Главная | Обратная связь

Электронно-дырочный переход (p - n - переход)

 

При технологическом соединении полупроводников n-типа и p-типа электропроводности на границе соединения образуется электронно-дырочный переход, называемый p-n- переходом (рис.7).

 

Рассмотрим процесс образования p-n- перехода.

 

Пусть внешнее напряжение на переходе отсутствует. Так как носители зарядов в каждом полупроводнике совершают беспорядочное тепловое движение, то происходит их диффузия из одного полупроводника в другой. Из полупроводника n- типа в полупроводник р-типа диффундируют электроны, а в обратном направлении из полупроводника р- типа в полупроводник n- типа диффундируют дырки (рис.7). В результате диффузии носителей зарядов по обе стороны границы раздела двух полупроводников с различным типом электропроводности создаются объемные заряды различных знаков. В области n возникает положительный объемный заряд, который образован положительно заряженными атомами донорной примеси. Подобно этому в области р возникает отрицательный объемный заряд, образованный отрицательно заряженными атомами акцепторной примеси.

 

Рис. 7.

 

Между образовавшимися объемными зарядами возникают так называемая контактная разность потенциалов: u_K = φ_n – φ_p и электрическое поле, направленное от n- области к p- области.

Как видно, в p-n-переходе возникает потенциальный барьер, который препятствует диффузии основных носителей зарядов.

Высота потенциального барьера равна контактной разнице потенциалов и обычно составляет десятые доли вольта. Высота потенциального барьера возрастает при увеличении концентрации примесей в соответствующих областях, при этом толщина p-n-перехода d уменьшается. Для германия, например, при средней концентрации примесей u_K = 0,3 – 0,4 В и d = 10^-4 – 10^{-5 см, а при больших концентрациях –} u_К ≈ 0,7 В и d = 10^{-6 см. С увеличением температуры высота потенциального барьера уменьшается.}

Одновременно с диффузионным перемещением основных носителей через границу происходит и обратное перемещение носителей под действием электрического поля контактной разности потенциалов. Такое перемещение не основных носителей зарядов называется дрейфовым.

При отсутствии внешнего электрического поля через p-n-переход протекают два тока: ток диффузии и ток дрейфа. Ток диффузии и ток дрейфа через p-n-переход протекают навстречу друг другу и взаимно компенсируются. Суммарный ток через p-n-переход равен нулю.

При образовании контактной разности потенциалов по обе стороны границы раздела полупроводников образуется слой с пониженной концентрацией основных носителей зарядов. Он обладает повышенным сопротивлением и называется запирающим слоем. Толщина его несколько микрон.

 

 

Прямое и обратное включение p-n- перехода.

 

 

 

Рис. 8

 

Внешнее напряжение U, приложенное плюсом к p- области p-n- перехода, а минусом к n- области, называется прямым напряжением U_пр. (рис.8) Если к p-n- переходу приложено внешнее прямое напряжение U_пр, то создаваемое им внешнее электрическое поле E_пр оказывается направленным навстречу электрическому полю p-n-перехода –E_к. В результате этого высота потенциального барьера понижается на величину внешнего напряжения. Одновременно уменьшается толщина запирающего слоя (d_пр < d) и его сопротивление в прямом направлении становится малым. Так как высота потенциального барьера понижается, возрастает диффузионный ток, так как большее число носителей зарядов может преодолеть пониженный барьер. Ток дрейфа при этом почти не изменяется, так как он зависит главным образом от числа не основных носителей, попадающих за счет своих тепловых скоростей на p-n- переход из p- и n- областей.

При прямом напряжении I_диф > I_др и поэтому полный ток через переход т.е. прямой ток, уже не равен нулю:

I_пр = I_диф − I_др > 0.

Ток, протекающий через p-n-переход под действием приложенного к нему прямого внешнего напряжения, называется прямым током. Протекающий через p-n- переход прямой ток направлен из p- области в n- область.

Введение носителей зарядов через p-n-переход при действии прямого внешнего напряжения в область полупроводника, где эти носители являются не основными, называется инжекцией.

 

Внешнее напряжение, приложенное “плюсом“ источника питания к n- области p-n-перехода, а “минусом“ к p- области называется обратным. (рис.9)

Рис.9

 

Под действием обратного напряжения U_обр через переход протекает очень небольшой обратный ток I_обр, что объясняется следующим образом. Поле, создаваемое обратным напряжением E_обр, складывается с полем контактной разности потенциалов E. В результате этого потенциальный барьер повышается, а толщина самого запирающего слоя увеличивается (d_обр > d). Этот слой еще сильнее обедняется носителями, и его сопротивление значительно возрастает, т. е. R_обр >> R_пр.

Внешнее поле оттягивает основные носители зарядов от p-n-перехода. Перемещение свободных носителей зарядов через p-n-переход уменьшается, и при обратном напряжении, равном U_обр = 0,2В, ток диффузии через переход прекращается, т.е. I_диф = 0, так как собственные скорости носителей недостаточны для преодоления потенциального барьера. Однако не основные носители будут перемещаться через p-n-переход, создавая ток, протекающий из n-области в p-область (обратный ток I_обр). Он является дрейфовым током (током проводимости) не основных носителей через p-n-переход. Значительное электрическое поле, создаваемое обратным напряжением, перебрасывает через p-n- переход любой не основной носитель заряда, появившийся в этом поле.

Выведение не основных носителей через p-n- переход электрическим полем, созданным обратным напряжением, называют экстракцией носителей зарядов.

Таким образом, p-n-переход пропускает ток в одном направлении – прямом, и не пропускает ток в другом направлении – обратном, что определяет вентильные свойства p-n- перехода.

 

ВАХ p-n- перехода.

Вольтамперной характеристикой (ВАХ) p-n-перехода называется зависимость тока, протекающего через p-n-переход от приложенного внешнего напряжения I = f(U) (рис.7).

 

Рис. 10 – Вольтамперная характеристика p-n-перехода: 1 – прямая ветвь; 2 – обратная ветвь при лавинном пробое; 3 – обратная ветвь при тепловом пробое

 

Прямую 1 и обратную 2 ветви ВАХ изображают в различном масштабе, поскольку в нормальном режиме работы p-n- перехода обратный ток на несколько порядков меньше прямого.

При достижении обратным напряжением некоторой критической величины U_проб происходит резкое уменьшение сопротивления p-n- перехода. Это явление называется пробоем p-n-перехода, а соответствующее ему напряжение – напряжением пробоя. Различают электрический и тепловой пробой. Электрический пробой (участок АБВ характеристики) является обратимым, т. е. при этом пробое в переходе не происходит необратимых изменений (разрушения структуры вещества). Могут существовать два вида электрического пробоя: лавинный и туннельный.

Лавинный пробой объясняется лавинным размножением носителей за счет ударной ионизации и за счет вырывания электронов из атомов сильным электрическим полем. Этот пробой характерен для p-n- переходов большой толщины, получающихся при сравнительно малой концентрации примесей в полупроводниках. Пробивное напряжение для лавинного пробоя составляет десятки или сотни вольт.

Явление ударной ионизации состоит в том, что при более высоком обратном напряжении электроны приобретают большую скорость и, ударяя в атомы кристаллической решетки, выбивают из них новые электроны, которые, в свою очередь, разгоняются полем и также выбивают из атомов электроны. Такой процесс усиливается с повышением напряжения.

Туннельный пробой объясняется явлением туннельного эффекта. Сущность последнего состоит в том, что при поле напряженностью более 10⁵В/см, действующем в p-n-переходе малой толщины, некоторые электроны проникают через переход без изменения своей энергии. Тонкие переходы, в которых возможен туннельный эффект, получаются при высокой концентрации примесей. Напряжение, соответствующее туннельному пробою, обычно не превышает единиц вольт.

Области теплового пробоя соответствует на рис. участок ВГ. Тепловой пробой необратим, т.к. он сопровождается разрушением структуры вещества в месте p-n-перехода. Причиной теплового пробоя является нарушение устойчивости теплового режима p-n- перехода. Это означает, что количество теплоты, выделяющейся в переходе от нагрева его обратным током, превышает количества теплоты, отводимой от перехода. В результате температура перехода возрастает, сопротивление его уменьшается и ток увеличивается, что приводит к перегреву перехода и его тепловому разрушению.

 

 

Классификация ППП

Полупроводниковые резисторы.	Полупроводниковые диоды.	Полупроводниковые триоды – транзисторы	Тиристоры.
Зависимость электрического сопротивления полупроводниковых приборов от: - температуры – терморезистор (термистор, позистор) - освещенности (фоторезистор) - механических напряжений (тензорезистор) - напряжения – варистор - линейный резистор	- выпрямительный - стабилитрон, стабистор - стабилитрон двуханодный - туннельный   - обращенный - варикап - светодиод - диод Шоттки - фотодиоды   - фотоэлемент	Биполярные транзисторы транзистор р – n – p транзистор n – p – n Полевые транзисторы - с управляющим переходом. р-канальный n-канальный - с изолированным затвором с индуцированным каналом n-типа с индуцированным каналом р-типа со встроенным n-каналом со встроенным р-каналом   фототранзистор	- диодные (динисторы) несимметричный диодный тиристор симметричный диодный тиристор - триодные (тринисторы) несимметричный триодный тиристор с управлением по аноду с управлением по катоду - симметричный триодный тиристор выключаемый с управлением по катоду фототиристор