Электронно электронный переход реферат
Обновлено: 05.07.2024
Принцип действия полупроводниковых приборов объясняется свойствами так называемого электронно-дырочного перехода (p-n - перехода) - зоной раздела областей полупроводника с разным механизмами проводимости.
Электронно-дырочный переход - это область полупроводника, в которой имеет место пространственное изменение типа проводимости (от электронной n-области к дырочной p-области). Поскольку в р-области электронно-дырочного перехода концентрация дырок гораздо выше, чем в n-области, дырки из n -области стремятся диффундировать в электронную область. Электроны диффундируют в р-область.
Для создания в исходном полупроводнике (обычно 4-валентном германии или кремнии) проводимости n- или p-типа в него добавляют атомы 5-валентной или 3-валентной примесей соответственно (фосфор, мышьяк или алюминий, индий и др.)
Атомы 5-валентной примеси (доноры) легко отдают один электрон в зону проводимости, создавая избыток электронов в полупроводнике, не занятых в образовании ковалентных связей; проводник приобретает проводимость n-типа. Введение же 3-валентной примеси (акцепторов) приводит к тому, что последняя, отбирая по одному электрону от атомов полупроводника для создания недостающей ковалентной связи, сообщает ему проводимость p-типа, так как образующиеся при этом дырки (вакантные энергетические уровни в валентной зоне) ведут себя в электрическом или магнитном полях как носители положительных зарядов. Дырки в полупроводнике р-типа и электроны в полупроводнике n-типа называются основными носителями в отличие от неосновных (электроны в полупроводнике р-типа и дырки в полупроводнике n-типа), которые генерируются из-за тепловых колебаний атомов кристаллической решетки.
Если полупроводники с разными типами проводимости привести в соприкосновение (контакт создается технологическим путем, но не механическим), то электроны в полупроводнике n-типа получают возможность занять свободные уровни в валентной зоне полупроводника р-типа. Произойдет рекомбинация электронов с дырками вблизи границы разнотипных полупроводников.
Этот процесс подобен диффузии свободных электронов из полупроводника n-типа в полупроводник р-типа и диффузии дырок в противоположном направлении. В результате ухода основных носителей заряда на границе разнотипных полупроводников создается обедненный подвижными носителями слой, в котором в n-области будут находиться положительные ионы донорных атомов; а в p- области - отрицательные ионы акцепторных атомов. Этот обедненный подвижными носителями слой протяженностью в доли микрона и является электронно-дырочным переходом.
Потенциальный барьер в p-n переходе.
Если к полупроводнику приложить электрическое напряжение, то в зависимости от полярности этого напряжения р-n-переход проявляет совершенно различные свойства.
Свойства p-n перехода при прямом включении.
Свойства p-n перехода при обратном включении.
Итак, с определенной долей приближения можно считать, что электрический ток через р-n-переход протекает, если полярность напряжения источника питания прямая, и, напротив, тока нет, когда полярность обратная.
Однако, кроме зависимости возникшего тока от внешней энергии, например, источника питания или фотонов света, которая используется в ряде полупроводниковых приборов, существует термогенерация. При этом концентрация собственных носителей заряда резко уменьшается, следовательно, и IОБР тоже.Таким образом, если переход подвергнуть воздействию внешней энергии, то появляется пара свободных зарядов: электрон – дырка. Любой носитель заряда, рожденный в области объемного заряда p–n перехода, будет подхвачен электрическим полем EВН и выброшен: электрон – в n–область, дырка – в p– область. Возникает электрический ток, который пропорционален ширине области объемного заряда. Это вызвано тем, что чем больше EВН , тем шире область, где существует электрическое поле, в котором происходит рождение и разделение носителей зарядов. Как было сказано выше, скорость генерации носителей зарядов в полупроводнике зависит от концентрации и энергетического положения глубоких примесей, существующих в материале.
По этой же причине выше предельная рабочая температура полупроводника. Для германия она составляет 80º С, кремний: 150º С, арсенид галлия: 250º С (DE = 1,4 эВ). При большей температуре количество носителей заряда возрастает, сопротивление кристалла уменьшается, и полупроводник термически разрушается.
Вольт-амперная характеристика p-n перехода.
Вольт-амперная характеристика (ВАХ) является графической зависимостью протекающего через р-n переход тока от приложенного к нему внешнего напряжения I=f(U). Вольт-амперная характеристика р-n перехода при прямом и обратном включении приведена ниже.
Она состоит из прямой (0-А) и обратной (0-В-С) ветвей; на вертикальной оси отложены значения прямого и обратного тока, а на оси абсцисс — значения прямого и обратного напряжения.
Напряжение от внешнего источника, подведенное к кристаллу с р-п переходом, практически полностью сосредотачивается на обедненном носителями переходе. В зависимости от полярности возможны два варианта включения постоянного напряжения — прямое и обратное.
При прямом включении (рис. справа - верх) внешнее электрическое поле направлено навстречу внутреннему и частично или полиостью ослабляет его, снижает высоту потенциального барьера (Rпр). При обратном включении (рис. справа - низ) электрическое поле совпадает по направлению с полем р-п перехода и приводит к росту потенциального барьера (Rобр).
ВАХ p-n перехода описывается аналитической функцией:
U — приложенное к переходу внешнее напряжение соответствующего знака;
Iо = Iт — обратный (тепловой) ток р-п перехода;
— температурный потенциал, где k - постоянная Больцмана, q - элементарный заряд (при T = 300К, 0,26 В).
Электронно-дырочный переход. Электроника и схемотехника ( реферат , курсовая , диплом , контрольная )
Общие сведения об электрических переходах.
Электрическим переходом называют нриконтактный слой на границе двух сред (тел) с разными электрофизическими свойствами. В полупроводниковых приборах (сюда же относятся микросхемы) электрическими переходами служат неоднородные по электрофизическим свойствам монокристаллы, содержащие области (или слои) собственно полупроводника, полупроводника с донорными и акцепторными примесями, а также области между полупроводниками с разными типами электропроводности и с различной степенью легирования, области между полупроводником и металлом, полупроводником и диэлектриком.
Работа любого полупроводникового прибора основывается на процессах, происходящих в электрических переходах.
- • на гомогенные, или гомопереходы, созданные в одном полупроводниковом материале, например только в кремнии (Si);
- • гетерогенные, или гетеропереходы, созданные на границе различных полупроводниковых материалов: германий — кремний, кремний — арсенид галлия и т. д.
Особую роль в создании полупроводниковых приборов играют переходы между двумя областями полупроводника с разными типами электропроводности, одна из которых имеет электронную, а другая дырочную проводимость. Такие переходы называют электронно-дырочными переходами, или р-п-переходами. Неотъемлемой частью полупроводникового прибора являются переходы металл — полупроводник, используемые в качестве выводов [26, "https://referat.bookap.info"].
Электронно-дырочные переходы классифицируют по степени изменения концентрации в приграничной области перехода и по соотношению удельных сопротивлений слоев.
По степени изменения концентрации различают:
- • ступенчатые р-п-переходы, в которых по одну сторону перехода находятся доноры с постоянной концентрацией ЛГД, но другую — акцепторы с постоянной концентрацией JVa. Для изготовления ступенчатых переходов используют технологию сплавления. На поверхности пластинки, например, полупроводника «-типа укрепляют небольшую таблетку элемента III группы и помешают в печь, где происходит ее нагрев до температуры ниже точки плавления полупроводника, но выше точки плавления примеси. В результате этого происходит вплавление в определенную область кристалла акцепторной примеси и формирование р-и-перехода. Изготовленные по этой технологии переходы часто называют сплавными р-«-переходами;
- • плавные р-и-переходы, у которых в приграничной области осуществляется плавное изменение концентрации от Na до JVa, а на самой границе Na = Na. Для изготовления плавных р-«-переходов используют метод диффузии. При этом полупроводниковую пластинку с защитным оксидным слоем предварительно обрабатывают, создавая окна заданной конфигурации на ее поверхности, а затем через них проводят диффузию примесей.
По соотношению концентраций примесей в ри «-слоях переходы разделяются:
- • на симметричные р-«-переходы, для которых концентрация примесей удовлетворяет условиям Nan ~ Nap,
- • несимметричные р-«-переходы, для которых NV1 ^ N . В отдельную группу выделяют односторонние р-«-переходы, для которых Nan «Nap или N,w N , т. е. концентрации примесей различаются на 1—2 порядка. Их обозначают символами « + -р или р + -«.
Рис. 2.6. Распределение примесей и свободных зарядов при N > N.
меняются от значения пп до пр и от рр до рп соответственно. На рис. 2.6 приведены в логарифмическом масштабе кривые распределения электронов и дырок вдоль оси Ох, построенные с учетом условия ппрп = ррпр = п?, где ?ij — концентрация носителей зарядов собственного полупроводника. Следует отметить, что кривые распределения симметричны относительно уровня nt. Кроме того, при.
" JVa сечение, в котором становятся равными концентрации электронов и дырок, оказывается смещенным в р-область с более низкой концентрации примесей. В результате этого в p-области, заключенной между сечениями Оу и О’у' за счет обогащения электронами и обеднения дырками тип проводимости изменится, т. е. образуется инверсный слой. Таким образом, сечение Оу (металлургическая граница), в котором изменяется тип примесей, в случае несимметричного перехода не совпадает с сечением О’у' (физическая граница), в котором выравнивается концентрация электронов и дырок. Поэтому различают металлургический и физический переходы. В дальнейшем для простоты будем полагать, что физический переход совпадает с металлургическим.
Лекции
Лабораторные
Справочники
Эссе
Вопросы
Стандарты
Программы
Дипломные
Курсовые
Помогалки
Графические
Доступные файлы (9):
Электронно-дырочный p-n-переход.doc
Электронно – дырочный p – n переход
В основе принципа действия подавляющего большинства полупроводниковых приборов лежат процессы, происходящие в переходном слое, образованном в полупроводнике на границе двух зон с проводимостями различного типа, p и n типа. Для простоты эту границу принято называть p – n переходом, или электронно-дырочным переходом, что характеризует вид основных носителей зарядов в двух примыкающих друг к другу зонах полупроводника.
Различают два вида p – n переходов: плоскостной и точечный. Плоскостной переход получается путём помещения кусочка примеси, например, индия на поверхность германия n типа и последующего нагревания до расплава примеси. При поддержании определённой температуры в течение определённого времени происходит диффузия части атомов примеси в пластинку полупроводника на небольшую глубину. Создаётся зона с проводимостью, противоположной проводимости исходного полупроводника, в данном случае p типа для n германия.
Точечный переход получается в результате установления плотного электрического контакта тонкого проводника, имеющего электронную проводимость, с поверхностью полупроводника p типа. Именно на этом принципе действовали первые кристаллические детекторы, которые применялись в 20 – 30-х годах.
Но такие детекторы были крайне чувствительны к положению заострённого конца проволочки на поверхности полупроводника, к чистоте его поверхности, вследствие чего приходилось очень часто подстраивать его. Своё название детектор получил от английского слова, означающего устройство, предназначенное для обнаружения в данном случае сигнала и чувствительной точки. В настоящее время точечные переходы получаются путём вплавливания конца тонкой металлической проволоки в поверхность полупроводника n типа. Вплавление осуществляется в момент подачи кратковременного мощного импульса электрического тока. Под действием тепла, которое образуется за этот короткий промежуток времени, часть электронов вырывается из атомов полупроводника, находящихся вблизи точечного контакта, оставляя после себя дырки. В результате этого небольшой объём полупроводника n типа в непосредственной близости от контакта превращается в полупроводник p типа.
Характерной особенностью p – n перехода является резко выраженная зависимость его электрической проводимости от полярности приложенного к нему внешнего напряжения, чего никогда не наблюдается в полупроводнике одной проводимости. Для того чтобы уяснить, почему это происходит, надо обратиться к действию внешнего напряжения различной полярности, прикладываемого к двум зонам полупроводника, имеющим проводимости разного типа.
В том случае, когда положительный полюс напряжения приложен к зоне p, где основными носителями заряда являются дырки, а отрицательный полюс – к зоне n, где основные носители заряда – электроны, под действием внешнего поля дырки будут отталкиваться положительным потенциалом, а электроны – отрицательным. Под действием этих сил дырки и электроны будут двигаться навстречу друг другу, к p – n переходу, где происходит их рекомбинация. Пока приложено напряжение, через переход всё время течёт ток. Чем больше напряжение, тем больше будет ток через переход. В этом случае принято говорить, что переход включён в прямом направлении, характеризующемся малым сопротивлением и большим током.
Если изменить полярность включения внешнего источника, то дырки будут притягиваться к отрицательному полюсу, а электроны – к положительному. Под действием этих сил электроны и дырки будут двигаться в направлении от перехода, вследствие чего переход будет обеднён носителями заряда, число рекомбинаций значительно сократится, и, как следствие этого, ток через переход станет очень малым. В этом случае говорят, что к переходу приложено напряжение в обратном, запорном направлении, когда сопротивление перехода велико, проводимость и ток малы. Благодаря своей способности хорошо пропускать ток в одном направлении и плохо - в другом p – n переход обладает выпрямляющими свойствами, широко используемыми в полупроводниковых диодах, являющихся самыми простыми и исторически самымипервыми полупроводниковыми приборами. В соответствии с видом перехода различаются плоскостные и точечные диоды, которые могут быть кремниевыми или германиевыми.
Величина токов в прямом и обратном направлениях различаются в десятки, сотни раз. Обращает на себя тот факт, что зависимость тока от величины напряжения не является линейной. Резкое увеличение тока в обратном направлении при большом запирающем напряжении указывает на ухудшение электрической прочности перехода при высоком напряжении.
Другой характерной особенностью p – n перехода является сильная зависимость его свойств от температуры. По мере повышения температуры значительно возрастает обратный ток перехода, снижается допустимое обратное напряжение. При повышении температуры и неизменном напряжении прямой ток увеличивается. При этом для сохранения прежнего значения тока необходимо уменьшать напряжение смещения в среднем на 5о МВ на каждые 10 градусов.
Использование свойств p – n перехода лежит в основе принципа действия различных видов полупроводниковых приборов, самыми распространёнными из которых являются полупроводниковые диоды и транзисторы.
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ
"ЛИПЕЦКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ПЕДАГОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМЕНИ П.П. СЕМЕНОВА-ТЯН-ШАНСКОГО"
ИНСТИТУТ ЕСТЕСТВЕННЫХ, МАТЕМАТИЧЕСКИХ И ТЕХНИЧЕСКИХ НАУК
Кафедра электроники информатики, информационных технологий
и защиты информации
Студента 2 курса группы ИБ-2
Пономарева Александра Евгеньевича
Оглавление
Введение 3
Электронно-дырочный переход 4
Динамическое равновесие процессов диффузии и дрейфа в электронно-дырочном переходе 4
Энергетическая диаграмма электронно-дырочного перехода 5
Полупроводниковый диод 7
Устройство диода 7
Статическиевольтамперные характеристики диода 7
Пробой диода 9
Электрический пробой 9
Тепловой пробой 10
Емкости диода 11
Барьерная емкость 11
Диффузионная емкость 13
Типы электропреобразовательных полупроводниковых диодов и их применение в технике 14
Выпрямительные диоды 14
Высокочастотные диоды 15
Импульсные диоды 16
Полупроводниковые стабилитроны 16
Варикапы 16
Заключение. 18
Список используемой литературы 19Введение
Полупроводники как особый класс веществ, были известны еще с конца XIX века, только развитие теории твердого тела позволила понять их особенность задолго до этого были обнаружены:
эффект выпрямления тока на контакте металл-полупроводник;
фотопроводимость.
Были построены первые приборы на их основе. О. В. Лосев (1923) доказал возможность использования контактов полупроводник-металл дляусиления и генерации колебаний (кристаллический детектор). Однако в последующие годы кристаллические детекторы были вытеснены электронными лампами и лишь в начале 50 - х годов с открытием транзисторов (США 1949 год) началось широкое применение полупроводников (главным образом германия и кремния в радиоэлектронике).Одновременно началось интенсивное изучение свойств полупроводников, чему способствовалосовершенствование методов очистки кристаллов и их легированию (введение в полупроводник определенных примесей).
В СССР изучение полупроводников начались в конце 20 - х годов под руководством А.Ф. Иоффе в Физико-техническом институте АН СССР.
Интерес к оптическим свойствам полупроводников возрос в связи с открытием вынужденного излучения в полупроводниках, что привело к созданию полупроводниковых лазеров вначале на p- n - переходе, а затем на гетеропереходах.
В последнее время большее распространение получили приборы, основанные на действии полупроводников. Эти вещества стали изучать сравнительно недавно, однако без них уже не может обойтись ни современная электроника, ни медицина, ни многие другие науки.
Рассмотрим подробнее принцип действия, типы и применение в технике полупроводниковых диодов.Электронно-дырочный переход
Рассмотрим неоднородный полупроводник, одна часть которого имеет электронную электропроводность, а другая – дырочную. При этом речь идет не о простом контакте двух различных полупроводников, а о едином монокристалле, у которого одна область легирована акцепторной примесью, а другая – донорной.
Между электронной и дырочной областями рассматриваемой полупроводниковой структуры всегдасуществует тонкий переходный слой, обладающий особыми свойствами. Этот слой называется электронно-дырочным или p-n-переходом.
Электронно-дырочный переход является основным структурным элементом большинства полупроводниковых приборов, его свойствами определяется принцип действия и функциональные возможности этих приборов.
Динамическое равновесие процессов диффузии и дрейфа в электронно-дырочномпереходе
Примем, что в рассматриваемой p-n-структуре концентрация дырок в дырочной области выше, чем в электронной(pp>pn), а концентрация электронов в электронной области выше, чем в дырочной(nn>np), на границе электронной и дырочной областей существует градиент концентрации носителей заряда, вызывающий диффузионный ток: дырок из p-области в n-область и.
Электронно дырочный переход — это контакт двух примесных полупроводников с различными типами (другое название — p-n-переход). Он создается путем введения в одну часть полупроводникового кристалла донорной примеси, а в другую — акцепторной (легирование).
Донорные примеси приводят к увеличению концентрации свободных электронов в кристалле. Акцепторные примеси приводят к увеличению концентрации дырок. В полупроводнике n типа электроны являются основными носителями заряда, а дырки — неосновными. В полупроводнике p типа дырки являются основными носителями заряда, а электроны — неосновными.
Прежде чем раскрывать вопрос электронно дырочного перехода, важно ознакомится с общими сведениями о полупроводниках.
Полупроводники — основы
Полупроводники — это вещества, удельная проводимость которых имеет промежуточное значение между удельными проводимостями металлов и диэлектриков.
Типичным полупроводником является кремний (Si), в состав атома которого входят 14 электронов. 4 электрона из 14 находятся в незаполненной внешней оболочке и являются слабо связанными (валентные электроны).
Атомы кремния могут объединять валентные электроны с другими атомами кремния с помощью ковалентных связей:
| 1) Атомы кремния в структуре кристалла |  |
| 2) Ковалентные связи. Ковалентная связь — самый распространенный тип химической связи, осуществляемой при взаимодействии атомов элементов с одинаковыми или близкими значениями электроотрицательности. |
При нулевой температуре в кристалле кремния свободные носители заряда отсутствуют. При повышении температуры происходит разрыв некоторых валентных связей, и электроны, участвующие ранее в создании валентных связей, отщепляются и становятся электронами проводимости. А при наличии электрического поля они перемещаются против поля и образуют электрический ток.
При освобождении электрона в кристаллической решетке образуется незаполненная межатомная связь — дырка. Данный процесс создает дополнительную возможность для переноса заряда — дырка может быть заполнена электроном, перешедшим под действием тепловых колебаний от соседнего атома. В результате в месте, где будет заполнена дырка будет восстановлена нормальная связь, а в другом месте появится другая дырка. Последовательное заполнение свободной связи электронами одновременно сопровождается движением дырки в противоположном движении электронов направлении.
Исходя из вышеописанного можно отметить, что в полупроводнике имеются два типа носителей заряда — электроны и дырки. Общая проводимость полупроводника равна сумме электронной проводимости n-типа и дырочной проводимости p-типа.
Легирование полупроводников
Легирование — добавление примесей для увеличения проводимости чистых полупроводников. При этом применяются два типа примесей:
| Пятивалентные примеси | Трехвалентные примеси |
 |  |
| 1) Атомы кремния. 2) Пятивалентный примесный атом (донор). 3) Ковалентные связи. 4) Свободный электрон. При легировании полупроводника пятивалентным атом фосфора (P) вводит четыре своих валентных электрона в ковалентные связи с соседними атомами. Его пятый электрон слабо связан с ядром и легко может стать свободным. В данном случае атом фосфора называется донором, так как он отдает свой лишний электрон. Электроны в таком полупроводнике n-типа являются основными носителями (имеют отрицательный заряд), а дырки — неосновными. | 1) Атомы кремния. 2) Ковалентные связи. 3) Трехвалентный примесный атом (акцептор). 4) Дырка. При легировании полупроводника трехвалентным атомом индия (In) три валентных электрона разместятся среди трех соседних атомов. Это создает в ковалентной связи дырку. Наличие дырок позволяет электронам дрейфовать от одной ковалентной связи к другой. В данном случае In — акцептор, так как дырки принимают электроны. Дырки в таком полупроводнике p-типа являются основными носителями (имеют положительный заряд), а электроны — неосновными. |
Полупроводники p и n типов имеют более высокую проводимость, чем чистые полупроводники. Проводимость может быть уменьшена или увеличена путем изменения количества примесей.
Свойства электронно дырочного перехода
Электронно дырочный переход (p-n) создается в пластине полупроводника путем образования в ней области с различными типами проводимости. В области данного перехода имеется значительный перепад концентрации носителей зарядов, когда электронов в n-области больше, чем в p-области. В результате чего происходит:
- Диффузия электронов из n-области в p-область. При этом в n-области остаются неподвижные положительно заряженные ионы доноров.
- Одновременно происходит диффузия дырок из p-области в n-область. За счет отрицательно заряженных ионов акцепторов приграничная p-область приобретает отрицательный заряд.
- Две данных прилегающих области образуют слой объемного заряда, в котором возникает контактное электрическое поле Ek (Epn), препятствующее дальнейшему переходу электронов и дырок.
Контактное поле поддерживает равновесное состояние при определенных условиях. При повышении температуры небольшая часть электронов и дырок преодолевает контактное поле и создает ток диффузии. Одновременно за счет неосновных носителей заряда создается ток проводимости. В состоянии равновесия эти токи взаимно компенсируются.
Рассмотрим более подробно p-n-переход в отсутствие внешнего поля. Вблизи границы перехода образуется двойной заряженный слой. Электрическое поле, созданное этим слоем, направлено по нормали к границе от n к p области. Это поле препятствует процессу диффузии основных носителей и, таким образом, создает для них потенциальный барьер:
 | На энергетической диаграмме энергия электронов и дырок отсчитывается от их состояния соответственно в n и p областях. |
Поэтому из n в p область могут перейти только те электроны, энергия которых превышает высоту потенциального барьера Фpn. Концентрация электронов, обладающих энергией, достаточной для преодоления барьера, определяется распределением Больцмана:
n = n0 exp (-Фpn ⁄ kT), где: n0 — концентрация электронов в n-области.
Прошедшие за барьер электроны создают электронную компоненту диффузионного тока In. Точно так же дырки, преодолевшие барьер, образуют дырочную компоненту диффузионного тока Ip. Ip и In направлены от p к n области, и суммарный ток основных носителей равен:
I0 = In + Ip ∼ exp (-Фpn ⁄ kT)
В состоянии равновесия устанавливается такая высота потенциального барьера, при которой полный ток равен нулю I = I0 — Is = 0.
Приложение напряжения к диоду с p-n переходом
Полупроводниковый диод — это пластина полупроводника (кремний или германий), одна сторона которой с электропроводностью р-типа, а другая с проводимость n-типа. На внешние поверхности пластины диода нанесены контактные металлические слои, к которым припаяны проволочные выводы электродов.
При прямом смещении (а) поле от внешнего источника направлено навстречу полю, создаваемому объемным зарядом. Следовательно, напряжение U вычитается из барьерной разности потенциалов Upn = Фpn ⁄ e, существовавшей до приложения внешнего смещения. В результате разность потенциалов на барьере становится равной (Upn — U), а высота энергетического барьера:
e(Upn — U) = Фpn — eU.
Уменьшение высоты энергетического барьера приводит к увеличению концентрации основных носителей, преодолевающих барьер. Концентрация электронов за барьером теперь равна: n1 = n0 exp[-(-Фpn — eU ⁄ kT)] и увеличилась в n1 ⁄ n = exp(eU ⁄ kT) раз. Во столько же раз увеличится и создаваемый ими электронный диффузионный ток:
In1 = exp(eU ⁄ kT).
На ток неосновных носителей (ток насыщения) прямое смещение (так же как и обратное) влияния не оказывает. Ток электронов из p-области в n-область по-прежнему равен Ins и течет навстречу диффузионному току.
Таким образом, электронная компонента прямого тока In будет равна:
In = In1 — Ins = Ins[exp(eU ⁄ kT) — 1].
Дырочная компонента прямого тока:
Ip = Ip1 — Ips[exp(eU ⁄ kT) — 1].
Полный ток через p-n переход равен сумме электронной и дырочной компонент:
I = In — Ip = (Ins + Ips)[exp(eU ⁄ kT) — 1] = Is[exp(eU ⁄ kT) — 1].
При обратном смещении (б) происходит увеличение высоты потенциального барьера. Так как при этом принято предложенное напряжение U считать отрицательным, то соотношение e(Upn — U) = Фpn — eU остается в силе, так же как и последующие рассуждения. Поэтому формула I = Is[exp(eU ⁄ kT) — 1]
описывает не только прямую, но и обратную ветви вольт амперную-характеристику диода (ВАХ).
Вольт-амперная характеристика полупроводникового диода:
Штрихпунктирной линией показана кривая,
соответствующая теоретической зависимости I = Is[exp(eU ⁄ kT) — 1], сплошной линией — экспериментальная ВАХ.
Продолжение линейного участка ВАХ до пересечения с осью U дает значение напряжения отсечки Uотс, которое можно принять за оценку барьерной разности потенциалов Upn ≈ Uотс. Значение Upn совпадает с числовым значением высоты потенциального барьера Фpn, выраженном в электрон-вольтах.
Обратная ветвь ВАХ также отличается от теоретической Iобр = Is для IUI >> kT. В этой области сопротивление электронно дырочного перехода быстро увеличивается и даже превышает сопротивление изоляции диода. Поэтому возникает ток утечки, который течет не через p-n переход, а через постоянное сопротивление изоляции. Этой ситуации соответствует линейный участок обратной ветви, пересечение которого с осью тока I дает оценку тока насыщения Is.
Для оценки ширины электронно дырочного перехода можно использовать формулу: d ≈ √((2εε0Uотс) ⁄ end), где nd — концентрация атомов донорной примеси в полупроводнике n-типа, ε — диэлектрическая проницаемость материала полупроводника.
Читайте также: