Пн переход электротехника. Pn переход принцип работы

По способности проводить электрический ток твёрдые тела первоначально разделяли на проводники и диэлектрики. Позже было замечено, что некоторые вещества проводят электрический ток хуже, чем проводники, но и к диэлектрикам их тоже нельзя отнести. Их выделили в отдельную группу полупроводников. Характерные отличия полупроводников от проводников:

1. Значительная зависимость проводимости полупроводников от температуры.
2. Сильное влияние на проводимость полупроводников даже незначительного количества примесей.
3. Влияние на их проводимость различных излучений (световых, радиационных и др.). По этим особенностям полупроводники ближе к диэлектрикам, чем к проводникам.

Для производства полупроводниковых приборов используются в основном германий, кремний, арсенид галлия. Германий является редким элементом, рассеянным в природе, кремний же наоборот очень распространён. Однако встречается не в чистом виде, а только в виде соединений с другими элементами, в основном с кислородом. Арсенид галлия – это соединение мышьяка с галлием. Его стали применять сравнительно недавно. По сравнению с германием и кремнием арсенид галлия меньше подвержен воздействию температуры и радиации.

Для понятия механизма работы полупроводниковых приборов нужно сначала ознакомиться с проводимостью в полупроводниках и механизмом образования p

-n переходов.

Наиболее широко используются полупроводники германий и кремний. Они относятся к IV группе периодической системы Менделеева. На внешней оболочке атома германия (или кремния) находятся 4 валентных электрона. Каждый из них образует с соседними четырьмя атомами ковалентные связи. Они образуются двумя электронами, каждый из которых принадлежит одному из соседних атомов. Парноэлектронные связи очень устойчивы, поэтому каждая электронная пара прочно связана со своей атомной парой и не может свободно перемещаться в объёме полупроводника. Это справедливо для химически чистого полупроводника, находящегося при температуре близкой к 0 К

(абсолютный нуль). При повышении температуры атомы полупроводника начинают совершать тепловое колебательное движение. Энергия этого движения передаётся электронам, и для некоторых из них она оказывается достаточной, чтобы оторваться от своих атомов. Эти атомы превращаются в положительные ионы, а оторвавшиеся электроны могут свободно перемещаться, т.е. становятся носителями тока. Если говорить точнее, уход электрона приводит к частичной ионизации 2-х соседних атомов. Появляющийся при этом единичный положительный заряд следует относить не к тому или иному атому, а к нарушению парноэлектронной связи, оставленной электроном. Отсутствие электрона в связи называется дыркой. Дырка имеет положительный заряд равный по абсолютной величине заряду электрона. Дырка может быть занята одним из электронов соседней связи, при этом образуется дырка в соседней связи. Переход электрона из одной связи в другую соответствует перемещению дырки в обратном направлении. Практически удобнее рассматривать непрерывное движение положительного заряда, чем поочерёдное перемещение электронов из связи в связь. Проводимость, которая возникает в объёме полупроводника за счёт нарушения связей, называется собственной проводимостью . Различают два типа проводимости: n – типа и p - типа (от слов negative – отрицательный, positive – положительный). Проводимость n – типа называют электронной, а p – типа – дырочной.

Отметим, что нарушение валентных связей может происходить не только за счёт тепловой энергии, но и за счёт энергии света или энергии электрического поля.

Всё, что мы рассмотрели, относится к чистым полупроводникам, т.е. к полупроводникам без примесей. Введение же примесей изменяет электрические свойства полупроводника. Атомы примеси в кристаллической решётке занимают места основных атомов и образуют парноэлектронные связи с соседними атомами. Если в структуру чистого полупроводника (германия) ввести атом вещества, относящегося к V группе периодической системы элементов (например, атом мышьяка), то этот атом также будет образовывать связи с соседними атомами германия. Но атомы V группы имеют на внешней оболочке 5 валентных электронов. Четыре из них образуют устойчивые парноэлектронные связи, а пятый окажется лишним. Этот избыточный электрон связан со своим атомом намного слабее и, чтобы оторвать его от атома, требуется меньше энергии, чем для освобождения электрона из парноэлектронной связи. Кроме того, превращение такого электрона в свободный носитель заряда не связано с одновременным образованием дырки. Уход электрона с внешней оболочки атома мышьяка превращает его в положительный ион. Тогда уже можно говорить об ионизации данного атома, этот положительный заряд не будет перемещаться, т.е. не является дыркой.

При увеличении содержания мышьяка в кристалле германия увеличивается количество свободных электронов без увеличения количества дырок, как это имело место при собственной проводимости. Если концентрация электронов значительно превышает концентрацию дырок, то основными носителями тока будут электроны. В этом случае полупроводник называют полупроводником n – типа. Теперь введём в кристалл германия атом III группы, например, атом индия. У него три валентных электрона. Он образует устойчивые связи с тремя атомами германия. Четвёртая связь остаётся незаполненной, но не несёт в себе заряда, поэтому атом индия и смежный с ним атом германия остаются электрически нейтральными. Уже при небольшом тепловом возбуждении электрон одной из соседних парноэлектронных связей может перейти в эту четвёртую связь.

Что при этом произойдёт? Во внешней оболочке индия появится лишний электрон, атом превращается в отрицательный ион. Нарушится электрическая нейтральность в той парноэлектронной связи, откуда пришёл электрон. Появится положительный заряд – дырка в этой нарушенной связи. При увеличении содержания индия будет увеличиваться количество дырок, и они станут основными носителями заряда. В этом случае полупроводник называется полупроводником p – типа.

Электронно-дырочный переход (p – n переход).

p – n переходом называют область, находящуюся на границе раздела между дырочной и электронной областями одного кристалла. Переход создаётся не простым соприкосновением полупроводниковых пластин p и n типа. Он создаётся в одном кристалле введением двух различных примесей, создающем в нём электронную и дырочную области.

Рис.1. Механизм образования и действия p – n перехода.

а – основные и неосновные носители в областях полупроводника.

б – образование p – n перехода.

в – направление протекания диффузионного тока и тока проводимости.

г – p–n переход под действием внешнего обратного напряжения.

1 – электроны; 2 – дырки; 3 – граница раздела; 4 – неподвижные ионы.

Рассмотрим полупроводник, в котором имеются две области: электронная и дырочная. В первой – высокая концентрация электронов, во второй – высокая концентрация дырок. Согласно закону выравнивания концентрации электроны стремятся перейти (диффундировать) из n – области, где их концентрация выше в p – область, дырки же – наоборот. Такое перемещение зарядов называется диффузией. Ток, который при этом возникает – диффузионным. Выравнивание концентраций происходило бы до тех пор, пока дырки и электроны не распределились бы равномерно, но этому мешают силы возникающего внутреннего электрического поля. Дырки, уходящие из p – области оставляют в ней отрицательно ионизированные атомы, а электроны, уходящие из n области – положительно ионизированные атомы. В результате дырочная область становится заряженной отрицательно, а электронная – положительно. Между областями возникает электрическое поле, созданное двумя слоями зарядов.

Таким образом, вблизи границы раздела электронной и дырочной областей полупроводника возникает область, состоящая из двух слоёв противоположных по знаку зарядов, которые образуют так называемый p – n переход. Между p и n областями устанавливается потенциальный барьер. В рассматриваемом случае внутри образовавшегося p – n перехода действует электрическое поле Е, созданное

двумя слоями противоположных зарядов. Если направление электронов, попавших в электрическое поле, совпадает с ним, то электроны тормозятся. Для дырок – наоборот. Таким образом, благодаря возникшему электрическому полю, процесс диффузии прекращается. На РИС.1 видно, что и в n- и в p- области имеются как основные, так и неосновные носители заряда. Неосновные носители образуются за счёт собственной проводимости. Электроны p – области, совершая тепловое хаотическое движение, попадают в электрическое поле p – n перехода и переносятся в n область. То же происходит с дырками n – области. Ток, образованный основными носителями, называют диффузионным током, а неосновными - током проводимости. Эти токи направлены навстречу друг другу, и так как в изолированном проводнике общий ток равен нулю, то они равны. Приложим теперь к переходу внешнее напряжение плюсом к n – области, а минусом к p – области. Поле, создаваемое внешним источником, усилит действие внутреннего поля p – n перехода. Диффузионный ток уменьшится до нуля, так как электроны из n – области и дырки из p – области увлекаются от p – n перехода к внешним контактам, в результате чего p – n переход расширяется. Через переход проходит только ток проводимости, который называют обратным. Он состоит из электронного и дырочного токов проводимости. Напряжение, приложенное таким образом, называют обратным напряжением. Зависимость тока от напряжения показана на рисунке.

Рис. Вольт-амперная характеристика p-n перехода. 2 – прямая ветвь; 1 – обратная ветвь.

Если внешнее напряжение приложено плюсом к p – области, а минусом к n – области, то электрическое поле источника будет направлено навстречу полю p – n перехода и ослабит его действие. При этом увеличится диффузионный (прямой) ток (2). Это явление положено в основу работы полупроводникового диода.

Основным элементом большинства полупроводниковых приборов является электронно-дырочный переход (р-п переход), представляющий собой переходный слой между двумя областями полупроводника, одна из которых имеет электронную электропроводность, другая – дырочную.

Реально электронно-дырочный переход нельзя создать простым соприкосновением пластин n и p-типа, так как при этом неизбежен промежуточный слой воздуха, окислов или поверхностных загрязнений, невозможно идеальное совпадение кристаллических решеток и т.д. Эти переходы получают вплавлением или диффузией соответствующих примесей в пластинки монокристалла полупроводника, или путем выращивания р-n перехода из расплава полупроводника с регулируемым количеством примесей и т.п. В зависимости от способа изготовления р-n переходы бывают сплавными, диффузионными и др. Однако, для упрощения анализа процесса формирования перехода будем считать, что изначально взяли и механически соединили два примесных полупроводниковых кристалла с проводимостью разного типа (n и р типа) с одинаковой концентрацией донорных и акцепторных примесей и с идеальной поверхностью и кристаллической решеткой. Рассмотрим явления, возникающие на их границе.

Рисунок 1.3. Образование р-п перехода

Вследствие того, что концентрация электронов в n области выше, чем в р-области, а концентрация дырок в р-области выше, чем в n области, на границе этих областей существует градиент концентраций носителей, вызывающий диффузионный ток электронов из n области в p область и диффузионный ток дырок из p области в n область. Кроме тока, обусловленного движением основных носителей заряда, через границу раздела полупроводников возможен ток неосновных носителей (электронов из р области в n область и дырок из n области в p-область). Однако, они незначительны (вследствие существенного различия в концентрациях основных и неосновных носителей) и мы их не будем учитывать.

Если бы электроны и дырки были нейтральными, то диффузия в конечном итоге привела к полному выравниванию их концентрации по всему объему кристалла. На самом же деле процессу диффузии препятствует электрическое поле, возникающее в приконтактной области. Уход электронов из приконтактной n области приводит к тому, что их концентрация здесь уменьшается и возникает нескомпенсированный положительный заряд ионов донорной примеси. Точно так же в р области вследствие ухода дырок их концентрация в приконтактном слое снижается и здесь возникает нескомпенсированный отрицательный заряд ионов акцепторной примеси. Ионы же «уйти» со своих мест не могут, т.к их удерживают сильнейшие силы (связи) кристаллической решетки. Таким образом, на границе областей n и p типа образуются два слоя противоположных по знаку зарядов. Возникает электрическое поле, направленное от положительно заряженных ионов доноров к отрицательно заряженным ионам акцепторов. Область, образовавшихся пространственных зарядов и электрическое поле собственно и представляет собой р-n переход. Его ширина имеет порядок от сотых долей до единиц микрометров, что является значительным размером по сравнению с размерами кристаллической решетки.

Таким образом, на границе р-n перехода образуется контактная разность потенциалов, численно характеризующаяся высотой потенциального барьера ( рисунка 1.3), который основным носителям каждой области необходимо преодолеть, чтобы попасть в другую область. Контактная разность потенциалов имеет порядок десятых долей вольт.

Поле р-п перехода является тормозящим для основных носителей заряда и ускоряющим для неосновных. Любой электрон, проходящий из электронной области в дырочную, попадает в электрическое поле, стремящееся возвратить его обратно в электронную область. Точно так же и дырки, попадая из области р в электрическое поле р-n перехода, будут возвращены этим полем обратно в p-область. Аналогичным образом поле воздействует на заряды, образовавшиеся в силу тех или иных причин внутри р-n перехода. В результате воздействия поля на носители заряда область р-п перехода оказывается обедненной, а ее проводимость – близкой к собственной проводимости исходного полупроводника.

Наличие собственного электрического поля определяет и прохождение тока при приложении внешнего источника напряжения – величина тока оказываются различными в зависимости от полярности приложенного напряжения. Если внешнее напряжение противоположно по знаку контактной разности потенциалов, то это приводит к снижению высоты потенциального барьера. Поэтому ширина р-n перехода уменьшится (рисунок 1.3, б). Улучшаются условия для токопрохождения: уменьшившийся потенциальный барьер смогут преодолеть основные носители, имеющие наибольшую энергию. При увеличении внешнего напряжения ток через р-п переход будет нарастать. Такая полярность внешнего напряжения и ток называются прямыми.

Нетрудно заметить, что преодолевшие потенциальный барьер носители заряда попадают в область полупроводника, для которой они являются неосновными. Они диффундируют в глубь соответствующей области полупроводника, рекомбинируя с основными носителями этой области. Так, по мере проникновения дырок из р-области в n область они рекомбинируют с электронами. Аналогичные процессы происходят и с электронами инжектированными в р-область.

Процесс введения носителей заряда через электронно-дырочный переход при понижении высоты потенциального барьера в область полупроводника, где эти носители заряда являются неосновными, называется инжекцией (от английского слова inject – впрыскивать, вводить).

Если поменять полярность внешнего напряжения (приложить обратное внешнее напряжение), то электрическое поле, создаваемое источником, совпадает c полем р-n перехода. Потенциальный барьер между р и n областями возрастает на величину внешнего напряжения. Количество основных носителей, способных преодолеть действие результирующего поля, уменьшается. Основные носители 6удут оттягиваться от приграничных слоев в глубь полупроводника. Ширина р-n перехода увеличивается (эффект Эрли, рисунок 1.3, в).

Для неосновных носителей (дырок в n области и электронов в р-области) потенциальный барьер в электронно-дырочном переходе отсутствует и они будут втягиваться полем в области р-n перехода. Это явление называется экстракцией. Током неосновных носителей, а также носителей, возникших в области р-п перехода, и будет определяться обратный ток через р-п переход. Величина обратного тока практически не зависит от внешнего обратного напряжения. Это можно объяснить тем, что в единицу времени количество генерируемых пар электрон–дырка при неизменной температуре остается неизменным.

Проведенный анализ позволяет рассматривать р-п переход как нелинейный элемент, сопротивление которого изменяется в зависимости от величины в полярности приложенного напряжения. При увеличении прямого напряжения сопротивление р-n перехода уменьшается. С изменением полярности и величины приложенного напряжения сопротивления р-n перехода резко возрастает. Следовательно, прямая (линейная) зависимость между напряжением и током (закон Ома) для р-n переходов не соблюдается.

Как видно из рисунка 1.3, р-п переход представляет собой двойной слой противоположных по знаку неподвижных объемных зарядов. Его можно уподобить обкладкам плоского конденсатора, обкладками которого являются р - и п-области, а диэлектриком служит р-п переход, практически не имеющий подвижных зарядов. Величина образовавшейся, так называемой, барьерной (зарядной) емкости обратно пропорциональна расстоянию между обкладками. При повышении запирающего напряжения, приложенного к переходу, увеличивается область, обедненная подвижными носителями заряда – электронами или дырками, что соответствует увеличению расстояния между обкладками конденсатора и уменьшению величины емкости. Следовательно, p-n переход можно использовать как емкость, управляемую величиной обратного напряжения. Значение барьерной емкости колеблется от десятков до сотен пикофарад; изменение этой емкости при изменении напряжения может достигать десятикратной величины

При прохождении через переход прямого тока по обе стороны от границы раздела областей накапливается избыточный заряд неосновных носителей противоположного знака, которые не могут мгновенно рекомбинировать. Он формируют емкость, которая получила наименование диффузионной. Диффузная емкость включена параллельно барьерной. Значения диффузионной емкости могут иметь порядок от сотен до тысяч пикофарад. Поэтому при прямом напряжений емкость р-п-перехода определяется преимущественно диффузионной емкостью, а при обратном напряжении – барьерной емкостью.

При прямом напряжении диффузионная емкость не оказывает существенного влияния на работу p-n перехода, так как она всегда зашунтирована малым прямым сопротивлением перехода. Ее негативное влияние проявляется при быстрых переключениях р-п перехода из открытого состояния в закрытое.

Граница между двумя соседними областями полупроводника, одна из которых обладает проводимостью n-типа, а другая p-типа, называется электронно-дырочным переходом (p-n-переходом). Он является основой большинства полупроводниковых приборов. Наиболее широко применяются плоскостные и точечные p-n-переходы.

Плоскостной p-n-переход представляет собой слоисто-контактный элемент в объеме кристалла на границе двух полупроводников с проводимостями p- и n-типов
(рис. 1.2, а). В производстве полупроводниковых приборов и интегральных микросхем применяются переходы типа р+- n- или р- п+ переходы. Индекс «+» подчеркивает большую электропроводность данной области монокристалла.

Рис. 1.2 Плоскостный (а) и точечный (б) p-n переходы

Рассмотрим физические процессы в плоскостном p-n-переходе (рис. 1.3). Поскольку концентрация электронов в полупроводнике n-типа значительно больше, чем в полупроводнике p-типа и, напротив, в полупроводнике p-типа высокая концентрация дырок, то на границе раздела полупроводников создается перепад (градиент) концентрации дырок dp/dx и электронов dn/dx. Это вызывает диффузионное перемещение электронов из n-области в p-область и дырок в противоположном направлении. Плотности дырочной и электронной составляющих диффузионного тока, обусловленных перемещением основных носителей, определяются выражениями:

где Dn и Dp – коэффициенты диффузии соответственно электронов и дырок.

Общая плотность тока через p-n-переход определяется суммой диффузионных и дрейфовых составляющих плотностей токов, которые при отсутствии внешнего напряжения равны. Так как диффузионный и дрейфовый потоки зарядов через p-n-переход перемещаются во встречном направлении, то они компенсируют друг друга. Поэтому в равновесном состоянии общая плотность тока через p-n-переход равна

Наличие двойного электрического слоя обусловливает возникновение в p-n-переходе контактной разности потенциалов, претерпевающей наибольшее изменение на границе полупроводников n-p-типов и называемой потенциальным барьером jк. Величина потенциального барьера определяется уравнением

где jТ = kT/q – тепловой потенциал (при нормальной температуре, т. е. при T =300 К jТ » » 0,026 В); рп и np – концентрация дырок и электронов в полупроводниках n- и р-типов. У германиевых переходов jТ = (0,3 – 0,4) В, у кремниевых jТ = (0,7 – 0,8) В.

Если подключить к p-n-переходу источник внешнего напряжения таким образом, чтобы плюс был приложен к области полупроводника n-типа, а минус – к области полупроводника p-типа (такое включение называют обратным, рис. 1.4), то обедненный слой расширяется, так как под воздействием внешнего напряжения электроны и дырки смещаются от p-n-перехода в разные стороны. При этом высота потенциального барьера также возрастает и становится равной jк+ u (рис. 1.5), поскольку напряжение внешнего смещения включено согласно контактной разности потенциалов.

Рис 1.4 Обратное смещение перехода

Рис 1.5 Изменение потенциального барьера

Так как напряжение внешнего источника прикладывается встречно контактной разности потенциалов, то потенциальный барьер снижается на величину u (см.
рис. 1.7), и создаются условия для инжекции основных носителей – дырок из полупроводника p -типа в полупроводник n -типа, а электронов – в противоположном направлении. При этом через p —n -переход протекает большой прямой ток, обусловленный основными носителями заряда. Дальнейшее снижение потенциального барьера ведет к росту прямого тока при неизменном значении обратного дрейфового тока.

В процессе технологической обработки кристалла примесь вводится таким образом, что ее концентрация, а следовательно, концентрация основных носителей в одной из областей кристалла (обычно в полупроводнике p-типа) на два-три порядка превышает концентрацию примеси в другой области. Область с высокой концентрацией примеси (низкоомная область) является основным источником носителей подвижных зарядов через p —n -переход и называется эмиттером. Область с низкой концентрацией примеси является высокоомной и называется базой. Поэтому доминирующей составляющей прямого тока, протекающего через p —n -переход и состоящего из электронной и дырочной составляющих, будет та, которая определяется основными носителями зарядов области с более высокой их концентрацией

I пр = I p + I n = I 0 (e U пр / j Т — 1). (1.11)

При |U пр | >> j Т переход по существу исчезает и ток ограничивается лишь сопротивлением (единицы и даже десятки ом) базовой области r б .

Вольтамперная характеристика (ВАХ) p —n -перехода, построенная на основании выражений (1.10) и (1.11), имеет вид, показанный на рис. 1.8. Область ВАХ, лежащая в первом квадранте, соответствует прямому включению p —n -перехода, а лежащая в третьем квадранте – обратному. Как отмечалось выше, при достаточно большом обратном напряжении возникает пробой перехода. Пробоем называют резкое изменение режима работы перехода, находящегося под обратным напряжением.

Характерной особенностью этого изменения является резкое уменьшение дифференциального сопротивления перехода r диф = du / di (u и i – напряжение на переходе и ток перехода соответственно). После начала пробоя незначительное увеличение обратного напряжения сопровождается резким увеличением обратного тока. В процессе пробоя ток может увеличиваться при неизменном и даже уменьшающемся (по модулю) обратном напряжении (в последнем случае дифференциальное сопротивление оказывается отрицательным). На ВАХ перехода (рис. 1.9) пробою соответствует область резкого изгиба характеристики вниз в третьем квадранте.

Рис. 1.8 Вольтамперная характеристика (а) и схема включения стабилитрона (б)

Различают три вида пробоя p-n -перехода: туннельный, лавинный и тепловой. И туннельный, и лавинный пробой принято называть электрическим пробоем.

Туннельный пробой происходит, когда геометрическое расстояние между валентной зоной и зоной проводимости (ширина барьера) достаточно мало, то возникает туннельный эффект – явление прохождения электронов сквозь потенциальный барьер. Туннельный пробой имеет место в р —n -переходах с базой, обладающей низким значением удельного сопротивления.

Рис. 1.9 ВАХ p — n -перехода

Механизм лавинного пробоя подобен механизму ударной ионизации в газах. Лавинный пробой возникает, если при движении до очередного соударения с атомом дырка (или электрон) приобретает энергию, достаточную для ионизации атома. В результате число носителей резко возрастает, и ток через переход растёт. Расстояние, которое проходит носитель заряда до соударения, называют длиной свободного пробега. Лавинный пробой имеет место в переходах с высокоомной базой (имеющей большое удельное сопротивление). Характерно, что при этом пробое напряжение на переходе мало зависит от тока через него (крутопадающий участок в третьем квадранте ВАХ, см. рис. 1.9).

При тепловом пробое увеличение тока объясняется разогревом полупроводника в области р-n-перехода и соответствующим увеличением удельной проводимости. Тепловой пробой характеризуется отрицательным дифференциальным сопротивлением. Если полупроводник – кремний, то при увеличении обратного напряжения тепловой пробой обычно возникает после электрического (во время электрического пробоя полупроводник разогревается, а затем начинается тепловой пробой). После электрического пробоя p-n-переход не изменяет своих свойств. После теплового пробоя, если полупроводник успел нагреться достаточно сильно, свойства перехода необратимо изменяются (полупроводниковый прибор выходит из строя).

Как уже отмечалось, вследствие диффузии электронов и дырок через p-n-переход в области перехода возникают нескомпенсированные объемные (пространственные) заряды ионизированных атомов примесей, которые закреплены в узлах кристаллической решетки полупроводника и поэтому не участвуют в процессе протекания электрического тока. Однако объемные заряды создают электрическое поле, которое, в свою очередь, самым существенным образом влияет на движение свободных носителей электричества, т. е. на процесс протекания тока.

Изменение внешнего напряжения, приложенного к p-n-переходу, изменяет величину объемного пространственного заряда обедненного слоя. Следовательно, p-n-переход ведет себя как плоский конденсатор, емкость которого, определяемая отношением изменения пространственного заряда ¶Q к изменению напряжения ¶U при обратном включении перехода, называется барьерной и может быть найдена из уравнения

где e0 – диэлектрическая проницаемость вакуума; e – относительная диэлектрическая

проницаемость; S – площадь p- n -перехода; d – толщина обедненного слоя (толщина p — n -перехода).

Изменение заряда в p- n -переходе может быть вызвано также изменением концентрации инжектированных неравновесных носителей в базе при прямом смещении p — n -перехода. Отношение величины изменения инжектированного заряда к величине изменения прямого напряжения определяет диффузионную емкость p —n -перехода:
С диф = д Q инж /д U . Диффузионная емкость превышает барьерную при прямом смещении p —n -перехода, однако имеет незначительную величину при обратном смещении.

Если блок полупроводника P-типа соединить с блоком полупроводника N-типа (рисунок ниже (a)), результат не будет иметь никакого значения. У нас будут два проводящих блока соприкасающихся друг с другом, не проявляя никаких уникальных свойств. Проблема заключается в двух отдельных и различных кристаллических структурах. Количество электронов уравновешивается количеством протонов в обоих блоках. Таким образом, в результате ни один блок не имеет какого-либо заряда.

Тем не менее, один полупроводниковый кристалл, изготовленный из материала P-типа с одной стороны и материала N-типа с другой стороны (рисунок ниже (b)), обладает уникальными свойствами. У материала P-типа основными являются положительные носители заряда, дырки, которые свободно передвигаются по кристаллической решетке. У материала N-типа основными и подвижными являются отрицательные носители заряда, электроны. Вблизи перехода электроны материала N-типа диффундируют через переход, соединяясь с дырками в материале P-типа. Область материала P-типа вблизи перехода приобретает отрицательный заряд из-за привлеченных электронов. Так как электроны покинули область N-типа, та приобретает локальный положительный заряд. Тонкий слой кристаллической решетки между этими зарядами теперь обеднен основными носителями, таким образом, он известен, как обедненная область . Эта область становится непроводящим материалом из собственного полупроводника. По сути, мы имеем почти изолятор, разделяющий проводящие легированные области P и N типов.

(a) Блоки полупроводников P и N типов при контакте не обладают пригодными для использования свойствами.
(b) Монокристалл, легированный примесями P и N типа, создает потенциальный барьер.

Такое разделение зарядов в P-N-переходе представляет собой потенциальный барьер. Этот потенциальный барьер может быть преодолен под воздействием внешнего источника напряжения, заставляющего переход проводить электрический ток. Формирование перехода и потенциального барьера происходит во время производственного процесса. Величина потенциального барьера зависит от материалов, используемых при производстве. Кремниевые P-N-переходы обладают более высоким потенциальным барьером, по сравнению с германиевыми переходами.

На рисунке ниже (a) батарея подключена так, что отрицательный вывод источника поставляет электроны к материалу N-типа. Эти электроны диффундируют к переходу. Положительный вывод источника удаляет электроны из полупроводника P-типа, создавая дырки, которые диффундируют к переходу. Если напряжение батареи достаточно велико для преодоления потенциала перехода (0,6В для кремния), электроны из области N-типа и дырки из области P-типа объединяются, уничтожая друг друга. Это освобождает пространство внутри решетки для перемещения в сторону перехода большего числа носителей заряда. Таким образом, токи основных зарядов областей N-типа и P-типа протекают в сторону перехода. Рекомбинация в переходе позволяет току батареи протекать через P-N переход диода. Такое включение называется прямым смещением .

(a) Прямое смещение отталкивает носителей зарядов к переходу, где рекомбинация отражается на токе батареи.
(b) Обратное смещение притягивает носителей зарядов к выводам батареи, подальше от перехода. Толщина обедненной области увеличивается. Устойчивый ток через батарею не протекает.

Если полярность батареи изменена на противоположную, как показано выше на рисунке (b), основные носители зарядов притягиваются от перехода к клеммам батареи. Положительный вывод батареи оттягивает от перехода основных носителей заряда в области N-типа, электронов. Отрицательный вывод оттягивает от перехода основных носителей в области P-типа, дырок. Это увеличивает толщину непроводящей обедненной области. В ней отсутствует рекомбинация основных носителей; и таким образом, отсутствует и проводимость. Такое подключение батареи называется обратным смещением .

Условное обозначение диода, показанное ниже на рисунке (b), соответствует пластине легированного полупроводника на рисунке (a). Диод представляет собой однонаправленное устройство. Электронный ток протекает только в одном направлении, против стрелки, соответствующем прямому смещению. Катод, полоса на условном обозначении диода, соответствует полупроводнику N-типа. Анод, стрелка, соответствует полупроводнику P-типа.

Примечание: в оригинале статьи предлагается алгоритм запоминания расположения типов полупроводника в диоде. Неуказывающая (N ot-pointing) часть условного обозначения (полоса) соответствует полупроводнику N -типа. Указывающая (P ointing) часть условного обозначения (стрелка) соответствует P -типу.

(a) Прямое смещение PN-перехода
(b) Соответствующее условное графическое обозначение диода
(c) График зависимости тока от напряжения кремниевого диода

Если к диоду приложено прямое смещение (как показано на рисунке (a) выше), при увеличении напряжения от 0 В ток будет медленно возрастать. В случае с кремниевым диодом протекающий ток можно будет измерить, когда напряжение приблизится к 0,6 В (рисунок (c) выше). При увеличении напряжения выше 0,6 В ток после изгиба на графике начнет резко возрастать. Увеличение напряжения выше 0,7 В может привести к току, достаточно большому, чтобы вывести диод из строя. Прямое напряжение U пр является одной из характеристик полупроводников: 0,6-0,7 В для кремния, 0,2 В для германия, несколько вольт для светоизлучающих диодов. Прямой ток может находиться в диапазоне от нескольких мА для точечных диодов до 100 мА для слаботочных диодов и до десятков и тысяч ампер для силовых диодов.

Если диод смещен в обратном направлении, то протекает только ток утечки собственного полупроводника. Это изображено на графике слева от начала координат (рисунок (c) выше). Для кремниевых диодов этот ток в самых экстремальных условиях будет составлять примерно 1 мкА. Это ток при росте напряжения обратного смещения увеличивается незаметно, пока диод не будет пробит. При пробое ток увеличивается настолько сильно, что диод выходит из строя, если последовательно не включено сопротивление, ограничивающее этот ток. Обычно мы выбираем диод с обратным напряжением, превышающим напряжения, которые могут быть приложены при работе схемы, чтобы предотвратить пробой диода. Как правило, кремниевые диоды доступны с напряжениями пробоя 50, 100, 200, 400, 800 вольт и выше. Также возможно производство диодов с меньшим напряжением пробоя (несколько вольт) для использования в качестве эталонов напряжения.

Ранее мы упоминали, что обратный ток утечки до микроампера в кремниевых диодах обусловлен проводимостью собственного полупроводника. Эта утечка может быть объяснена теорией. Тепловая энергия создает несколько пар электрон-дырка, которые проводят ток утечки до рекомбинации. В реальной практике этот предсказуемый ток является лишь частью тока утечки. Большая часть тока утечки обусловлена поверхностной проводимостью, связанной с отсутствием чистоты поверхности полупроводника. Обе составляющие тока утечки увеличиваются с ростом температуры, приближаясь к микроамперу для небольших кремниевых диодов.

Для германия ток утечки на несколько порядков выше. Так как германиевые полупроводники сегодня редко используются на практике, то это не является большой проблемой.

Подведем итоги

P-N переходы изготавливаются из монокристаллического куска полупроводника с областями P и N типа в непосредственной близости от перехода.

Перенос электронов через переход со стороны N-типа к дыркам на сторону P-типа с последующим взаимным уничтожением создает падение напряжения на переходе, составляющее от 0,6 до 0,7 вольта для кремния и зависящее от полупроводника.

Прямое смещение P-N перехода при превышении значения прямого напряжения приводит к протеканию тока через переход. Прикладываемая внешняя разность потенциалов заставляет основных носителей заряда двигаться в сторону перехода, где происходит рекомбинация, позволяющая протекать электрическому току.

Обратное смещение P-N перехода почти не создает ток. Прикладываемое обратное смещение оттягивает основных носителей заряда от перехода. Это увеличивает толщину непроводящей обедненной области.

Через P-N переход, к которому приложено обратное смещение, протекает обратный ток утечки, зависящий от температуры. В небольших кремниевых диодах он не превышает микроампер.

- это область, которая разделяет поверхности электронной и дырочной проводимости в монокристалле.

Электронно-дырочный переход изготавливают в едином монокристалле, в котором получена достаточно резкая граница между областями электронной и дырочной проводимостей.

На рисунке изображены две граничащие области полупроводника, одна из которых содержит донорную примесь (область электронной, то есть n-проводимости), а другая акцепторную примесь (область дырочной проводимости, то есть p-проводимости). Чтобы понять как формируется тот или иной тип полупроводника, рекомендуем прочесть статью - Примесные полупроводники .

При отсутствии приложенного напряжения наблюдается диффузия основных носителей зарядов из одной области в другую. Так как электроны это основные носители заряда, и в области n их концентрация больше они диффундируют в p-область заряжая отрицательно приграничный слой этой области. Но уходя со своего места электроны создают вакантные места – дырки, тем самым заряжая приграничный слой n-области положительно. Таким образом, через достаточно короткий промежуток времени с обеих сторон поверхности раздела образуются противоположные по знаку пространственные заряды.

Электрическое поле, создаваемое пространственными зарядами, препятствует дальнейшей диффузии дырок и электронов. Возникает так называемый потенциальный барьер , высота которого характеризуется разностью потенциалов в пограничном слое.

Электронно-дырочный переход, во внешнем исполнении реализуется в виде полупроводникового диода .

Если к электронно-дырочному переходу приложить внешнее напряжение так, что к области с электронной проводимостью подключён отрицательный полюс источника, а к области с дырочной проводимостью – положительный, то направление напряжения внешнего источника будет противоположно по знаку электрическому полю p-n перехода, это вызовет увеличение тока через p-n переход. Возникнет прямой ток, который будет вызван движение основных носителей зарядов, в нашем случае это движение дырок из p области в n, и движение электронов из n области в p. Следует знать, что дырки движутся противоположно движению электронов, поэтому на самом деле, ток течет в одну сторону. Такое подключение называют прямым . На вольт-амперной характеристике такому подключению будет соответствовать часть графика в первом квандранте.

Но если изменить полярность приложенного к p-n переходу напряжения на противоположное, то электроны из пограничного слоя начнут движение от границы раздела к положительному полюсу источника, а дырки к отрицательному. Следовательно, свободные электроны и дырки будут отдаляться от пограничного слоя, создавая тем самым прослойку, в которой практически отсутствуют носители зарядов. В результате ток в p-n переходе снижается в десятки тысяч раз, его можно считать приближённо равным нулю. Возникает обратный ток , который образован не основными носителями заряда.Такое подключение называют обратным . На вольт-амперной характеристике такому подключению будет соответствовать часть графика в третьем квандранте.

Вольт-амперная характеристика

При прямом подключении электронно-дырочного перехода, ток возрастает с увеличением напряжения. При обратном подключении ток достигает значения I нас, называемое током насыщения. Если продолжать увеличивать напряжение при обратном включении, то может настать пробой диода. Это свойство также используется в различных стабилитронах и т.д.

Свойства p-n перехода широко применяются в электронике, а именно в диодах, транзисторах и других полупроводниках.