Главная » Справочник » Основы электроники

Электропроводность полупроводников, образование и свойства p-n-перехода.
Электропроводность полупроводников, образование и
 свойства p-n-перехода.
    Чистые полупроводники имеют небольшую насыщенность носителей заряда, то есть свободных электронов, а также дырок. Для увеличения проводимости полупроводника и сообщения ему какого-либо типа электропроводности – дырочной при превосходстве дырок или электронной при превосходстве свободных электронов – в чистые полупроводники внедряют определенные примеси. Такая операция называется легированием, а надлежащие полупроводниковые вещества – легированными.
Легирующие примеси представляют собой химические элементы третьей и пятой групп периодической системы Менделеева. Легирующие элементы третьей группы образуют дырочную проводимость полупроводниковых веществ, их называют акцепторными примесями, а элементы пятой группы – электронную проводимость и именуются донорными примесями.
Проводимость легированного полупроводника значительно зависит от насыщенности примесей. Слаболегированные полупроводники применяют для производства полупроводниковых транзисторов и диодов небольшой мощности. Сильнолегированные полупроводники с большей проводимостью используют для создания мощных диодов, тиристоров, транзисторов.
Основной значимостью для функционирования полупроводниковых приборов обладает электронно-дырочный переход, иначе именующийся p-n-переходом.
   Электронно-дырочным переходом именуют область на рубеже двух полупроводников, у одного из которых электронная, а у иного – дырочная проводимость.
   В практике p-n-переход создают внедрением в примесный полупроводник добавочной легирующей примеси.

Например, при внедрении донорной примеси в какое-либо место полупроводника p-типа, в нем возникает полупроводниковая область n-типа, стоящая на границе полупроводника p-типа.
     Разберем схематически возникновение p-n-перехода при схождении двух полупроводников с разными типами проводимости (рис.1). До соприкосновения в этих полупроводниках дырки, электроны, а также неподвижные ионы были расположены равномерно (рис. 1, а).
    При схождении полупроводников внутри пограничного слоя происходит так называемая рекомбинация, т. е. воссоединение электронов и дырок. Свободные электроны полупроводника n-типа захватывают свободные ниши в валентной области полупроводника n-типа. В итоге рядом с границей обоих полупроводников появляется слой, утративший подвижных переносчиков заряда и, следовательно, обладающий низкой электропроводностью, называемый запирающим слоем (рис1, б). Толщина такого слоя не выше нескольких микрометров.
    Увеличению запирающего слоя затрудняют неподвижные ионы акцепторных и донорных прибавок, которые формируют на рубеже полупроводников двойной запирающий ряд (слой). Данный слой указывает контактную разность потенциалов, иначе называющийся контактным барьером φк на рубеже полупроводников (рис. 1, в). Появившаяся разность потенциалов вызывает в запирающем ряду (слое) электрическое поле, затрудняющее как переход электронов полупроводник p-типа из полупроводника n-типа, так и переход дырок из полупроводника p-типа. Одновременно с этим электроны имеют возможность свободно передвигаться в полупроводник n-типа из полупроводника p-типа. Следовательно, контактное напряжение тормозит передвижению основных носителей заряда и не затрудняет продвижению неосновных носителей заряда. Впрочем при передвижении сквозь p-n-переход неосновных носителей (дрейфовый ток Iдр) наблюдается снижение контактного напряжения (разности потенциалов φк), что допускает некоторой доле основных носителей, обладающих достаточной энергией, форсировать потенциальный барьер, порожденный контактным напряжением φк. возникает ток диффузии Iдиф, который имеет направление навстречу тока дрейфа Iдр. Появляется динамическое равновесие, где Iдр=Iдиф.
   Если к p-n-переходу подключить внешнее напряжение, производящее в запирающем слое электрополе напряженностью Евн, совпадающее по направленности с полем напряженностью Езап, в котором расположены неподвижные ионы (рис. 2, а), то это послужит только расширению (увеличению)  запирающего слоя, т. к. будет отводить от контактной зоны как положительные, так и отрицательные электроны и дырки.

   В данном случае p-n-переход имеет большое сопротивление, а ток через него будет течь очень незначительно, так как он характеризуется течением неосновных носителей заряда. В данном случае ток называется обратным, и p-n-переход именуется закрытым.
Если поменять местами провода источника напряжения (рис. 2, б), внешнее электрическое поле имеет встречную направленность полю двойного электрического слоя, и толщина запирающего ряда (слоя) снижается и при достижении напряжения 0,3-0,5 В запирающий слой исчезнет. Сопротивление p-n-перехода быстро падает, и появляется довольно большой ток. В этом случае ток называется прямым, переход – открытый. При этом сопротивление p-n-перехода будет равняться сопротивлению самого полупроводника.
    На рис. 3 представлена развернутая вольт-амперная характеристика закрытого и открытого p-n-переходов. Эта характеристика нелинейная. На участке 1 графика Евн<Eзап и прямой ток небольшой. На участке 2 Езап>Евн, запирающего слоя нет, ток определяется лишь проводимостью полупроводника. На фрагменте 3 графика запирающий слой затрудняет передвижению основных носителей, малый ток зависит от движения неосновных носителей заряда. Изгиб вольт-амперной характеристики в основе координат определяется какими-либо масштабами напряжения и тока при прямом и обратном течении напряжения, которое прикладывается к p-n-переходу. И напоследок, на участке 4 возникает пробой p-n-перехода и обратный ток резко возрастает. Связано это с тем, что при течении сквозь p-n-переход под влиянием электрополя неосновные носители заряда получают энергию, довольную для сильной ионизации атомов полупроводника. В переходе появляется лавинообразное увеличение носителей заряда, что приводит к быстрому возрастанию обратного тока через p-n-переход, напряжение же при этом почти не изменяется. Такой тип электрического пробоя называется лавинным. В большинстве случаев он прогрессирует в более широких p-n-переходах, рождающихся в слаболегированных полупроводниках.

    В сильнолегированных полупроводниках величина запирающего слоя уже, что затрудняет появлению лавинного пробоя, т. к. движущиеся носители не получают энергии, довольной для ударной ионизации. При этом может появляться электрический пробой p-n-перехода, когда при доведении до критической напряженности электрополя в p-n-переходе за счет энергии поля возникают пары носителей – электрон-дырка, и ощутимо растет обратный ток перехода.
Для электрического пробоя свойственна обратимость, содержавшаяся в том, что исходные качества p-n-перехода полностью возобновляются, если понизить напряжение на p-n-переходе.
Вследствие этого электрический пробой применяют как рабочий режим в полупроводниковых диодах.
   При возрастании температуры p-n-перехода из-за его разогрева обратным током при недостаточном теплоотводе, усиливается развитие генерации пар носителей. А это приводит к последующему возрастанию обратного тока и разогреву p-n-перехода, что способно породить разрушение перехода. Данный процесс называется тепловым пробоем. Тепловой пробой опасен для полупроводниковых приборов тем, что уничтожает p-n-переход.
   В сильнолегированных полупроводниках (например, в соединениях арсенида галлия) возможно возникновение квантово-механического туннельного эффекта, состоящего в том, что в местах 1 и 3 (рис. 3) при минимальной толщине запирающего слоя основные носители заряда способны форсировать запирающий слой помимо изменения энергии. Эти условия проводятся в конкретном диапазоне напряжений, это влечет за собой к увеличению тока на сегменте 1 прямой ветви  при Uпр ≤ 0,4 В и на сегменте 3 обратной ветви. Последующее увеличение прямого напряжения повлечет к истощению туннельного эффекта, и при Uпр > 0,4 В он полностью пропадает. В итоге, благодаря туннельному эффекту возрастает ток на прямой ветви вольт-амперной характеристики p-n-перехода (рис. 3).
     Закрытый p-n-переход имеет электрическую емкость. Она зависит размеров перехода и диэлектрической проницаемости запирающего слоя. Если увеличить обратное напряжение, ширина p-n-перехода также увеличивается, а емкость С p-n-перехода будет уменьшаться. Такая зависимость показана на рис. 4.

    Особенности легированных и чистых полупроводников и характеристики p-n-перехода часто применяют в полупроводниковых сопротивлениях и диодах. В транзисторах и тиристорах применяют электрические характеристики, которые определяются взаимным действиям нескольких p-n-переходов.
   Подведем итоги. Что нужно знать о свойствах p-n-перехода.
   Свойства p-n-перехода без напряжения:
1. В области p-n-перехода всегдапроисходитдиффузия.         Благодаря диффузии создаются объемные заряды.
2. В  p-n-переходе всегда образуется электрическое поле. Это поле очень слабое – 0,7 – 1 В.
3. Электрическое поле создает дрейф неосновных носителей заряда в области, откуда они пришли. Ток дрейфа равен току диффузии, суммарный ток через p-n-переход равен нулю.
Свойства p-n-перехода при прямом напряжении:
1.    Прямое напряжение ослабляет поле p-n-перехода (понижает потенциальный барьер).
2.    Через p-n-переход проходит большой прямой ток.
3.    p-n-переход имеет очень малое сопротивление (R близко к нулю).
4.    Прямое напряжение имеет небольшую величину.
Свойства p-n-перехода при обратном напряжении:
1.    Обратное напряжение усиливает поле p-n-перехода (повышает потенциальный барьер);
2.    Через p-n-переход протекает очень незначительный ток, т. е. почти не пропускает ток;
3.    p-n-переход при обратном напряжении имеет очень большое сопротивление (R стремится к бесконечности).
4.    Обратное напряжение имеет сравнительно большое напряжение.







Категория: Основы электроники | Добавил: Электрик (08.09.2013)
Просмотров: 11556 | Теги: p-n-переход, полупроводники | Рейтинг: 5.0/1
Интересное и полезное.

Всего комментариев: 0
avatar