Основные свойства P-N перехода

Вся современная электронная техника построена на использовании полупроводниковой элементной базы. Принцип работы диодов, транзисторов, тиристоров, стабилитронов и прочих радиокомпонентов основан на свойствах p-n переходов. Без понимания происходящих в нем процессов, разобраться в полупроводниковой электронике практически невозможно.

Элементы с p-n переходом
Элементы с p-n переходом

Полупроводники и их значение

Все вещества с точки зрения электрической теории делят на три группы:

  • проводники — те, что проводят электрический ток;
  • диэлектрики или изоляторы — материалы, в которых электричество не распространяется;
  • полупроводники — вещества, которые в зависимости от внешних условий могут проводить или задерживать ток.

Самые распространенные неорганические полупроводники м это кремний (Si) и германий (Ge).

Самые распространенные полупроводниковые материалы
Самые распространенные полупроводниковые материалы

Материал начинает проводить электрический ток, если в нем есть свободные носители — электроны или ионы. Чтобы такие положительные или отрицательные частицы появились, к полупроводникам прикладывают внешнюю силу, например, электромагнитную или тепловую. Эта энергия разрушает связь между атомами в кристаллической решетке вещества и высвобождает из нее носителей заряда.

Что такое p-n переход

Добиться того, чтобы положительный заряд в полупроводниках переносился ионами сложно. Эти частицы входят в состав атомного ядра вещества, равновесие которого нарушить непросто. Поэтому для создания избыточного положительного заряда добиваются дефицита электронов. Те места в структуре кристаллической решетки вещества, которые готовы принять электроны на место потерянных, называют «дырками».

Донорские примеси

Чтобы увеличить объем проводящих частиц и снизить энергетические затраты на «выбивание» их из кристаллической структуры, к полупроводникам добавляют различные примеси. Если примесь вносят для увеличения числа свободных электронов, то ее называют донорской, а сам полупроводник обозначают буквой n, что значит «negative» или «отрицательный». Примером может служить кремний, обогащенный кристаллами мышьяка.

Кристаллическая решетка кремния
Кристаллическая решетка кремния

Акцепторные примеси

В отличие от донорской, акцепторная примесь не насыщает, а наоборот, отбирает электроны у основного полупроводника. После внесения этой примеси образуется электропроводность положительного типа, в которой заряд переносится за счет образовавшихся в веществе «дырок». Полупроводник с такими свойствами принято обозначать буквой p, что значит «positive», то есть «положительный». Примером может выступить кремний с примесями индия.

Как возникает переход

P-n или электронно-дырочный переход — это область внутри элемента, представляющая собой контакт проводников n и p типов. Через этот стык свободные избыточные электроны перемещаются в то вещество, в котором наблюдается их дефицит.

Образование электронно-дырочного перехода
Образование электронно-дырочного перехода

Потенциальный барьер

Образование любого электронно-дырочного перехода связано с формированием направленного потока заряженных частиц, который называется диффузным током.

Направление диффузного тока
Направление диффузного тока

Когда электроны перемещаются в p-область, в n-проводнике в районе самого перехода накапливаются «дырки». Этот процесс называют экстракцией, то есть выталкиванием носителей заряда. В это же время в p-проводнике скапливаются электроны. В результате образуется дополнительная прослойка, в которой возникает дрейфовый ток, направленный в обратную сторону от диффузного. Его еще называют током проводимости.

Направление дрейфового тока
Направление дрейфового тока

Образование в зоне p-n перехода диффузного и дрейфового токов не длится вечно. По закону сохранения энергии они в результате становятся уравновешенными: .

Такое динамическое равновесие внутри p-n переходов создает область, обладающую повышенной напряженностью и обусловленную появившейся контактной разностью потенциалов. Чтобы преодолеть образующийся барьер, необходимо приложить дополнительную силу, которая будет «отпирать» получившийся переход.

Прямое включение

При прямом включении p-n полупроводника плюс подключают к p-области, а минус — к стороне с избытком электронов. Подаваемое напряжение должно быть выше, чем то, которое поступает на запирающий слой.

Схема прямого включения
Схема прямого включения

Обратное включение

При обратном подключении плюс подсоединяют к n-полупроводнику, а минус — к области с дефицитом электронов. В этом положении проявляется вентильное свойство электронно-дырочного p-n перехода: ширина p-n границы и величина ее потенциального напряжения увеличивается. Диффузный ток через запертый барьер течь перестает, а небольшой дрейфующий при этом остается.

Схема обратного включения
Схема обратного включения

Свойства электронно-дырочного перехода

Электронно-дырочный переход и его основные физические свойства:

  • При нагреве полупроводника увеличивается число свободных носителей тока, то есть снижается его общее сопротивление и уменьшается размер запирающей зоны.
  • При обратном подключении через электронно-дырочный барьер ток практически не проходит.
  • При повышении частоты подаваемого тока уменьшается емкостное сопротивление барьера. За счет этого на определенных частотах вентильные свойства p-n перехода исчезают.
  • При чрезмерном нагреве и превышении приложенной электрической силы может возникать пробой потенциального барьера. Это свойство при наличии p-n перехода не всегда является вредным и иногда используется в схемотехнике.
Вентильное свойство перехода
Вентильное свойство перехода

Ширина перехода

Ширина запирающего слоя зависит от контактной разности потенциалов, диэлектрических характеристик полупроводника и того, сколько примесей он содержит. Основные параметры для его расчета узнают из таблиц. Определение значения осуществляется по формуле:

Определение ширины запирающего слоя
Определение ширины запирающего слоя

В этой формуле Na и Nd показывают, сколько есть акцепторов и доноров в электронной и дырочной областях соответственно.

Емкость перехода

Зная ширину барьера, который иногда еще называют «затвором», можно вычислить емкость его неподвижных носителей в равновесном состоянии:

Емкость барьера
Емкость барьера

Диффузная емкость, которая возникает при прямом включении, практически не влияет на характеристики переходного барьера.

График емкости
График емкости

Вольтамперная характеристика

Вольтамперная характеристика (ВАХ) показывает зависимость получаемого напряжения от приложенного тока в графическом виде. График описывает p-n переход и его основные свойства. Кривая ВАХ имеет схожую нелинейную форму для разных материалов, из которых состоит переход. Это важная характеристика для определения рабочего режима диода или транзистора.

ВАХ электронно-дырочного перехода
ВАХ электронно-дырочного перехода

Пробой p-n перехода

Резкое нарастание обратного тока при незначительном увеличении сопротивления в зоне p-n перехода называют пробоем. Причина явления — резкое повышение напряжения электрического поля или сильный температурный сдвиг. Электрический пробой может быть контролируемым и использоваться в качестве штатного режима работы элемента платы.

Туннельный

Туннельный электрический пробой возникает при относительно низком напряжении в области р-п перехода, до 10 В. Узкая переходная зона характерна для полупроводников с большой долей примесей в составе основного материала. Под влиянием сильного электрического поля электроны переходят в соседнюю область без собственных энергетических затрат.

Туннельный пробой
Туннельный пробой

Лавинообразный

Если p-n переход достаточно широк, то туннельный пробой ему не грозит, но может возникнуть лавинный. Такие пробои образуются при достаточно сильном электрическом поле с напряжением в десятки и сотни вольт. Сила поля является достаточной, чтобы вызвать ударную ионизацию. Высвободившиеся электроны, ионы и возникшие «дырки» воздействуют на соседние атомы, вызывая лавинный эффект.

Лавинный пробой
Лавинный пробой

Тепловой

Если энергия недостаточно рассеивается поверхностью p-n перехода, возникает опасность перегрева. Одним из недостатков свойства p-n перехода является то, что при повышении количества тепловой энергии повышается и ток внутри переходной области. Тепловой тип пробоя наиболее опасен, так как после него кристаллическая решетка вещества не восстанавливается.

Тепловой пробой
Тепловой пробой

Для чего используют полупроводники с p-n переходом

Свойство управляемости p-n перехода широко используются в радиоэлектронике. Устройства с одним p-n переходом — это, прежде всего, полупроводниковые диоды. Выделяют импульсные и лавинные диоды, варикапы и стабилитроны, выпрямители. Их применение довольно широко. Этот элемент является основным в предохранительных схемах, его используют для выпрямления электрического сигнала, в качестве логического «переключателя» и так далее.

Если в структуре транзистора один управляемый p-n переход, он называется полевым. Такие элементы широко используются в усилительной и звуковой технике.

Работа обычного биполярного транзистора обусловлена наличием сразу двух переходов, по типу p-n-p или n-p-n. Но электронно-дырочных барьеров может быть сколько угодно — такие радиоэлементы называют тиристорами.

Вся современная вычислительная техника основана на использовании полупроводниковых транзисторов и кристаллических процессоров. Они состоят из огромного количества переходов, которые реализуют сложнейшие логические схемы и при этом являются достаточно миниатюрными. Создан даже отдельный раздел на стыке физики и дискретной математики, который изучает транзисторно-тиристорную логику.

Видео по теме

Adblock
detector