Меню

Ток в полупроводниках понятие дырки р п переход диоды

Полупроводниковые диоды, p-n-переход, виды пробоев, барьерная емкость, диффузионная емкость

Устройство диода

Полупроводниковым диодом называется электропреобразовательный полупроводниковый прибор с одним выпрямляющим электрическим переходом, имеющий 2 вывода.

Структура полупроводникового диода с электронно-дырочным переходом и его условное графическое обозначение приведены на рис. 1.2, а, б.

Буквами p и n обозначены слои полупроводника с проводимостями соответственно p-типа и n-типа.

Обычно концентрации основных носителей заряда (дырок в слое p и электронов в слое n ) сильно различаются. Слой полупроводника, имеющий большую концентрацию, называют эмиттером, а имеющий меньшую концентрацию — базой.

рис 1.2

Далее рассмотрим основные элементы диода (p-n-переход и невыпрямляющий контакт металл-полупроводник), физические явления, лежащие в основе работы диода, а также важные понятия, использующиеся для описания диода.

Глубокое понимание физических явлений и владение указанными понятиями необходимо не только для того, чтобы правильно выбирать конкретные типы диодов и определять режимы работы соответствующих схем, выполняя традиционные расчеты по той или иной методике.

В связи с быстрым внедрением в практику инженерной работы современных систем схемотехнического моделирования эти явления и понятия приходится постоянно иметь в виду при выполнении математического моделирования.

Системы моделирования быстро совершенствуются, и математические модели элементов электронных схем все более оперативно учитывают самые «тонкие» физические явления. Это делает весьма желательным постоянное углубление знаний в описываемой области и необходимым понимание основных физических явлений, а также использование соответствующих основных понятий.

Приведенное ниже описание основных явлений и понятий, кроме прочего, должно подготовить читателя к систематическому изучению вопросов математического моделирования электронных схем.

Рассматриваемые ниже явления и понятия необходимо знать при изучении не только диода, но и других приборов.

  1. Структура p-n-перехода.
  2. Пробой p-n-перехода.
  3. Туннельный пробой.
  4. Лавинный пробой.
  5. Тепловой пробой.
  6. Барьерная емкость.
  7. Общая емкость p-n-перехода.
  8. Невыпрямляющий контакт металл-полупроводник.

Структура p-n-перехода.

рис 1.3

Вначале рассмотрим изолированные друг от друга слои полупроводника (рис. 1.3).

рис 1.4

Изобразим соответствующие зонные диаграммы (рис. 1.4).

В отечественной литературе по электронике уровни зонных диаграмм и разности этих уровней часто характеризуют потенциалами и разностями потенциалов, измеряя их в вольтах, например, указывают, что ширина запрещенной зоны ф5 для кремния равна 1,11 В.

В то же время зарубежные системы схемотехнического моделирования реализуют тот подход, что указанные уровни и разности уровней характеризуются той или иной энергией и измеряются в электрон-вольтах (эВ), например, в ответ на запрос такой системы о ширине запрещенной зоны в случае кремниевого диода вводится величина 1,11 эВ.

В данной работе используется подход, принятый в отечественной литературе.

рис 1.5

Теперь рассмотрим контактирующие слои полупроводника (рис. 1.5).

В контактирующих слоях полупроводника имеет место диффузия дырок из слоя p в слой n, причиной которой является то, что их концентрация в слое p значительно больше их концентрации в слое n (существует градиент концентрации дырок). Аналогичная причина обеспечивает диффузию электронов из слоя n в слой p.

Диффузия дырок из слоя p в слой n, во-первых, уменьшает их концентрацию в приграничной области слоя p и, во-вторых, уменьшает концентрацию свободных электронов в приграничной области слоя n вследствие рекомбинации. Подобные результаты имеет и диффузия электронов из слоя n в слой p. В итоге в приграничных областях слоя p и слоя n возникает так называемый обедненный слой, в котором мала концентрация подвижных носителей заряда (электронов и дырок). Обедненный слой имеет большое удельное сопротивление.

Ионы примесей обедненного слоя не компенсированы дырками или электронами. В совокупности ионы образуют нескомпенсированные объемные заряды, создающие электрическое поле с напряженностью E , указанной на рис. 1.5. Это поле препятствует переходу дырок из слоя p в слой n и переходу электронов из слоя n в слой p. Оно создает так называемый дрейфовый поток подвижных носителей заряда, перемещающий дырки из слоя n в слой p и электроны из слоя p в слой n.

В установившемся режиме дрейфовый поток равен диффузионному, обусловленному градиентом концентрации. В несимметричном p-n-переходе более протяженным является заряд в слое с меньшей концентрацией примеси, т. е. в базе.

рис 1.6

Изобразим зонную диаграмму для контактирующих слоев (рис. 1.6), учитывая, что уровень Ферми для них является единым.

Рассмотрение структуры p-n-перехода и изучение зонной диаграммы (рис. 1.6) показывают, что в области перехода возникает потенциальный барьер. Для кремния высота Аф потенциального барьера примерно равна 0,75 В.

рис 1.7

Примем условие, что потенциал некоторой удаленной от перехода точки в слое p равен нулю. Построим график зависимости потенциала Ф от координаты x соответствующей точки (рис. 1.7). Как видно из рисунка, значение координаты x = 0 соответствует границе слоев полупроводника.

Важно отметить, что представленные выше зонные диаграммы и график для потенциала Ф (рис. 1.7) строго соответствуют подходу, используемому в литературе по физике полупроводников, согласно которому потенциал определяется для электрона, имеющего отрицательный заряд.

В электротехнике и электронике потенциал определяют как работу, совершаемую силами поля по переносу единичного положительного заряда.

рис 1.8

Построим график зависимости потенциала Фэ, определяемого на основе электротехнического подхода, от координаты x (рис. 1.8).

Ниже индекс «э» в обозначении потенциала будем опускать и использовать только электротехнический подход (за исключением зонных диаграмм).

Прямое и обратное включение p-n-перехода. Идеализированное математическое описание характеристики перехода.

рис 1.9 - 1.10

Подключим к p-n-переходу внешний источник напряжения так, как это показано на рис. 1.9. Это так называемое прямое включение p — n -перехода. В результате потенциальный барьер уменьшится на величину напряжения u (рис. 1.10), дрейфовый поток уменьшится, p — n -переход перейдет в неравновесное состояние, и через него будет протекать так называемый прямой ток.

рис 1.11 - 1.12

Подключим к p-n-переходу источник напряжения так, как это показано на рис. 1.11. Это так называемое обратное включение p-n -перехода. Теперь потенциальный барьер увеличится на напряжение u (рис. 1.12). В рассматриваемом случае ток через p-n-переход будет очень мал. Это так называемый обратный ток, который обеспечивается термогенерацией электронов и дырок в областях, прилегающих к области p-n-перехода.

рис 1.13

Обозначим через u напряжение на p-n-переходе, а через i — ток перехода (рис. 1.13).

Для идеального p-n-перехода имеет место следующая зависимость тока i от напряжения u:i = is · e u/φr — 1), причем φ т = kT/q где is — ток насыщения (тепловой ток), индекс s — от английского “saturation current”, для кремниевых диодов обычно is = 10 -15 … 10 -22 А;

к — постоянная Больцмана, к = 1,38 •10 -23 Дж/К = 8,62 • 10 -5 эВ/К;

Т — абсолютная температура, К;

q — элементарный заряд, q = l,6•10 -19 Кл;

φт— температурный потенциал, при температуре 20°С (эта температура называется комнатной в отечественной литературе) φт = 0,025 В, при температуре 27°С (эта температура называется комнатной в зарубежной литературе) φт = 0,026 В.

рис 1.14

Изобразим график зависимости тока i от напряжения u , которую называют вольтамперной характеристикой p-n-перехода (рис. 1.14).

рис 1.15

Полезно отметить, что, как следует из приведенного выше выражения, чем меньше ток is, тем больше напряжение u при заданном положительном (прямом) токе. Учитывая, что ток насыщения кремниевых ( Si ) переходов обычно меньше тока насыщения германиевых ( Ge) переходов, изобразим соответствующие вольтамперные характеристики (рис. 1.15).

Пробой p-n-перехода.

Пробоем называют резкое изменение режима работы перехода, находящегося под обратным напряжением. Характерной особенностью этого изменения является резкое уменьшение дифференциального сопротивления перехода rдиф , которое определяется выражением: r диф=du/di где u — напряжение на переходе; i— ток перехода (см. рис. 1.13).

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).

рис 1.16

Изобразим соответствующий участок вольтамперной характеристики p-n-перехода (рис. 1.16).

В основе пробоя p-n-перехода лежат три физических явления:·-туннельного пробоя p-n-перехода (эффект, явление Зенера);

— лавинного пробоя p — n-перехода;·

— теплового пробоя p — n -перехода.

Термин «пробой» используется для описания всей совокупности физических явлений и каждого отдельного явления.

И туннельный, и лавинный пробой принято называть электрическим пробоем.

Туннельный пробой.

Его называют также зенеровским пробоем по фамилии (Zener) ученого, впервые описавшего соответствующее явление в однородном материале. Ранее явлением Зенера ошибочно объясняли и те процессы при пробое перехода, в основе которых лежал лавинный пробой.

В иностранной литературе до сих пор называют диодами Зенера стабилитроны (диоды, работающие в режиме пробоя) независимо от того, используется туннельный или лавинный пробой.

Напряжение, при котором начинается пробой, называют напряжением Зенера. Для объяснения механизма туннельного пробоя схематически изобразим соответствующую зонную диаграмму p-n-перехода (рис. 1.17).

рис 1.17

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

Лавинный пробой.

рис 1.18

Механизм лавинного пробоя подобен механизму ударной ионизации в газах, схематично явление лавинного пробоя изобразим на рис. 1.18.

Лавинный пробой возникает, если при движении до очередного соударения с атомом дырка (или электрон) приобретает энергию, достаточную для ионизации атома. Расстояние, которое проходит носитель заряда до соударения, называют длиной свободного пробега. Лавинный пробой имеет место в переходах с высокоомной базой (имеющей большое удельное сопротивление).

Тепловой пробой.

Увеличение тока при тепловом пробое объясняется разогревом полупроводника в области p -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 (соответствующий полупроводниковый прибор выходит из строя).

Явление изменения нескомпенсированных объемных зарядов в области p-n-перехода.

Барьерная емкость.

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.

При увеличении обратного напряжения область пространственных зарядов (главным образом за счет базы) и величина заряда в каждом слое (p и n) полупроводника увеличиваются. Это увеличение происходит непропорционально: при большом по модулю обратном напряжении заряд увеличивается при увеличении модуля напряжения медленнее, чем при малом по модулю обратном напряжении.

Дадим поясняющую иллюстрацию (рис. 1.19), где используем обозначения:

Q — пространственный заряд в слое n полупроводника;

рис 1.19

u — внешнее напряжение, приложенное к p — n -переходу.

Обозначим через f функцию, описывающую зависимость Q от u . В соответствии с изложенным

рис 1.20 - 1.21

В практике математического моделирования (и при ручных расчетах) удобно и поэтому принято пользоваться не этим выражением, а другим, получаемым из этого в результате дифференцирования. На практике широко используют так называемую барьерную емкость С6арp-n-перехода, причем по определению С6ар = | dQ / du | Изобразим графики для Q (рис. 1.20) и C бар (рис. 1.21).

Читайте также:  Причины нагрева трансформаторов тока

Явление возникновения и изменения объемного заряда неравновесных носителей электричества. Диффузионная емкость.

Если напряжение внешнего источника напряжения смещает p-n-переход в прямом направлении (u> 0), то начинается инжекция (эмиссия) — поступление неосновных носителей электричества в рассматриваемый слой полупроводника. В случае несимметричного p-n-перехода (что обычно бывает на практике) основную роль играет инжекция из эмиттера в базу.

Далее предполагаем, что переход несимметричный и что эмиттером является слой p , а базой — слой n . Тогда инжекция — это поступление дырок в слой n . Следствием инжекции является возникновение в базе объемного заряда дырок.

Известно, что в полупроводниках имеет место явление диэлектрической релаксации (релаксации Максвелла), которое состоит в том, что возникший объемный заряд практически мгновенно компенсируется зарядом подошедших свободных носителей другого знака. Это происходит за время порядка 10 -12 с или 10 -11 с.

В соответствии с этим поступивший в базу заряд дырок будет практически мгновенно нейтрализован таким же по модулю зарядом электронов.

Q — объемный заряд неравновесных носителей в базе;

u — внешнее напряжение, приложенное к p — n -переходу;

f — функция, описывающая зависимость Q от u.

рис 1.22 - 1.23

Дадим поясняющую иллюстрацию (рис. 1.22).

В соответствии с изложенным Q = f( u ) На практике удобно и принято пользоваться не этим выражением, а другим, получаемым из этого в результате дифференцирования. При этом используют понятие диффузионной емкости C диф p-n-перехода, причем по определению C диф = dQ / du Емкость называют диффузионной, так как рассматриваемый заряд Q лежит в основе диффузии носителей в базе.

C диф удобно и принято описывать не как функцию напряжения u , а как функцию тока i p-n-перехода.

Сам заряд Q прямо пропорционален току i (рис. 1.23, а). В свою очередь ток i экспоненциально зависит от напряжения u (соответствующее выражение приведено выше), поэтому производная di / du также прямо пропорциональна току (для экспоненциальной функции ее производная тем больше, чем больше значение функции). Отсюда следует, что емкость Сдиф прямо пропорциональна току i (рис.1.23,6):

Cдиф=i·τ/φт где φт — температурный потенциал (определен выше);

τ — среднее время пролета (для тонкой базы), или время жизни (для толстой базы).

Среднее время пролета — это время, за которое инжектируемые носители электричества проходят базу, а время жизни — время от инжекции носителя электричества в базу до рекомбинации.

Общая емкость p-n-перехода.

Эта емкость Спер равна сумме рассмотренных емкостей, т. е. Спер = Сбар + Сдиф.

рис 1.24

При обратном смещении перехода ( u

Как следует из диаграммы, энергетические уровни в полупроводнике, соответствующие зоне проводимости, заполнены меньше, чем в металле. Поэтому после соединения металла и полупроводника часть электронов перейдет из металла в полупроводник. Это приведет к увеличению концентрации электронов в полупроводнике типа n.

Таким образом, проводимость полупроводника в области контакта окажется повышенной и слой, обедненный свободными носителями, будет отсутствовать. Указанное явление оказывается причиной того, что контакт будет невыпрямляющим. Для получения невыпрямляющего контакта металл-полупроводник p-типа необходимо выполнение условия φмп> 0

Источник

Электрический ток в полупроводниках

Зависимость проводимости полупроводников от температуры и освещенности

Полупроводники – это вещества, сопротивление которых убывает с повышением температуры, изменения освещенности, наличия примесей.

При нагревании полупроводникового термистора сила тока в цепи растет, что указывает на уменьшение его сопротивления.

зависимость сопротивления полупроводников от температуры

При освещении полупроводникового фоторезистора сила тока в цепи растет, что указывает на уменьшение его сопротивления.

Типичными полупроводниками являются кристаллы германия (Ge) и кремния (Si).

Собственная проводимость полупроводников

В идеальном кристалле германия при низкой температуре атомы объединены ковалентной связью: свободных носителей заряда нет. При увеличении температуры энергия электронов увеличивается и происходит разрыв ковалентной связи, а на их месте образуется свободное вакантное место – положительная дырка.

В идеальном кристалле четырехвалентного германия при низкой температуре атомы объединены ковалентной связью: свободных носителей заряда нет. Четыре валентных электрона связаны с четырьмя соседними атомами. При увеличении температуры энергия электронов увеличивается и происходит разрыв ковалентной связи, а на их месте образуется положительная дырка.

В чистом полупроводнике электрический ток создается равным количеством электронов и дырок. Такой тип проводимости называется собственной проводимостью полупроводников.

Примесная проводимость полупроводников

При внесении примеси электрическая проводимость полупроводников увеличивается. Такой полупроводник обладает примесной проводимостью.

При добавлении донорной примеси (с большей валентностью) в полупроводнике образуются лишние электроны. Например, если в четырехвалентный кристалл германия добавить пятивалентный мышьяк, то четыре электрона мышьяка образуют ковалентные связи, а пятый остается свободным. Проводимость становится электронной, а полупроводник называют полупроводником n-типа.

При добавлении акцепторной примеси (с меньшей валентностью) в полупроводнике образуются лишние дырки. Например, если в четырехвалентный кристалл германия ввести трехвалентный индий, то одна ковалентная связь останется незавершенной. Проводимость становится дырочной, а полупроводник называют полупроводником p-типа.

Электронно-дырочный переход

В зоне контакта двух полупроводников с различными проводимостями будет проходить взаимная диффузия. электронов и дырок и образуется запирающий электрический слой, называемый p-n-переходом. Электрическое поле запирающего слоя препятствует дальнейшему переходу электронов и дырок через границу. Запирающий слой имеет повышенное сопротивление по сравнению с другими областями полупроводника.

Полупроводниковые приборы и их применение

Полупроводниковый диод

Прибор, в котором используется p-n-переход, называется полупроводниковым диодом.

Электрический ток через контакт полупроводников p-n-типа:

прямой ток через диод

Идет значительный ток.

обратный ток через диод

Ток практически отсутствует.

вольт-амперная характеристика диода

Вольт-амперная характеристика p-n-перехода.

Правая часть графика соответствует прямому направлению тока, а левая – обратному.

Полупроводниковый диод используется как выпрямитель переменного тока.

полупроводниковый диод

Транзистор

Транзистор имеет два p-n-перехода и используется как усилитель мощности в радиоэлектронных устройствах. Транзистор состоит из двух полупроводников p-типа и одного n-типа или двух полупроводников n-типа и одного p-типа. Эти переходы делят полупроводник на три области, называемые эмиттер, база, коллектор.

транзистор

Интегральные схемы

На основе полупроводниковых кристаллов создаются интегральные схемы, в которых сотни тысяч элементов соединяются в единую электрическую цепь.

интегральная схема

Полупроводники используются при создании:

фоторезисторов , которые находят применение в автоматических выключателях света, индикаторах на ИСЗ;

термисторах , используемых для измерения температуры, в пожарной сигнализации, реле времени;

фотоэлементах , используемых в солнечных батареях;

фотодиодах , используемых для измерения интенсивности света;

фототранзисторах , используемых в различных датчиках;

светодиодах , используемых в качестве источника инфракрасного излучения, знаковых индикаторах, полупроводниковых лазерах.

Подведем итог

Полупроводники по электропроводности занимают промежуточное положение между диэлектриками и проводниками. К полупроводникам относится большая группа веществ (Si, Ge и др.). В отличие от металлов с ростом температуры удельное сопротивление полупроводников уменьшается.

Проводимость полупроводников обусловлена наличием свободных электронов и дырок. В чистом кристалле электроны и дырки присутствуют в равном количестве. Такой полупроводник обладает собственной проводимостью.

При наличии примесей в полупроводниках возникает примесная проводимость. При добавлении донорной примеси с валентностью на единицу больше, чем у полупроводника, один электрон остается свободным. Получается полупроводник n-типа.

Если же добавить акцепторную примесь с валентностью на единицу меньше, чем у полупроводника, то в таком полупроводнике концентрация дырок превышает концентрацию электронов. Получается полупроводник p-типа.

Область контакта полупроводников двух типов называется p-n-переходом. Важным свойством p-n-перехода является его односторонняя проводимость. Данное свойство используется в работе полупроводникового диода.

Полупроводники используются при создании транзисторов, термисторов, светодиодов, фотоэлементов, интегральных схем.

В настоящее время полупроводниковые приборы находят широкое применение в радиотехнике, автоматике, вычислительной технике, телемеханике.

Источник

ElectronicsBlog

Обучающие статьи по электронике

P-N-переход и диод.

Как упоминалось ранее электропроводность полупроводников сильно зависит от концентрации примесей. Полупроводники, электрофизические свойства которых зависят от примесей других химических элементов, называются примесными полупроводниками. Примеси бывают двух видов донорной и акцепторной.

Донорной называется примесь, атомы которой дают полупроводнику свободные электроны, а получаемая в этом случае электропроводность, связанная с движением свободных электронов, — электронной. Полупроводник с электронной проводимостью называется электронным полупроводником и условно обозначается латинской буквой n — первой буквой слова «негативный».

Для сборки радиоэлектронного устройства можно преобрески DIY KIT набор по ссылке.

Рассмотрим процесс образования электронной проводимости в полупроводнике. За основной материал полупроводника возьмём кремний (кремниевые полупроводники самые распространённые). У кремния (Si) на внешней орбите атома есть четыре электрона, которые обуславливают его электрофизические свойства (т.е. они перемещаясь под действием напряжения создают электрический ток). При введении в кремний атомов примеси мышьяка (As), у которого на внешней орбите пять электронов, четыре электрона вступают во взаимодействие с четырьмя электронами кремния, образуя ковалентную связь, а пятый электрон мышьяка остаётся свободным. При этих условиях он легко отделяется от атома и получает возможность перемещаться в веществе.

Акцепторной называется примесь, атомы которой принимают электроны от атомов основного полупроводника. Получаемая при этом электропроводность, связанная с перемещением положительных зарядов — дырок, называется дырочной. Полупроводник с дырочной электропроводностью называется дырочным полупроводником и условно обозначается латинской буквой p — первой буквой слова «позитивный».

Рассмотрим процесс образования дырочной проводимости. при введении в кремний атомов примеси индия (In), у которого на внешней орбите три электрона, они вступают в связь с тремя электронами кремния, но эта связь оказывается неполной: не хватает ещё одного электрона для связи с четвёртым электроном кремния. Атом примеси присоединяет к себе недостающий электрон от одного из расположенных поблизости атомов основного полупроводника, после чего он оказывается связанным со всеми четырьмя соседними атомами. Благодаря добавлению электрона он приобретает избыточный отрицательный заряд, то есть превращается в отрицательный ион. В тоже время атом полупроводника, от которого к атому примеси ушёл четвёртый электрон оказывается связанным с соседними атомами только тремя электронами. таким образом, возникает избыток положительного заряда и появляется незаполненная связь, то есть дырка.

Одним из важных свойств полупроводника является то, что при наличии дырок через него может проходить ток, даже если в нём нет свободных электронов. Это объясняется способностью дырок переходить с одного атома полупроводника на другой.

Перемещение дырок в полупроводнике

Перемещение «дырок» в полупроводнике

Вводя в часть полупроводника донорную примесь, а в другую часть — акцепторную, можно получить в нём области с электронной и дырочной проводимостью. На границе областей электронной и дырочной проводимости образуется так называемый электронно-дырочный переход.

P-N-переход

Рассмотрим процессы происходящий при прохождении тока через электронно-дырочный переход. Левый слой, обозначенный буквой n, имеет электронную проводимость. Ток в нём связан с перемещением свободных электронов, которые условно обозначены кружками со знаком «минус». Правый слой, обозначенный буквой p, обладает дырочной проводимостью. Ток в этом слое связан с перемещением дырок, которые на рисунке обозначены кружками с «плюсом».

прохождение тока через переход_1
Движение электронов и дырок в режиме прямой проводимости

прохождение тока через переход_2
Движение электронов и дырок в режиме обратной проводимости.

При соприкосновении полупроводников с различными типами проводимости электроны вследствие диффузии начнут переходить в p-область, а дырки — в n-область, в результате чего пограничный слой n-области заряжается положительно, а пограничный слой p-области — отрицательно. Между областями возникает электрическое поле, которое является как бы барьеров для основных носителей тока, благодаря чему в p-n переходе образуется область с пониженной концентрацией зарядов. Электрическое поле в p-n переходе называют потенциальным барьером, а p-n переход — запирающим слоем. Если направление внешнего электрического поля противоположно направлению поля p-n перехода («+» на p-области, «-» на n-области), то потенциальный барьер уменьшается, возрастает концентрация зарядов в p-n переходе, ширина и, следовательно, сопротивление перехода уменьшается. При изменении полярности источника внешнее электрическое поле совпадает с направлением поля p-n перехода, ширина и сопротивление перехода возрастает. Следовательно, p-n переход обладает вентильными свойствами.

Читайте также:  Как определить потребляемую мощность по току в однофазной цепи переменного тока

Полупроводниковый диод

Диодом называется электро преобразовательный полупроводниковый прибор с одним или несколькими p-n переходами и двумя выводами. В зависимости от основного назначения и явления используемого в p-n переходе различают несколько основных функциональных типов полупроводниковых диодов: выпрямительные, высокочастотные, импульсные, туннельные, стабилитроны, варикапы.

Основной характеристикой полупроводниковых диодов является вольт-амперная характеристика (ВАХ). Для каждого типа полупроводникового диода ВАХ имеет свой вид, но все они основываются на ВАХ плоскостного выпрямительного диода, которая имеет вид:

VAX_diod

Вольт-амперная характеристика (ВАХ) диода: 1 — прямая вольт-амперная характеристика; 2 — обратная вольт-амперная характеристика; 3 — область пробоя; 4 — прямолинейная аппроксимация прямой вольт-амперной характеристики; Uпор — пороговое напряжение; rдин — динамическое сопротивление; Uпроб — пробивное напряжение

Масштаб по оси ординат для отрицательных значений токов выбран во много раз более крупным, чем для положительных.

Вольт-амперные характеристики диодов проходят через нуль, но достаточно заметный ток появляется лишь при пороговом напряжении (Uпор), которое для германиевых диодов равно 0,1 — 0,2 В, а у кремниевых диодов равно 0,5 — 0,6 В. В области отрицательных значений напряжения на диоде, при уже сравнительно небольших напряжениях (Uобр.) возникает обратный токобр). Этот ток создается неосновными носителями: электронами р-области и дырками n-области, переходу которых из одной области в другую способствует потенциальный барьер вблизи границы раздела. С ростом обратного напряжения увеличение тока не происходит, так как количество неосновных носителей, оказывающихся в единицу времени на границе перехода, не зависит от приложенного извне напряжения, если оно не очень велико. Обратный ток для кремниевых диодов на несколько порядков меньше, чем для германиевых. Дальнейшее увеличение обратного напряжения до напряжения пробоя (Uпроб) приводит к тому что электроны из валентной зоны переходят в зону проводимости, возникает эффект Зенера. Обратный ток при этом резко увеличивается, что вызывает нагрев диода и дальнейшее увеличение тока приводит к тепловому пробою и разрушению p-n-перехода.

Обозначение и определение основных электрических параметров диодов

diodesAK

Обозначение полупроводникового диода

Как указывалось ранее диод в одну сторону ток проводит (т. е. представляет собой в идеале просто проводник с малым сопротивлением), в другую – нет (т. е. превращается в проводник с очень большим сопротивлением), одним словом, обладает односторонней проводимостью. Соответственно выводов у него всего два. Они как повелось ещё со времён ламповой техники, называются анодом (положительным выводом) и катодом (отрицательным).

Все полупроводниковые диоды можно разделить на две группы: выпрямительные и специальные. Выпрямительные диоды, как следует из самого названия, предназначены для выпрямления переменного тока. В зависимости от частоты и формы переменного напряжения они делятся на высокочастотные, низкочастотные и импульсные. Специальные типы полупроводниковых диодов используют различные свойства p-n-переходов; явление пробоя, барьерную емкость, наличие участков с отрицательным сопротивлением и др.

Выпрямительные диоды

Конструктивно выпрямительные диоды делятся на плоскостные и точечные, а по технологии изготовления на сплавные, диффузионные и эпитаксиальные. Плоскостные диоды благодаря большой площади p-n-перехода используют для выпрямления больших токов. Точечные диоды имеют малую площадь перехода и, соответственно, предназначены для выпрямления малых токов. Для увеличения напряжения лавинного пробоя используют выпрямительные столбы, состоящие из ряда последовательно включенных диодов.

Выпрямительные диоды большой мощности называют силовыми. Материалом для таких диодов обычно служит кремний или арсенид галлия. Кремниевые сплавные диоды используют для выпрямления переменного тока с частотой до 5 кГц. Кремниевые диффузионные диоды могут работать на повышенной частоте, до 100 кГц. Кремниевые эпитаксиальные диоды с металлической подложкой (с барьером Шотки) могут использоваться на частотах до 500 кГц. Арсенидгалиевые диоды способны работать в диапазоне частот до нескольких МГц.

Силовые диоды обычно характеризуются набором статических и динамических параметров. К статическим параметрам диода относятся:

  • падение напряжения Uпр на диоде при некотором значении прямого тока;
  • обратный ток Iобр при некотором значении обратного напряжения;
  • среднее значение прямого тока Iпр.ср.;
  • импульсное обратное напряжение Uобр.и.;

К динамическим параметрам диода относятся его временные и частотные характеристики. К таким параметрам относятся:

  • время восстановления tвос обратного напряжения;
  • время нарастания прямого тока Iнар.;
  • предельная частота без снижения режимов диода fmax.

Статические параметры можно установить по вольт-амперной характеристике диода.

Время обратного восстановления диода tвос является основным параметром выпрямительных диодов, характеризующим их инерционные свойства. Оно определяется при переключении диода с заданного прямого тока Iпр на заданное обратное напряжение Uобр. Во время переключения напряжение на диоде приобретает обратное значение. Из-за инерционности диффузионного процесса ток в диоде прекращается не мгновенно, а в течении времени tнар. По существу, происходит рассасывание зарядов на границе p-n-перехода (т. е. разряд эквивалентной емкости). Из этого следует, что мощность потерь в диоде резко повышается при его включении, особенно, при выключении. Следовательно, потери в диоде растут с повышением частоты выпрямляемого напряжения.

При изменении температуры диода изменяются его параметры. Наиболее сильно от температуры зависят прямое напряжение на диоде и его обратный ток. Приблизительно можно считать, что ТКН (температурный коэффициент напряжения) Uпр = -2 мВ/К, а обратный ток диодаимеет положительный коэффициент. Так при увеличении температуры на каждые 10 °С обратный ток германиевых диодов увеличивается в 2 раза, а кремниевых – 2,5 раз.

Диоды с барьером Шотки

Для выпрямления малых напряжений высокой частоты широко используются диоды с барьером Шотки. В этих диодах вместо p-n-перехода используется контакт металлической поверхности с полупроводником. В месте контакта возникают обеднённые носителями заряда слои полупроводника, которые называются запорными. Диоды с барьером Шотки отличаются от диодов с p-n-переходом по следующим параметрам:

  • более низкое прямое падение напряжения;
  • имеют более низкое обратное напряжение;
  • более высокий ток утечки;
  • почти полностью отсутствует заряд обратного восстановления.

Две основные характеристики делают эти диоды незаменимыми: малое прямое падение напряжения и малое время восстановления обратного напряжения. Кроме того, отсутствие неосновных носителей, требующих время на обратное восстановление, означает физическое отсутствие потерь на переключение самого диода.

Максимальное напряжение современных диодов Шотки составляет около 1200 В. При этом напряжении прямое напряжение диода Шотки меньше прямого напряжения диодов с p-n-переходом на 0,2…0,3 В.

Преимущества диода Шотки становятся особенно заметны при выпрямлении малых напряжений. Например, 45-вольтный диод Шотки имеет прямое напряжение 0,4…0,6 В, а при том же токе диод с p-n-переходом имеет падение напряжения 0,5…1,0 В. При понижении обратного напряжения до 15 В прямое напряжение уменьшается до 0,3…0,4 В. В среднем применение диодов Шотки в выпрямителе позволяет уменьшить потери примерно на 10…15 %. Максимальная рабочая частота диодов Шотки превышает 200 кГц.

Теория это хорошо, но без практического применения это просто слова.Здесь можно всё сделать своими руками.

Источник



Что такое p-n переход

Атомы и ковалентная связь

Для начала давайте разберемся на уровне атомов что и как работает. Это будет небольшое предисловие.

Вся материя состоит из молекул, а молекулы в свою очередь из атомов. И у каждого атома есть протоны, нейтроны и электроны.

Протоны образуют с нейтронами ядро, в котором их равное количество.

Исключение — это водород у которого есть только один протон в ядре, без нейтрона.


Вокруг ядра находятся орбиты электронов (кстати, сейчас принято считать, что это облако электронов). Между ними действуют сильные и слабые силы, которые являются основой атомов. Далее на изображениях не будем указывать протоны и нейтроны для простоты восприятия.

Конечно, можно погрузиться и дальше, что есть мезоны, кварки и другие фундаментальные частицы. А еще, что на электронных оболочках атомов электроны распределены в виде «газа» и их не получится точно обнаружить, только с определенной долей вероятности. Однако, это не обязательно знать для понимания принципов работы общей цифровой электроники.

Достаточно просто принять тот факт, что есть атомы, у которых присутствуют ядра с положительным зарядом, а вокруг этого ядра находятся орбиты с электронами.

Электроны и протоны имеют противоположные знаки.

В электрически нейтральном атоме количество электронов и протонов одинаково. Все электроны распределены по разным уровням. Кто ближе к ядру – по два электрона, следующий уровень по 4 электрона и так далее. Но если по какой-либо причине атом теряет электрон, то такой атом становится положительным ионом.

Ему не хватает электрона на своей внешней электронной орбите, которая называется валентным уровнем. С валентного уровня у атома проще «забрать» электрон. А такие электроны, которые находятся на валентном уровне, называются валентными электронами.

Положительный ион (атом, у которого не хватает электронов) будет со знаком +, так как у него дефицит электронов, и он будет притягивать или притягиваться к свободному электрону (зависит от среды).

Все атомы в молекулах соединены друг с другом на валентном уровне, то есть при помощи ковалентной связи.

На валентном уровне связь ядра с электронами намного меньше, чем на других, поэтому атомы могут образовывать материю, соединяясь с другими атомами. Так и получаются химические реакции и соединения атомов друг с другом.

Полупроводники и кристаллическая решетка

Теперь плавно переходим к полупроводникам. У полупроводников, таких как кремний (Si) и германий (Ge) на ковалентном уровне есть по 4 электрона.

Не путайте кремень и кремний. Кремень – это минерал, а кремний – это химический элемент, который был открыт в 1810 году.

Особенность полупроводников заключается в том, что их атомы друг с другом образуют парные связи.

Допустим, есть атом кремния. У него 4 электрона на валентном уровне. Если к нему присоединить еще 4 атома кремния, то получится кристаллическая решетка. 4 атома связаны друг с другом 4 своими электронами.

На картинке показана связь атомов в плоскости. В реальности она естественно, находится не в одной плоскости, а в пространстве.

То есть, каждый атом может образовывать устойчивую связь друг с другом, по 4 штуки с каждой стороны и плоскости.

Особенность полупроводников заключается в том, что эта кристаллическая решётка очень устойчива.

Кстати, проводимость полупроводников сильно зависит от внешних условий (давление, температура, радиация, свет). Намного сильнее, чем у других материалов. Это все связано с особенностью кристаллической решетки, которая позволят делать солнечные батареи, датчики, камеры и много чего еще.

Итак, атомы полупроводников без примесей электрически нейтральны.

Читайте также:  Реле тока утечки руп

И что самое главное, они все равно будут связаны друг с другом. Общая ковалентная связь позволят им обмениваться друг с другом электронами.

Проводимость полупроводников в нормальных условиях практически такая же, как у диэлектриков, то есть очень низкая.

Проводимость кристаллической решетки с примесями

Свободных электронов в чистом полупроводнике мало, и это объясняет низкую проводимость материала.

Однако, при повышении температуры электроны на валентном уровне получают большую энергию, и могут быстрее покидать свои орбиты. Поэтому материал становится более проводимым при повышении температуры.

И из-за этого полупроводники получили свое название. Это и проводник, и диэлектрик в одном флаконе, который меняет свою проводимость из-за внешних условий.

Донорская примесь и n-тип

Если добавить в кристаллическую решетку кремния атом, у которого 5 валентных электронов, то из-за него в кристалле появятся свободные электроны.

Например, есть атом мышьяка (As) и атомы кремния (Si).

4 валентных электрона мышьяка образуют валентную связь с другими атомами кремния. А вот один электрон будет находится в зоне проводимости. То есть, он станет свободным электроном.

А вот атом мышьяка, который непреднамеренно отдал свой электрон, станет положительным ионом. И несмотря на это, кристаллическая решетка остается стабильной.

Полупроводник с примесью, в котором находятся свободные электроны, называется полупроводником n-типа. Основные носители заряда – свободные электроны. Неосновные – дырки.

Примеси добавляют при помощи легирования. Оно может быть, как металлургическим (повышением температуры, изготовление сплавов), так химическим (ионное и диффузное).

Если подать ток по такому материалу, то свободные электроны из примеси притягиваются положительным потенциалом. А с отрицательного потенциала приходят «новые» электроны, взамен старым, которые ушли к положительному потенциалу.

Акцепторная примесь и p-тип

А что будет, если в полупроводник добавить атом с тремя валентными электронам, например бор (B)?

Тогда три валентных электрона атома бора создадут связь с другими атомами кремния. Однако теперь в кристалле с такой примесью будет не хватать одного электрона.

Это отсутствие электрона называется дыркой. По сути, это положительный потенциал, но для простоты понимания его принято называть дыркой.

Это не ион и не элементарная частица. Это дефицит электрона у атомов. И тот атом, у которого будет не хватать электрона на своей орбите, будет притягивать к себе и свободные электроны, которые оказались в кристалле, и электроны от соседних атомов.

Такая примесь в кристалле также повышает его проводимость. И эта примесь называется акцепторной. То есть, примесные атомы создают дефицит электронов в кристаллической решетке.

Поэтому, такой полупроводник с акцепторной примесью называются p-типом. Его основные носители заряда – дырки. А неосновные – электроны.

Если пустить ток по такому материалу, то к отрицательному потенциалу будет притягиваться дырка к новому поступающему электрону из источника тока. А вот к положительному потенциалу будут уходить электроны, которые находились в кристалле.

Кстати, примесный атом бора получается отрицательно заряженным ионом, поскольку при прохождении тока на его орбите будет не 3 электрона, а 4, что является для него избытком.

Ток неосновных зарядов

Как уже было сказано выше, у p-типа основные носители заряда — это дырки, а у n-типа — это электроны. Неосновные носители соответственно, наоборот. И неосновные носители зарядов тоже участвуют при прохождении тока.

Конечно, неосновных носителей зарядов намного меньше, чем основных, но не стоит их полностью игнорировать, особенно когда речь идет о p-n переходе.

Создание p-n перехода

Что будет, если соединить два кусочка кремния c примесями p-типа и n-типа вместе? Получится p-n переход. Или как его еще называют — электронно-дырочный переход.

Этот переход является разграничительной зоной между p-областью и n-областью.

И особенностью этого перехода является то, что этот переход состоит из ионизированных примесных атомов, которые не позволяют свободным зарядам из двух разных областей соединяться друг с другом. Он образовался от такого явления, как диффузионный ток.

Этот ток возникает при нагреве (изготовлении перехода). Носители зарядов рекомбинируют друг с другом и уравновешивают баланс. Диффузионный ток под воздействием тепла хаотичный, и не имеет упорядоченного направления, если на него не действует вешнее напряжение.

Например, электроны из n-области начинают накапливаться возле положительных ионов примеси, но так как с другой стороны находятся отрицательные ионы n-области, они не могут перейти этот барьер. С дырками ситуация аналогична.

Свободные электроны из n-области не могут перейти в p-область из-за барьера, который создан ионизированными донорскими примесями. Здесь создается электрическое поле, которое действует как барьер для дырок и электронов. И из-за этого в p-n переходе отсутствуют свободные носителя зарядов. Переход их попросту отталкивает от себя с двух сторон.

Кстати, еще одно название барьера – обедненная область.

А в целом, кристалл остается электрически нейтральным. Если бы не было этого барьера, свободные носители заряды уравновесили бы друг друга.

Преодоление потенциального барьера

Чтобы свободные электроны и дырки могли пройти через этот барьер, нужно приложить внешнее напряжение, которое будет превышать напряжение, требуемое для перехода барьера.

Подключим к n-области минус источника тока, а к p-области плюс источника тока. Такое включение называется прямым. Еще n-область в приборах называют катодом, а p-область — анодом.

Напряжение источника должно быть выше, чем то, которое требуется для открытия p-n перехода.

Допустим, потенциальный барьер равен 0,125 Вольт. Чтобы преодолеть его, подключим источник с напряжением 5 В.

Чтобы не перегружать восприятие, на схеме не показаны неосновные носители зарядов.

И благодаря воздействию электрического поля внешнего источника, свободным носителям хватает энергии для того, чтобы перейти этот потенциальный барьер и преодолеть его электрическое поле. Переход подключен с прямым смещением.

Свежий электрон идет с источника, переходит в n-область, далее преодолевает барьер и переходит дырке, где происходит рекомбинация. И далее этот электрон идет на встречу к дырке, которая идет с положительного потенциала, подключенного к p-области. То есть, по p-n переходу проходит электрический ток. Этот ток называют еще диффузионным током или током прямого включения – когда основные носители зарядов упорядочено движутся к внешнему источнику тока.

Аналогична ситуация с дырками. Положительный потенциал внешнего источника, который подключён к p-области, будет забирать электрон, а на его месте появится дырка. Дырка в свою очередь будет двигаться к барьеру и далее к отрицательному потенциалу источника.

Ток, который создается дырками называется дырочным. Соответственно, ток, который создается электронами – электронным.

А на этой схеме переход показан без барьера, но с обратным током.

Неосновные носители зарядов в свою очередь действуют наоборот, от чего и возникает дополнительное сопротивление в p-n переходе.

Обратный ток может быть равен всего нескольким микроамперам.

Обратное включение

Поменяем полярность внешнего источника на противоположную. Минус к p-области, а плюс к n-области. Что же будет происходить с барьером и током зарядов?

Барьер увеличится за счет того, что основные носители зарядов будут притягиваться к внешнему источнику. Увеличится сопротивление потенциального барьера и напряжение его открытия.

Однако, не смотря на все это, через p-n переход будет протекать обратный ток.

Этот обратный ток очень мал, поскольку создается неосновными носителями заряда. Он еще называется дрейфовым током.

Применение p-n перехода

Вот так и работает простой диод, который состоит из p-n перехода. По-простому, p-n переход – это и есть классический диод. И он может работать как при прямом включении, так и при обратном. А вообще, вся современная цифровая техника состоит из p-n переходов.


Транзисторы, тиристоры, микросхемы, логические элементы, процессоры и многое другое основано именно на этом.

Контролируемый лавинообразный пробой

А что будет, если превысить напряжение потенциального барьера? Например, оно равно 7 В. А на схеме источник 5 В. Если подключим источник на 8 В, то наступит лавинообразный ток.

Неосновные носители зарядов будут забирать с собой основные. От части этот процесс контролируем, если не превышать напряжение источника выше, чем может выдержать p-n переход.

Электрический пробой

Если еще больше повысим напряжение, то будет электрический пробой. Эти явления широко используются на практике, например, в качестве стабилизаторов.

Ток не пойдет по цепи пока не будет то напряжение, которое требуется для открытие обратного смещенного p-n перехода.


И электрический пробой контролируется. Стабилитроны (так называются диоды, которые работают в таком режиме) делаются специально с широкими p-n переходами, которые долго работают под постоянными нагрузками.

Тепловой пробой

Но если радиодеталь изначально не рассчитана электрический пробой, то она быстро нагреется и произойдет тепловой пробой. Дырки и электроны получат тепловую энергию, из-за которой барьер полностью разрушится. Переход нагревается и трескается под действием температуры. Это необратимый процесс.

Вообще, когда техника «перегорает» — это и есть явление теплового пробоя, то есть превышение допустимой температуры.


И во время пайки тоже может случиться тепловой пробой. Достаточно немного перегреть деталь и p-n переход будет разрушен.

Соответственно, если пустить по диоду ток, который превышает его пропускную способность, то тоже случится тепловой пробой. Тоже самое касается и рассеиваемой мощности.

Как избавиться от обратного тока

А можно ли избавиться от обратного тока? Для этого в переход добавляют металлические примеси, которые убирают неосновные носители зарядов при обратном включении.

Но и обратный ток можно использовать на практике.

Например, с его помощью реализуются обратная связь, некоторые функции и измерения.

Как еще применяется обратное включение

А еще, обратное включение очень похоже на конденсатор. Взгляните на схему. Это же две обкладки конденсатора, посередине которого есть «диэлектрик». И электронно-дырочный переход обладает емкостью. И это тоже используется на практике. Так называется полупроводниковый конденсатор.

В радиоприёмниках используют вместо подстрочных конденсаторов варикапы. Варикапы легко настроить. Нужно всего лишь подать напряжение обратным смещением определенного значения, для повышения или понижения емкости.

Конечно, это не основное применение p-n перехода. Переход используется во всей цифровой технике по-разному.


Выпрямители, усилители, генераторы, процессоры, солнечные батареи и много другое. И то, что было описано выше про принцип работы p-n перехода – это принцип работы обычного диода.

Это наиболее простое описание принципа работы p-n перехода. Он бывает разных типов, и в полупроводниках есть физические явления, которые возникают при различных условиях.

Да и изготовление полупроводниковых радиодеталей бывает разным. Полупроводники разделяются на целые классы со своими особенностями. А микропроцессорное производство – это отдельный вид искусства.

Источник