Что такое p n переход
Перейти к содержимому

Что такое p n переход

  • автор:

P-N переход: подробно простым языком

P-N переход — точка в полупроводниковом приборе, где материал N-типа и материал P-типа соприкасаются друг с другом. Материал N-типа обычно упоминается как катодная часть полупроводника, а материал P-типа — как анодная часть.

Схема P-N переходаСхема P-N перехода

Когда между этими двумя материалами возникает контакт, то электроны из материала n-типа перетекают в материал p-типа и соединяются с имеющимися в нем отверстиями. Небольшая область с каждой стороны линии физического соприкосновения этих материалов почти лишена электронов и отверстий. Эта область в полупроводниковом приборе называется обедненной областью.

Эта обедненная область является ключевым звеном в работе любого прибора, в котором есть P-N переход. Ширина этой обедненной области определяет сопротивление протеканию тока через P-N переход, поэтому сопротивление прибора, имеющего такой P-N переход, зависит от размеров этой обедненной области. Ее ширина может изменяться при прохождении какого-либо напряжения через этот P-N переход. В зависимости от полярности приложенного потенциала P-N переход может иметь либо прямое смещение, либо обратное смещение. Ширина обедненной области, или сопротивление полупроводникового прибора, зависит как от полярности, так и от величины поданного напряжения смещения.

Прямой P-N переход

Когда P-N переход прямой (с прямым смещением), то тогда на анод подается положительный потенциал, а на катод — отрицательный. Результатом этого процесса является сужение обедненной области, что уменьшает сопротивление движению тока через P-N переход.

Если потенциал увеличивается, то обедненная область будет продолжать уменьшаться, тем самым еще больше понижая сопротивление протеканию тока. В конце концов, если подаваемое напряжение окажется достаточно велико, то обедненная область сузится до точки минимального сопротивления и через P-N переход, а вместе с ним и через весь прибор, будет проходить максимальный ток. Когда P-N переход имеет соответствующее прямое смещение, то он обеспечивает минимальное сопротивление проходящему через него потоку тока.

Прямой P-N переход

Обратный P-N переход

Когда P-N переход обратный (с обратным смещением), то отрицательный потенциал подается на анод, а положительный — на катод.

Это приводит к тому, что в результате обедненная область расширяется, а это вызывает увеличение сопротивления протеканию тока. Когда на P-N переходе создается обратное смещение, то имеет место максимальное сопротивление протеканию тока, а данный переход действует в основном как разомкнутая цепь.

Обратный P-N переход

При определенном критическом значении напряжения обратного смещения сопротивление протеканию тока, которое возникает в обедненной области, оказывается преодоленным и происходит стремительное нарастание тока. Значение напряжения обратного смещения, при котором ток быстро нарастает, называется пробивным напряжением.

P — n-переход

p-n-перехо́д (n — negative — отрицательный, электронный, p — positive — положительный, дырочный), или электронно-дырочный переход — разновидность гомопереходов, Зоной p-n перехода называется область полупроводника, в которой имеет место пространственное изменение типа проводимости от электронной n к дырочной p.

Электронно-дырочный переход может быть создан различными путями:

  1. в объёме одного и того же полупроводникового материала, легированного в одной части донорной примесью (n-область), а в другой — акцепторной (p-область);
  2. на границе двух различных полупроводников с разными типами проводимости.

Если p-n-переход получают вплавлением примесей в монокристаллический полупроводник, то переход от n— к р-области происходит скачком (резкий переход). Если используется диффузия примесей, то образуется плавный переход.

При контакте двух областей n— и p— типа из-за градиента концентрации носителей заряда возникает диффузия последних в области с противоположным типом электропроводности. В p-области вблизи контакта после диффузии из неё дырок остаются нескомпенсированные ионизированные акцепторы (отрицательные неподвижные заряды), а в n-области — нескомпенсированные ионизированные доноры (положительные неподвижные заряды). Образуется область пространственного заряда (ОПЗ), состоящая из двух разноимённо заряженных слоёв. Между нескомпенсированными разноимёнными зарядами ионизированных примесей возникает электрическое поле, направленное от n-области к p-области и называемое диффузионным электрическим полем. Данное поле препятствует дальнейшей диффузии основных носителей через контакт — устанавливается равновесное состояние (при этом есть небольшой ток основных носителей из-за диффузии, и ток неосновных носителей под действием контактного поля, эти токи компенсируют друг друга). Между n— и p-областями при этом существует разность потенциалов, называемая контактной разностью потенциалов. Потенциал n-области положителен по отношению к потенциалу p-области. Обычно контактная разность потенциалов в данном случае составляет десятые доли вольта.

Внешнее электрическое поле изменяет высоту барьера и нарушает равновесие потоков носителей тока через барьер. Если положительный потенциал приложен к p-области, то потенциальный барьер понижается (прямое смещение), а ОПЗ сужается. В этом случае с ростом приложенного напряжения экспоненциально возрастает число основных носителей, способных преодолеть барьер. Как только эти носители миновали p — n-переход, они становятся неосновными. Поэтому концентрация неосновных носителей по обе стороны перехода увеличивается (инжекция неосновных носителей). Одновременно в p— и n-областях через контакты входят равные количества основных носителей, вызывающих компенсацию зарядов инжектированных носителей. В результате возрастает скорость рекомбинации и появляется отличный от нуля ток через переход, который с ростом напряжения экспоненциально возрастает.

Приложение отрицательного потенциала к p-области (обратное смещение) приводит к повышению потенциального барьера. Диффузия основных носителей через переход становится пренебрежимо малой. В то же время потоки неосновных носителей не изменяются (для них барьера не существует). Неосновные носители заряда втягиваются электрическим полем в p-n-переход и проходят через него в соседнюю область (экстракция неосновных носителей). Потоки неосновных носителей определяются скоростью тепловой генерации электронно-дырочных пар. Эти пары диффундируют к барьеру и разделяются его полем, в результате чего через p-n-переход течёт ток Is (ток насыщения), который обычно мал и почти не зависит от напряжения. Таким образом, вольт-амперная характеристика p-n-перехода обладает резко выраженной нелинейностью. При изменении знака U значение тока через переход может изменяться в 10 5  — 10 6 раз. Благодаря этому p-n-переход может использоваться для выпрямления переменных токов (диод).

Содержание

Вольт-амперная характеристика

Чтобы вывести зависимость величины тока через p-n-переход от внешнего смещающего напряжения V, мы должны рассмотреть отдельно электронные и дырочные токи. В дальнейшем будем обозначать символом J плотность потока частиц, а символом j — плотность электрического тока; тогда je = −eJe, jh = eJh.

При V = 0 как Je, так и Jh обращаются в нуль. Это означает, конечно, не отсутствие движения отдельных носителей через переход, а только то, что в обоих направлениях движутся равные количества электронов (или дырок). При V ≠ 0 баланс нарушается. Рассмотрим, например, дырочный ток через обеднённый слой. Он включает следующие две компоненты:

  1. Ток генерации, то есть дырочный ток, текущий из n-области в p-область перехода. Как видно из названия, этот ток обусловлен дырками, генерируемыми непосредственно в n-области обеднённого слоя при тепловом возбуждении электронов с уровней валентной зоны. Хотя концентрация таких дырок (неосновных носителей) в n-области чрезвычайно мала по сравнению с концентрацией электронов (основных носителей), они играют важную роль в переносе тока через переход. Это происходит потому, что каждая дырка, попадающая в обеднённый слой, тут же перебрасывается в p-область под действием сильного электрического поля, которое имеется внутри слоя. В результате величина возникающего тока генерации не зависит от значения изменения потенциала в обеднённом слое, поскольку любая дырка, оказавшаяся в слое, перебрасывается из n-области в p-область.
  2. Ток рекомбинации, то есть дырочный ток, текущий из p-области в n-область. Электрическое поле в обеднённом слое препятствует этому току, и только те дырки, которые попадают на границу обеднённого слоя, имея достаточную кинетическую энергию, чтобы преодолеть потенциальный барьер, вносят вклад в ток рекомбинации. Число таких дырок пропорционально e −eΔФ/kT и, следовательно,

В отличие от тока генерации, ток рекомбинации чрезвычайно чувствителен к величине приложенного напряжения V. Мы можем сравнить величины этих двух токов, заметив, что при V = 0 суммарный ток через переход отсутствует: Jh rec (V = 0) = Jh gen Из этого следует, что Jh rec = Jh gen e eV/kT . Полный дырочный ток, текущий из p-области в n-область, представляет собой разность между токами рекомбинации и генерации:

Аналогичное рассмотрение применимо к компонентам электронного тока с тем только изменением, что токи генерации и рекомбинации электронов направлены противоположно соответствующим дырочным токам. Поскольку электроны имеют противоположный заряд, электрические токи генерации и рекомбинации электронов совпадают по направлению с электрическими токами генерации и рекомбинации дырок. Поэтому полная плотность электрического тока есть j = e(Jh gen + Je gen )(e eV/kT − 1).

Ёмкость p-n-перехода и частотные характеристики

p-n-переход можно рассматривать как плоский конденсатор, обкладками которого служат области n— и p-типа вне перехода, а изолятором является область объемного заряда, обеднённая носителями заряда и имеющая большое сопротивление. Такая ёмкость называется барьерной. Она зависит от внешнего приложенного напряжения, поскольку внешнее напряжение меняет пространственный заряд. Действительно, повышение потенциального барьера при обратном смещении означает увеличение разности потенциалов между n— и p-областями полупроводника, и, отсюда, увеличение их объёмных зарядов. Поскольку объёмные заряды неподвижны и связаны с ионами доноров и акцепторов, увеличение объёмного заряда может быть обусловлено только расширением его области и, следовательно, уменьшением электрической ёмкости перехода. В зависимости от площади перехода, концентрации легирующей примеси и обратного напряжения барьерная емкость может принимать значения от единиц до сотен пикофарад. Барьерная ёмкость проявляется при обратном напряжении; при прямом напряжении она шунтируется малым сопротивлением p-n-перехода. За счёт барьерной ёмкости работают варикапы.

Кроме барьерной ёмкости p-n-переход обладает так называемой диффузионной ёмкостью. Диффузионная ёмкость связана с процессами накопления и рассасывания неравновесного заряда в базе и характеризует инерционность движения неравновесных зарядов в области базы. Диффузионная ёмкость обусловлена тем, что увеличение напряжения на p-n-переходе приводит к увеличению концентрации основных и неосновных носителей, то есть к изменению заряда. Величина диффузионной ёмкости пропорциональна току через p-n-переход. При подаче прямого смещения значение диффузионной ёмкости может достигать десятков тысяч пикофарад.

Суммарная ёмкость p-n-перехода определяется суммой барьерной и диффузионной ёмкостей. Эквивалентная схема p-n-перехода на переменном токе представлена на рисунке. На эквивалентной схеме параллельно дифференциальному сопротивлению p-n-перехода Rа включены диффузионная ёмкость Cд и барьерная ёмкость Сб; последовательно с ними включено объёмное сопротивление базы r. С ростом частоты переменного напряжения, поданного на p-n-переход, емкостные свойства проявляются все сильнее, Rа шунтируется ёмкостным сопротивлением, и общее сопротивление p-n-перехода определяется объёмным сопротивлением базы. Таким образом, на высоких частотах p-n-переход теряет свои линейные свойства.

Пробой p-n-перехода

Пробой диода — это явление резкого увеличения обратного тока через диод при достижении обратным напряжением некоторого критического для данного диода значения. В зависимости от физических явлений, приводящих к пробою, различают лавинный, туннельный, поверхностный и тепловой пробои.

PN-переход в полупроводниках. Диод

Часть полупроводника n-типа или p-типа похожа на резистор, который не так полезен. Но когда производитель легирует монокристаллический кремний с помощью материала p-типа с одной стороны и n-типа с другой, возникает нечто новое — PN-переход.

PN-переходы — это элементарные строительные блоки полупроводниковых устройств, таких как диоды, транзисторы, солнечные элементы, светодиоды и интегральные схемы. Понимание этого позволяет понять работу всех этих устройств.

PN-переход

Поскольку мы знаем, что полупроводник p-типа имеет трехвалентные атомы, и каждый из них создает одну дырку, мы можем визуализировать это, как показано на рисунке ниже. Каждый обведенный кружком знак минус — это трехвалентный атом, а каждый знак плюс — это дыра в его валентной орбите.

полупроводник p-типа

Мы также знаем, что полупроводник n-типа имеет пятивалентные атомы, и каждый из них производит один свободный электрон, мы можем визуализировать это, как показано на следующем рисунке. Каждый обведенный кружком знак плюс — это пятивалентный атом, а каждый знак минус — это свободный электрон, который он вносит.

полупроводник n-типа

Производитель может изготовить один кристалл кремния с материалом p-типа на одной стороне и n-типом на другой стороне, как показано на рисунке. Граница между p-типом и n-типом называется PN-переходом.

PN-переход

Кристалл PN обычно известен как соединительный диод. Слово диод представляет собой сокращение двух электродов, где ди означает два.

Существует три возможных условия смещения для PN-соединения:

  1. Равновесие или нулевое смещение — внешнее напряжение не подается на PN-переход.
  2. Обратное смещение — положительная клемма источника подключена к n-типу, а отрицательная клемма источника подключена к p-типу.
  3. Прямое смещение — отрицательная клемма источника подключена к n-типу, а положительная клемма источника подключена к p-типу.

Давайте посмотрим на них один за другим.

Равновесие (нулевое смещение)

В PN-переходе без внешнего приложенного напряжения достигается условие равновесия. Посмотрим как.

Область истощения

Полупроводник n-типа имеет большее количество свободных электронов, чем полупроводник p-типа. Из-за этой высокой концентрации электронов на n-стороне они отталкиваются друг от друга.

Из-за отталкивания свободные электроны распространяются (рассеиваются) во всех направлениях. Некоторые из них пересекают границу между n и p. Когда свободный электрон входит в р-область, он притягивается к положительной дыре и рекомбинирует с ней. Когда это происходит, дыра исчезает, и свободный электрон становится валентным электроном.

Когда свободный электрон падает в дырку на p-стороне, атом p-стороны получает дополнительный электрон. Атом, который получает дополнительный электрон, имеет больше электронов, чем протонов, благодаря чему он становится отрицательным ионом.

Точно так же каждый свободный электрон, который покидает атом n-стороны, создает дыру в атоме n-стороны. Атом, который теряет электрон, имеет больше протонов, чем электронов, благодаря чему он становится положительным ионом.

ионы на каждой стороне соединения

Таким образом, каждый раз, когда электрон пересекает соединение и рекомбинирует с дыркой, он создает пару ионов. На следующем рисунке показаны эти ионы на каждой стороне соединения.

Каждая пара положительных и отрицательных ионов на стыке называется диполем. Создание диполя означает, что один свободный электрон с n-стороны и одна дырка с p-стороны выведены из оборота. По мере увеличения числа диполей область вблизи перехода истощается основными носителями заряда. Поэтому мы называем этот незаряженный регион областью истощения.

область истощения

Барьерный потенциал

Каждый диполь имеет электрическое поле между положительными и отрицательными ионами. Всякий раз, когда свободный электрон пытается войти в область истощения, это электрическое поле выталкивает его обратно в область n.

Напряженность электрического поля увеличивается с каждой электронно-дырочной рекомбинацией внутри области обеднения. Поэтому электрическое поле в конечном итоге останавливает диффузию электронов через соединение, и достигается равновесие.

Барьерный потенциал

Электрическое поле между ионами эквивалентно разности потенциалов, называемых барьерным потенциалом. При комнатной температуре барьерный потенциал составляет примерно 0,3 В для германиевых диодов и 0,7 В для кремниевых диодов.

Прямое смещение

При прямом смещении p-тип соединен с положительной клеммой источника, а n-тип соединен с отрицательной клеммой источника. На следующем рисунке показан диод прямого смещения.

Прямое смещение

Если батарея подключена таким образом, дырки в p-области и свободные электроны в n-области выталкиваются в направлении перехода. Если напряжение батареи меньше барьерного потенциала (0,7 В), у свободных электронов недостаточно энергии, чтобы пройти через область истощения. Когда они попадают в область истощения, ионы выталкивают их обратно в n-область. Из-за этого ток не течет через диод.

Когда напряжение батареи превышает барьерный потенциал (0,7 В), свободные электроны имеют достаточно энергии, чтобы пройти через область истощения и рекомбинировать с дырками. Таким образом они начинают нейтрализовать область истощения, уменьшая ее ширину.

Когда свободный электрон рекомбинируется с дыркой, он становится валентным электроном. Как валентный электрон, он продолжает двигаться влево, переходя от одной дырки к другой, пока не достигнет левого конца диода.

Когда он покидает левый конец диода, появляется новая дырка и процесс начинается снова. Поскольку одновременно движутся миллиарды электронов, мы получаем непрерывный ток через диод.

Обратное смещение

Подключение p-типа к отрицательной клемме батареи и n-типа к положительной клемме соответствует обратному смещению. На следующем рисунке показан диод с обратным смещением.

Обратное смещение

Отрицательная клемма батареи притягивает дырки, а положительная клемма батареи притягивает свободные электроны. Из-за этого дырки и свободные электроны вытекают из соединения, оставляя положительные и отрицательные ионы позади. Следовательно, область истощения становится шире.

Ширина области истощения пропорциональна обратному напряжению. По мере увеличения обратного напряжения область истощения становится шире. Область истощения перестает расти, когда ее разность потенциалов равна приложенному обратному напряжению. Когда это происходит, электроны и дыры перестают двигаться от соединения.

Обратный ток

Обратный ток в диоде состоит из тока неосновной несущей и тока утечки на поверхность. Этот обратный ток настолько мал, что вы даже не можете его заметить, и он считается почти нулевым.

Обратный ток насыщения

Как известно, тепловая энергия непрерывно создает пары свободных электронов и дырок. Предположим, что тепловая энергия создала свободный электрон и дырку внутри области истощения.

Область истощения выталкивает вновь созданный свободный электрон в область n, заставляя его покинуть правый конец диода. Когда он достигает правого конца диода, он входит во внешний провод и течет к положительной клемме батареи.

С другой стороны, вновь созданная дырка помещается в область p. Эта дополнительная дырка на стороне p позволяет одному электрону с отрицательной клеммы батареи войти в левый конец диода и упасть в дырку.

Обратный ток насыщения

Поскольку тепловая энергия непрерывно создает пары электрон-дырка внутри области истощения, во внешней цепи протекает небольшой непрерывный ток. Такой обратный ток, вызываемый термически создаваемыми неосновными носителями, называется током насыщения. Название насыщения означает, что увеличение обратного напряжения не приведет к увеличению количества термически производимых неосновных носителей.

Поверхностный ток утечки

В обратном смещенном диоде существует другой ток. Небольшой ток течет по поверхности кристалла, известной как ток поверхностной утечки.

Атомы на верхней и нижней поверхности кристалла не имеют соседей. У них всего шесть электронов на валентной орбите. Это означает, что у каждого поверхностного атома есть две дырки. Следующее изображение показывает эти дырки вдоль поверхности кристалла.

Поверхностный ток утечки

Из-за этого электроны проходят через поверхностные дырки от отрицательной клеммы батареи к положительной клемме батареи. Таким образом, небольшой обратный ток протекает вдоль поверхности.

Пробой

Существует предел того, сколько обратного напряжения выдержит диод перед пробоем. Если вы продолжите увеличивать обратное напряжение, диод в конечном итоге достигнет напряжения пробоя.

Как только напряжение пробоя достигнуто, большое количество неосновных носителей генерируется в области истощения за счет эффекта лавины, и диод начинает сильно проводить в обратном направлении.

Лавинный эффект

Как мы знаем, в диоде с обратным смещением присутствует небольшой ток несущей. Когда обратное напряжение увеличивается, оно заставляет неосновных носителей двигаться быстрее.

Эти неосновные носители, движущиеся с высокой скоростью, сталкиваются с атомами кристалла и выбивают валентные электроны, производя больше свободных электронов. Эти новые миноритарные носители присоединяются к существующим миноритарным носителям и сталкиваются с другими атомами, которые выбивают больше электронов.

Один свободный электрон смещает один валентный электрон, в результате чего образуются два свободных электрона. Эти два свободных электрона затем выбивают еще два электрона, в результате чего образуются четыре свободных электрона. Таким образом, число электронов увеличивается в геометрической прогрессии : 1, 2, 4, 8…

Это постоянное столкновение с атомами генерирует большое количество неосновных носителей, которые производят значительное количество обратного тока в диоде. И этот процесс продолжается до тех пор, пока обратный ток не станет достаточно большим, чтобы разрушить диод.

Диод — обозначение

На следующем рисунке показан схематический символ диода. Символ выглядит как стрелка, которая указывает со стороны p в сторону n. Сторона p называется анодом, а сторона n — катодом.

символ диода

Диод I-V характеристики

На следующем рисунке показана базовая диодная схема, в которой диод смещен в прямом направлении. Резистор R S обычно используется, чтобы ограничить прямой ток I F.

схема

После подключения этой схемы, если вы измерите напряжение и ток диода для прямого и обратного смещения и построите график, то вы получите график, который выглядит следующим образом:

Диод I-V характеристики

Этот график называется вольт-амперная характеристика (IV). Это самая важная характеристика диода, потому что она определяет, сколько тока протекает через диод для данного напряжения.

Резистор является линейным устройством, потому что его кривая IV является прямой линией. Однако, диод отличается. Это нелинейное устройство, поскольку его кривая IV не является прямой линией. Это связано с барьерным потенциалом.

В зависимости от приложенного к нему напряжения диод будет работать в одной из трех областей: прямое смещение, обратное смещение и пробой.

Область прямого смещения

Когда напряжение диода меньше барьерного потенциала, через диод течет небольшой ток. Когда напряжение на диоде превышает барьерный потенциал, ток, протекающий через диод, быстро увеличивается.

Область прямого смещения

Напряжение, при котором ток начинает быстро увеличиваться, называется прямым напряжением (VF) диода. Это также называется напряжением включения или напряжением колена. Как правило, кремниевый диод имеет VF около 0,7 В, а диод на основе германия имеет около 0,3 В.

Область обратного смещения

Область обратного смещения существует между нулевым током и пробоем.

В этой области небольшой обратный ток протекает через диод. Этот обратный ток вызван термически произведенными неосновными носителями. Этот обратный ток настолько мал, что вы даже не можете его заметить, и он считается почти нулевым.

Область обратного смещения

Область пробоя

Если вы продолжите увеличивать обратное напряжение, вы в конечном итоге достигнете так называемого пробивного напряжения диода.

В этот момент в обедненном полупроводниковом слое происходит процесс, называемый лавинным пробоем, и диод начинает сильно проводить в обратном направлении, разрушаясь.

Область пробоя

Из графика видно, что у пробоя очень острое колено с последующим почти вертикальным увеличением тока.

PN переход — основа полупроводниковой электроники

В этой статье мы узнаем об одной из самых важных концепций полупроводниковой электроники, а именно о PN-переходе. Когда говорят о полупроводниковых устройствах, таких как диоды, транзисторы и другие, в основе этого лежит PN переход. Немногие полупроводниковые устройства, такие как, например, фотопроводники, обычно формируются путем легирования примесей одного типа. Но это ограниченный сценарий, и для большинства полупроводниковых устройств требуются оба типа легирования.

PN-переход в основном формируется путем введения (так называемого легирования) акцепторных примесей на одной стороне полупроводникового кристалла, в то время как другая сторона легирована донорными примесями. Интерфейс между этими двумя областями называется PN-переходом.

Полезные статьи:

Основы полупроводниковой электроники

Электропроводность полупроводника, например кремния или германия, зависит от концентрации электрических носителей в зоне проводимости. Свойства проводимости зависят от количества примесей, присутствующих в процессе легирования.

Проводимость кремния увеличивается в 10 3 при комнатной температуре за счет добавления 1 атома бора на 10 5 атомов кремния.

Полупроводник N-типа создается путем легирования кристалла кремния пятивалентной примесью, такой как сурьма, а полупроводник P-типа формируется путем легирования кристалла кремния трехвалентной примесью, такой как бор, в крошечной концентрации.

И сурьма, и бор являются основными полупроводниковыми примесями, используемыми в процессе легирования; поэтому их называют «металлоидами». По отдельности полупроводники N-типа и P-типа электрически нейтральны.

Как образуется PN-переход?

PN-переход создается в отдельном кристалле полупроводника путем легирования одной стороны кристалла атомами акцепторной примеси, создавая его как P-тип, а также легирования противоположной стороны атомами донорной примеси, создавая его как N-тип. Область, где сходятся P-тип и N-тип, называется PN-переходом.

В этой области электроны в материале N-типа рассеивают переход и объединяются с дырками в материале P-типа. Область материала P-типа, которая находится рядом с переходом в полупроводнике, принимает отрицательный заряд по той причине, что электроны притягиваются дырками.

Когда электроны уходят из области N-типа, он принимает положительный заряд. Следовательно, на стыке существует склонность свободных электронов диффундировать в область P-типа, а дырок — в область N-типа, и этот процесс называется диффузией.

Тонкий слой, зажатый между этими двумя областями, обедненный основными носителями, называется областью истощения. Состояние равновесия PN-перехода определяется как состояние, в котором PN-переход остается без приложенного к нему внешнего электрического потенциала.

Это также может быть дополнительно определено как состояние смещения нулевого напряжения. Ширина обедненной области невероятно мала, обычно несколько тысяч миллиметров, ток через диод может не течь.

PN-переход при приложении потенциала

Отмечаются разные свойства в зависимости от ширины области истощения. Если на таком расстоянии приложен положительный потенциал, область типа P становится положительной, и, следовательно, тип N становится отрицательным, дырки перемещаются в сторону отрицательного напряжения.

В равной степени электроны движутся к положительному напряжению и перепрыгивают через слой обеднения. Плотность заряда P-типа в обедненной области укомплектована отрицательно заряженными акцепторными ионами, в результате чего плотность заряда N-типа становится положительной.

Потенциальный барьер представляет собой перегородку носителей заряда в середине PN-перехода. Этот потенциальный барьер должен преодолеваться за счет внешнего источника электрического потенциала, чтобы PN-переход проводил электрический ток.

Формирование перехода и потенциального барьера в полупроводниковом диоде происходит на протяжении всего производственного процесса полупроводникового диода с PN переходом. Степень потенциального барьера может зависеть от материалов, используемых при производстве диодов с PN переходом.

Полупроводниковый диод с кремниевым PN переходом имеет превосходную величину потенциального барьера, чем германиевые диоды.

PN переход

PN-переход создается путем вставки как P-типа, так и N-типа в один и тот же полупроводниковый кристалл. Большинство носителей заряда в P-типе — это положительно заряженные дырки, а в N-типе — отрицательно заряженные электроны.

Общий заряд с обеих сторон PN-перехода должен быть одинаковым и противоположным, чтобы поддерживать состояние нейтрального заряда вокруг перехода из-за пары электрон-дырка. Слой между P-типом и N-типом, где носители заряда дублируются несколько раз, отмечен как область истощения.

В состоянии равновесия на PN-переходе отсутствует проводимость. Проводимость PN-перехода включает диффузию основных носителей заряда и дрейф неосновных носителей заряда. Проведение электрического тока в PN-переходе физически связано как с зоной проводимости, так и с валентной зоной.

После подключения внешней батареи поток электронов происходит в зоне проводимости, а поток дырок в валентной.

В состоянии равновесия смещения при нулевом напряжении меньшая концентрация дырок и электронов будет дрейфовать просто под влиянием электрического поля E. Диффузия основных носителей заряда должна пересечь потенциальный барьер VB PN-перехода, образованного в результате истощения.

Это должно означать, что основные носители заряда N-типа и P-типа должны по крайней мере достичь энергии qVB электрон-вольт (эВ), прежде чем преодолеют барьер и диффундируют в область P-типа или N-типа.

Сдвиг электронов от N-стороны PN-перехода к дыркам, аннигилированным на P-стороне PN-перехода, создает напряжение потенциального барьера. Значение барьерного напряжения близко к 0,6–0,7 В в кремнии, 0,3 В в германии и варьируется в зависимости от уровней легирования в различных полупроводниках.

Блоки полупроводников P-типа и N-типа в контакте друг с другом не имеют эксплуатационных свойств. Внешний источник напряжения должен пересечь потенциальный барьер, чтобы PN-переход проводил электричество. Если источник потенциала подключен таким образом, что положительный вывод подключен к стороне P, а отрицательный вывод подключен к стороне N.

Отрицательный вывод обеспечивает электронам N-типа диффузию в направлении обедненного слоя. В равной степени положительный вывод удаляет электроны в P-типе, создавая дыры, которые диффундируют к области истощения.

Если аккумуляторная батарея имеют достаточную мощность, чтобы преодолеть барьерное напряжение, тогда большинство носителей заряда от N-типа и P-типа объединяются и истощают переход. В результате большее количество носителей заряда воспроизводится и течет в сторону обедненной области, пока приложенный потенциал превышает потенциальный барьер.

Таким образом, основной ток заряда проходит по направлению к переходу. Во время этого подхода, когда ток проходит благодаря основным носителям заряда, PN-переход считается смещенным в прямом направлении.

Если клеммы батареи перевернуты, то большинство носителей заряда N-типа притягиваются к положительной клемме от PN-перехода, а отверстия притягиваются к отрицательной клемме вдали от PN-перехода.

Ширина обедненного слоя увеличивается с приложенным потенциалом, в результате рекомбинация носителей заряда в обедненном слое не происходит. Следовательно, не происходит проведения электрического тока. При таком подходе считается, что PN-переход имеет обратное смещение.

Встроенный потенциал соединения PN

Основные носители заряда в области N-типа (электроны) могут пересекать переход, чтобы рекомбинировать с основными носителями заряда в области P-типа (дырками). В результате отрицательный статический объемный заряд накапливается в области P-типа, т.к атомы трехвалентной примеси бора имеют статический отрицательный заряд. Они высвобождают положительно заряженную дырку в валентной зоне.

А в области N-типа по схожим причинам образуется положительный объемный заряд, который называется зоной объемного заряда или зоной истощения. Поскольку в этом небольшом объеме имеется мощное электрическое поле, плотность свободных носителей заряда незначительна в состоянии теплового равновесия.

Если полупроводники P-типа и N-типа приближаются, возможный потенциальный барьер возникает в обедненном слое. Фактически, статические объемные заряды накапливаются на границах PN-перехода, положительные заряды в области N-типа и отрицательные заряды в области P-типа. Они создают электрическое поле в диапазоне от N-типа до P-типа, что предотвращает диффузия и добавленная рекомбинация электронов и дырок.

Диффузия останавливается образованием внутреннего электрического поля. В результате существования этого двойного слоя зарядов по обе стороны от PN-перехода, потенциальный барьер резко меняется в пределах зоны истощения, и разность потенциалов Vd, называемая диффузионным потенциалом или встроенным потенциалом, достигает значимых значений.

Электростатический потенциал постоянен по всему кристаллу вместе с зоной пространственного заряда, поскольку учитывает не только электрическое поле, но и концентрацию носителей заряда. Встроенный потенциал из-за концентрации носителей заряда точно компенсирует электростатический потенциал.

Встроенный потенциал (диффузионный) пропорционален разнице энергий Ферми двух неограниченных полупроводников:

  • E — напряжение перехода нулевого смещения
  • (kT / q) тепловое напряжение 26 мВ при комнатной температуре.
  • N A и N B — примесные концентрации акцепторных и донорных атомов.
  • n — собственная концентрация.

Встроенный потенциал или потенциал перехода полупроводника равен потенциалу в обедненной области в состоянии теплового равновесия. Поскольку тепловое равновесие подразумевает, что энергия Ферми постоянна во всем устройстве PN-диода.

Таким образом, энергии Ферми зоны проводимости и валентной зоны смещены вверх или вниз и демонстрируют плавное отклонение в области обедненного слоя. В результате существует разность электростатической потенциальной энергии, показывающая между областями P-типа и N-типа, равная qV d.

Внешний потенциал, необходимый для преодоления потенциала перехода, зависит от рабочей температуры, а также от типа полупроводника. Даже если к полупроводнику не приложен внешний потенциал, существует некоторый барьерный потенциал из-за электронно-дырочной пары.

PN-переход сформирован на отдельном полупроводнике, а электрические контакты проложены вокруг поверхности полупроводника, чтобы обеспечить электрическое соединение для внешнего источника питания. В результате конечное устройство называется диодом с PN переходом или сигнальным диодом.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *