Контакт двух полупроводников p- и n- типа. Свойства p-n перехода. Полупроводниковые приборы.

Полупроводниковый диод

Полупроводниковый диод состоит из двух типов полупроводников — дырочного и электронного. В процессе контакта между этими областями из области с полупроводником n-типа в область с полупроводником p-типа проходят электроны, которые затем рекомбинируют с дырками. Вследствие этого возникает электрическое поле между двумя областями, что устанавливает предел деления полупроводников — так называемый p-n переход. В результате в области с полупроводником p-типа возникает некомпенсированный заряд из отрицательных ионов, а в области с полупроводником n-типа возникает некомпенсированный заряд из положительных ионов. Разница между потенциалами достигает 0,3-0,6 В.

Связь между разницей потенциалов и концентрацией примесей выражается следующей формулой:

V_T — термодинамическое напряжение, N_n — концентрация электронов, N_p — концентрация дырок, n_i — собственная концентрация.

В процессе подачи напряжения плюсом на p-полупроводник и минусом на n-полупроводник внешнее электрическое поле будет направлено против внутреннего электрического поля p-n перехода и при достаточном напряжении электроны преодолеют p-n переход, и в цепи диода появится электрический ток (прямая проводимость). При подаче напряжения минусом на область с полупроводником p-типа и плюсом на область с полупроводником n-типа между двумя областями возникает область, которая не имеет свободных носителей электрического тока (обратная проводимость). Обратный ток полупроводникового диода не равен нулю, так как в обоих областях всегда есть неосновные носители заряда. Для этих носителей p-n переход будет открыт.

Таким образом, p-n переход проявляет свойства односторонней проводимости, что обуславливается подачей напряжения с различной полярностью. Это свойство используют для выпрямления переменного тока.

Свойства p-n перехода

Так как в области р с дырочной проводимостью подвижных электронов значительно меньше, чем в области п с элект­ронной проводимостью, то электроны из n-слоя начинают переходить в р-слой (у их границы), а дырки в то же время будут двигаться в обратном направлении. При этом элект­рическая нейтральность каждой области окажется нару­шенной. В пограничном слое с проводимостью типа а образуется положительный объемный заряд, а в р-области, то есть по другую сторону границы,— отрицательный. Таким образом, в тонком слое полупроводника у границы раздела р- и n-областей образуются две зоны объемных разноименных электрических зарядов. Этот слой и пред­ставляет собой собственно р-n-переход. Естественно, возникновение разноименных зарядов влечет за собой появле­ние электрического поля. Это поле препятствует проник­новению электронов в р-область, а дырок в «-область, причем настолько эффективно, что лишь отдельные элект­роны и дырки, обладающие повышенной энергией, могут преодолевать его тормозящее действие. Наступает стабиль­ное состояние р-n-перехода.

Если к полупроводнику приложить электрическое на­пряжение, то в зависимости от полярности этого напряже­ния р-n-переход проявляет совершенно различные свойства.

Когда отрицательный полюс источника подключен к n-области кристалла, а положительный — к р-об­ласти:

внешнее электрическое поле и поле р-n-перехода направлены в противоположные стороны. Поэтому электрическое поле р-n-перехода окажется в зна­чительной степени ослабленным, и теперь уже электроны из n-области смогут проникать в р-область, а дырки из р-области в n-область. Таким образом, в цепи источник питания — полупроводник возникает ток. Полярность приложенного напряжения, при которой через полупроводник протекает ток (как в описанном случае), получила назва­ние прямой полярности. Когда же отрицательный полюс источника питания подключен к р-области кристалла, а по­ложительный к n-области:

электрические поля источника и р-n-перехода совпадают. Суммарное поле возрастает и в еще большей степени (чем до присое­динения источника питания) будет препятствовать передвижению электрических зарядов через р-n-переход. Если рассматривать идеальный случай, то электрического тока через переход не будет. Такую полярность приложенного к кристаллу напряжения называют обратной.

Итак, с определенной долей приближения можно счи­тать, что электрический ток через р-n-переход проте­кает, если полярность напряжения источника питания прямая, и, напротив, тока нет, когда полярность обратная.

Однако в реальных условиях в полупроводнике, кроме основных носителей электрических зарядов — электронов и дырок, образующихся при введении примесей, имеются, как было показано, и неосновные носители зарядов (их значительно меньше) электроны п дырки, образующиеся вследствие теплового движения атомов в кристалле. Часть этих электронов и дырок способна проходить (дрейфовать) через р-n-переход даже при обратной полярности прило­женного к полупроводнику напряжения, создавая так называемый обратный ток, который, разумеется, несрав­нимо меньше прямого тока. Следовательно, р-n-переход полупроводника весьма определенно проявляет свойство односторонней проводимости, что дает возможность рас­сматривать кристалл в качестве вентиля. Вольт-амперная характеристика р-n-перехода

показывает, что уже при сравнительно небольших прямых напряжениях сопротивление перехода падает, а прямой ток резко уве­личивается.

У полупроводников обратные напряжения U_обр значи­тельно больше прямых U_пр, а обратные токи намного слабее прямых токов, однако при некотором возросшем значении обратного напряжения наступает явление так называемого пробоя р—п-перехода и обратный ток резко возрастает (точка А). В этом режиме напряжение на диоде изменяется очень мало, даже при изменении тока через прибор в весьма широких пределах, то есть полупроводник ведет себя как стабилитрон. Подобный режим, который будет аварийным для полупроводниковых выпрямителей, успешно исполь­зуется в устройствах стабилизации напряжения.

Еще одна интересная особенность р-n-перехода за­ключается в том, что в диапазоне обратных напряжений, не превышающих напряжения пробоя, переход проявляет емкостные свойства, то есть ведет себя как конденсатор, причем емкость перехода обратно пропорциональна при­ложенному напряжению. Это свойство широко исполь­зуется там, где возникает необходимость применения кон­денсаторов переменной емкости, перестраиваемых пе вруч­ную, а автоматически — в зависимости от обратного на­пряжения, приложенного к р-n-переходу.

К полупроводниковым приборам относятся:

Микросхемы, полупроводниковые диоды, тиристоры, фототиристоры, транзисторы, оптоэлектронные приборы (фоторезисторы, фотодиоды, солнечные элементы, детекторы ядерных излучений, светодиоды, полупроводниковые лазеры, электролюминесцентные излучатели), терморезисторы. И всякие другие няшные штучки^_^

Друзья! Приглашаем вас к обсуждению. Если у вас есть своё мнение, напишите нам в комментарии.