полупроводников двойной запирающий ряд (слой). Данный слой указывает контактную разность потенциалов, иначе называющийся контактным барьером φк на рубеже полупроводников (рис. 1, в). Появившаяся разность потенциалов вызывает в запирающем ряду (слое) электрическое поле, затрудняющее как переход электронов полупроводник p-типа из полупроводника n-типа, так и переход дырок из полупроводника p-типа. Одновременно с этим электроны имеют возможность свободно передвигаться в полупроводник n-типа из полупроводника p-типа. Следовательно, контактное напряжение тормозит передвижению основных носителей заряда и не затрудняет продвижению неосновных носителей заряда. Впрочем при передвижении сквозь p-n-переход неосновных носителей (дрейфовый ток Iдр) наблюдается снижение контактного напряжения (разности потенциалов φк), что допускает некоторой доле основных носителей, обладающих достаточной энергией, форсировать потенциальный барьер, порожденный контактным напряжением φк. возникает ток диффузии Iдиф, который имеет направление навстречу тока дрейфа Iдр. Появляется динамическое равновесие, где Iдр=Iдиф.
Если к p-n-переходу подключить внешнее напряжение, производящее в запирающем слое электрополе напряженностью Евн, совпадающее по направленности с полем напряженностью Езап, в котором расположены неподвижные ионы (рис. 2, а), то это послужит только расширению (увеличению) запирающего слоя, т. к. будет отводить от контактной зоны как положительные, так и отрицательные электроны и дырки.

В данном случае p-n-переход имеет большое сопротивление, а ток через него будет течь очень незначительно, так как он характеризуется течением неосновных носителей заряда. В данном случае ток называется обратным, и p-n-переход именуется закрытым.
Если поменять местами провода источника напряжения (рис. 2, б), внешнее электрическое поле имеет встречную направленность полю двойного электрического слоя, и толщина запирающего ряда (слоя) снижается и при достижении напряжения 0,3-0,5 В запирающий слой исчезнет. Сопротивление p-n-перехода быстро падает, и появляется довольно большой ток. В этом случае ток называется прямым, переход – открытый. При этом сопротивление p-n-перехода будет равняться сопротивлению самого полупроводника.
На рис. 3 представлена развернутая вольт-амперная характеристика закрытого и открытого p-n-переходов. Эта характеристика нелинейная. На участке 1 графика Евн Евн, запирающего слоя нет, ток определяется лишь проводимостью полупроводника. На фрагменте 3 графика запирающий слой затрудняет передвижению основных носителей, малый ток зависит от движения неосновных носителей заряда. Изгиб вольт-амперной характеристики в основе координат определяется какими-либо масштабами напряжения и тока при прямом и обратном течении напряжения, которое прикладывается к p-n-переходу. И напоследок, на участке 4 возникает пробой p-n-перехода и обратный ток резко возрастает. Связано это с тем, что при течении сквозь p-n-переход под влиянием электрополя неосновные носители заряда получают энергию, довольную для сильной ионизации атомов полупроводника. В переходе появляется лавинообразное увеличение носителей заряда, что приводит к быстрому возрастанию обратного тока через p-n-переход, напряжение же при этом почти не изменяется. Такой тип электрического пробоя называется лавинным. В большинстве случаев он прогрессирует в более широких p-n-переходах, рождающихся в слаболегированных полупроводниках.

В сильнолегированных полупроводниках величина запирающего слоя уже, что затрудняет появлению лавинного пробоя, т. к. движущиеся носители не получают энергии, довольной для ударной ионизации. При этом может появляться электрический пробой p-n-перехода, когда при доведении до критической напряженности электрополя в p-n-переходе за счет энергии поля возникают пары носителей – электрон-дырка, и ощутимо растет обратный ток перехода.
Для электрического пробоя свойственна обратимость, содержавшаяся в том, что исходные качества p-n-перехода полностью возобновляются, если понизить напряжение на p-n-переходе.
Вследствие этого электрический пробой применяют как рабочий режим в полупроводниковых диодах.
При возрастании температуры p-n-перехода из-за его разогрева обратным током при недостаточном теплоотводе, усиливается развитие генерации пар носителей. А это приводит к последующему возрастанию обратного тока и разогреву p-n-перехода, что способно породить разрушение перехода. Данный процесс называется тепловым пробоем. Тепловой пробой опасен для полупроводниковых приборов тем, что уничтожает p-n-переход.
В сильнолегированных полупроводниках (например, в соединениях арсенида галлия) возможно возникновение квантово-механического туннельного эффекта, состоящего в том, что в местах 1 и 3 (рис. 3) при минимальной толщине запирающего слоя основные носители заряда способны форсировать запирающий слой помимо изменения энергии. Эти условия проводятся в конкретном диапазоне напряжений, это влечет за собой к увеличению тока на сегменте 1 прямой ветви при Uпр ≤ 0,4 В и на сегменте 3 обратной ветви. Последующее увеличение прямого напряжения повлечет к истощению туннельного эффекта, и при Uпр > 0,4 В он полностью пропадает. В итоге, благодаря туннельному эффекту возрастает ток на прямой ветви вольт-амперной характеристики p-n-перехода (рис. 3).
Закрытый p-n-переход имеет электрическую емкость. Она зависит размеров перехода и диэлектрической проницаемости запирающего слоя. Если увеличить обратное напряжение, ширина p-n-перехода также увеличивается, а емкость С p-n-перехода будет уменьшаться. Такая зависимость показана на рис. 4.

Особенности легированных и чистых полупроводников и характеристики p-n-перехода часто применяют в полупроводниковых сопротивлениях и диодах. В транзисторах и тиристорах применяют электрические характеристики, которые определяются взаимным действиям нескольких p-n-переходов.
Подведем итоги. Что нужно знать о свойствах p-n-перехода.
Свойства p-n-перехода без напряжения:
1. В области p-n-перехода всегдапроисходитдиффузия. Благодаря диффузии создаются объемные заряды.
2. В p-n-переходе всегда образуется электрическое поле. Это поле очень слабое – 0,7 – 1 В.
3. Электрическое поле создает дрейф неосновных носителей заряда в области, откуда они пришли. Ток дрейфа равен току диффузии, суммарный ток через p-n-переход равен нулю.
Свойства p-n-перехода при прямом напряжении:
1. Прямое напряжение ослабляет поле p-n-перехода (понижает потенциальный барьер).
2. Через p-n-переход проходит большой прямой ток.
3. p-n-переход имеет очень малое сопротивление (R близко к нулю).
4. Прямое напряжение имеет небольшую величину.
Свойства p-n-перехода при обратном напряжении:
1. Обратное напряжение усиливает поле p-n-перехода (повышает потенциальный барьер);
2. Через p-n-переход протекает очень незначительный ток, т. е. почти не пропускает ток;
3. p-n-переход при обратном напряжении имеет очень большое сопротивление (R стремится к бесконечности).
4. Обратное напряжение имеет сравнительно большое напряжение.

Возвращаемся к рубрике "Основы электроники" и в этой статье мы разберем очень важное, основополагающее понятие, а именно p-n переход. И, конечно, же разберем работу устройства, сердцем которого является уже упомянутый p-n переход, то есть полупроводникового диода.

И первым делом мы подробно рассмотрим устройство p-n перехода и химические процессы, протекающие в нем, которые, собственно, и определяют то, как он работает. Основными понятиями, которыми мы будем сегодня оперировать являются "электроны" и "дырки". И если с электроном все понятно, то на физическом смысле дырок стоит остановиться поподробнее.

Полупроводниковые материалы, которые являются основой p-n перехода, характеризуются тем, что они объединяют в себе как свойства проводников, так и свойства диэлектриков. В кристаллической структуре проводников есть много свободных носителей заряда, которые под воздействием электрического поля начинают перемещаться, что и обуславливает способность проводника проводить ток.

В диэлектриках связь частиц с атомами очень сильная, поэтому свободные носители заряда отсутствуют (все частицы жестко закреплены на своем месте в кристаллической решетке). Поэтому диэлектрики не пропускают электрический ток.

В полупроводниках же все не так однозначно. В целом, для того, чтобы электрон покинул свое место, то есть высвободился от атома ему необходим определенный уровень внутренней энергии. Эта энергия может появиться, например, в результате повышения температуры. И величина этой внутренней энергии для полупроводников намного меньше, чем для диэлектриков. В этом и состоит ключевой момент!

При низкой температуре большинство электронов полупроводника "сидят" на своих местах, и поэтому проводимость тока очень низкая. А, соответственно, с ростом температуры способность полупроводника проводить ток улучшается.

С этим процессом разобрались: итак, с ростом температуры в полупроводнике число свободных электронов увеличивается.

Во время разрыва связи электрона с ядром атома в электронной оболочке атома появляется свободное место. Атом при этом получает положительный заряд, ведь изначально заряд был нейтральным, а электрон, имеющий отрицательный заряд, атом покинул. Но свободное место не долго остается пустым, так как на него переходит электрон из соседнего атома. И этот процесс повторяется снова и снова. Таким образом, происходит перемещение положительного заряда. И вот именно этот условный(!) положительный заряд и называют дыркой:

Такой механизм проводимости называется собственной проводимостью полупроводника. Но на практике, в частности в транзисторах и диодах, применяются полупроводники с примесями, поскольку примесная проводимость значительно превышает собственную.

Примеси разделяют на:

донорные, то есть отдающие
акцепторные, принимающие

Разберем классический пример - кремний и мышьяк. У кремния на внешней оболочке атома 4 электрона (валентные электроны). У мышьяка таких электронов 5. Атом мышьяка отдает 4 из своих электронов на образование связей с 4-мя электронами атома кремния. При этом один из 5-ти валентных электронов не участвует в образовании связей.

У мышьяка энергия отрыва этого 5-го электрона от атома достаточно невелика. Настолько, что уже при небольшой температуре атомы мышьяка теряют свои незанятые в связях с кремнием электроны. Но при этом, поскольку в соседних атомах нет свободных мест, то дырок не возникает, и "дырочная" проводимость практически отсутствует. Так мы получили полупроводник с электронной проводимостью, то есть полупроводник n-типа.

Если же мы возьмем в качестве примеси 3-х валентный элемент (3 электрона на внешней оболочке атома), то в случае с добавлением примеси к кремнию (4 электрона), одно место останется свободным. На это место "придет" электрон соседнего атома и так далее, то есть возникнет процесс перемещения дырки. Так мы получим полупроводник p-типа.

Вот мы разобрались и с этим, двигаемся непосредственно к рассмотрению p-n перехода.

Итак, p-n переход (электронно-дырочный переход) - это область, в которой соприкасаются два полупроводника, имеющие разный тип проводимости (p-тип и n-тип):

Причем обе области электрически нейтральны. Только одна из них содержит свободно перемещающиеся дырки, а вторая - электроны.

При соприкосновении полупроводников разного типа возникает диффузионный ток. Это связано с тем, что свободные носители (электроны и дырки) стремятся перейти из той области, где их много, в ту область, где их мало. При прохождении через переход частицы рекомбинируют друг с другом. В результате этого вблизи границы перехода образуются избыточные заряды:

На рисунке изображены только свободные носители заряда в каждой из областей.

Давайте чуть подробнее разберем этот процесс. Один из электронов переходит из области n-типа и "занимает" свободное место, то есть дырку в области p-типа. На первоначальном месте этого электрона в области n-типа появляется дырка (ведь электрона там больше нет). И в итоге получается, что в p-области вблизи перехода скапливаются электроны, а в n-области наоборот дырки. Не забываем, что дырка - это не реально существующая частица, а условный(!) положительный заряд.

Но этот процесс не продолжается бесконечно по одной простой причине. Из-за того, что на границе формируются два новых слоя, возникает дополнительное электрическое поле, которое они порождают. Под действием этого поля возникает так называемый дрейфовый ток, направленный противоположно диффузионному току. И при определенной концентрации частиц около границы перехода между этими токами возникает равновесие и процесс останавливается:

Строго говоря, p-n переход - это именно область, в которой практически отсутствуют свободные носители заряда (обедненная область). Для того, чтобы выйти из этого положения равновесия, мы можем приложить к переходу внешнее напряжения. Различают прямое и обратное смещение.

При прямом смещении положительный потенциал подается на область p-типа, а отрицательный, соответственно, на область n-типа:

В этом случае внешнее электрическое поле (от источника напряжения) направлено противоположно тому полю, которое существует внутри перехода. В результате диффузионный ток начинает преобладать над дрейфовым, поскольку такое внешнее поле приводит к движению дырок из p-области в n-область и электронов в обратном направлении.

Вот так и возникает прямой ток, направление которого противоположно движению электронов. Обратное же смещение выглядит так:

Такое подключение приводит лишь к увеличению областей, в которых отсутствуют свободные носители заряда. Действительно, под действием электрического поля при обратном смещении свободные электроны и дырки будут удаляться от границы слоев.

В результате диффузионный ток будет максимально уменьшен и преобладать будет ток дрейфовый. В таком случае протекающий ток называют обратным (его величина очень мала по сравнению с прямым током).

Полупроводниковое устройство, внутри которого сформирован один такой p-n переход, и называют диодом. А его выводы (электроды) получили названия анод и катод. На принципиальных электрических схемах полупроводниковый диод обозначается следующим образом:

Ключевой характеристикой диода является вольт-амперная характеристика (ВАХ). Она представляет из себя зависимость протекающего через диод тока от приложенного к нему напряжения:

Как видите, здесь все в точности соответствует тому, что мы обсудили при разборе p-n перехода. Правая ветвь графика относится к прямому смещению перехода. При увеличении напряжения увеличивается и протекающий прямой ток. Обратите внимание, что при прямом включении напряжение должно достигнуть определенного значения для того, чтобы диод стал хорошо пропускать ток. Если напряжение меньше этого значения (пусть и создает прямое смещение), то способность диода пропускать ток будет низкой.

При обратном смещении (левая ветвь характеристики) ток достигает некоторого значения и перестает увеличиваться. Это процесс протекания незначительного обратного тока. Если продолжать увеличивать напряжение, то произойдет пробой p-n перехода (про ситуацию пробоя мы еще обязательно поговорим в статье, посвященной стабилитронам).

Таким образом, можно сказать, что диод пропускает ток в одном направлении и препятствует протеканию тока в обратном направлении.

И на этом, пожалуй, закончим, сегодня мы по итогу рассмотрели все основные процессы, протекающие в p-n переходе и полупроводниковом диоде. Совсем скоро, буквально в одной из следующих статей, разберем основные примеры использования диодов. Будем рады видеть вас на нашем сайте снова!

Электроника базируется в основном на использовании полупроводниковых приборов: диодов, транзисторов, тиристоров и интегральных микросхем (ИМС). В полупроводниковых приборах используется свойство односторонней проводимости p-n-переходов. Электронно-дырочным называют такой p-n-переход, который образован двумя областями полупроводника с разными типами проводимости: электронной (n) и дырочной (p). Получают p-n-переход с помощью диффузии или эпитаксии.

В физике твёрдого тела, ды?рка — это отсутствие электрона в электронной оболочке. Для создания дырок в полупроводниках используется легирование кристаллов акцепторными примесями. Кроме того, дырки могут возникать и в результате внешних воздействий: теплового возбуждения электронов из валентной зоны в зону проводимости, освещения светом или облучения ионизирующим излучением.

p-n-перехо?д (n — negative — отрицательный, электронный, p — positive — положительный, дырочный), или электронно-дырочный переход — область пространства на стыке двух полупроводников p- и n-типа, в которой происходит переход от одного типа проводимости к другому. p-n-переход является основой для полупроводниковых диодов, триодов и других электронных элементов с нелинейной вольт-амперной характеристикой.

Полупроводниковые элементы включают группу элементов с собственной электропроводностью 10 2 -10 -8 См/м. Электри?ческая проводи?мость (электропроводность, проводимость) — способность тела проводить электрический ток, а также физическая величина, характеризующая эту способность и обратная электрическому сопротивлению. В Международной системе единиц (СИ) единицей измерения электрической проводимости является сименс.

Согласно зонной теории к полупроводникам относят элементы, у которых ширина запрещенной энергетической зоны

Рисунок 10 – Запирающий слой: а) при отсутствии напряжения; б) при подаче обратного напряжения; в) при подаче прямого напряжения

Если к p-n-переходу приложить обратное напряжение (рис. 10, б), то создаваемая им напряженность E_з электрического поля повышает потенциальный барьер и препятствует переходу электронов из n-области в p-область и дырок из p-области в n-область. При этом поток неосновных носителей (дырок из n-области и электронов из p-области), их экстракция, образует обратный ток I_обр .

Если включить внешний источник энергии Е, как это показано на рис. 10, в, то создаваемая им напряженность электрического поля будет противополож-ной направлению напряженности E_з объёмного заряда, и в область раздела полупроводников будет инжектироваться все большее количество дырок (являющимися неосновными для n-области носителями заряда), которые и образуют прямой ток I_пр . При напряжении 0,3-0,5 В запирающий слой исчезнет, и ток I_пр определяется только сопротивлением полупроводника.

Встречной инжекцией электронов в p-область можно пренебречь, так как число дырок в рассматриваемом примере, а следовательно, и основных носителей заряда больше в p-области, чем свободных электронов в n-области, т. е.

где N_aи N_д — концентрации акцепторов и доноров в p- и n-областях.

Область кристалла, имеющая более высокую концентрацию примесей, называют эмиттером, а вторую, с меньшей концентрацией, — базой.

Согласно зонной теории к полупроводникам относят элементы, у которых ширина запрещенной энергетической зоны >N_д ,

где N_aи N_д — концентрации акцепторов и доноров в p- и n-областях.

Читайте также: