Основные свойства P-N перехода
Содержание
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.
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).
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.
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.
Потенциальный барьер
Образование любого электронно-дырочного перехода связано с формированием направленного потока заряженных частиц, который называется диффузным током.
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.
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.
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.
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.
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:
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:
Диффузная емкость, которая возникает при прямом включении, практически не влияет на характеристики переходного барьера.
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.
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.
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.
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.
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.
Загрузка...
