Напівпровідниковий діод. p-n перехід

Главная » Каталог статей » Статьи на украинском » Фізика твердого тіла » Напівпровідниковий діод. p-n перехід

Елекгронно-дірковий (або р-п) перехід виникає при контакті напівпровідників з різним типом провідності, який здійснюється їх сплавленням, іонною імплантацією або іншими технологічними прийомами. У напівпровідникові р-типу основні носії струму — електрони, концентрація яких n. У результаті теплової генерації в ньому існують також неосновні носії заряду — дірки, концентрація яких рn, причому n>>рn. У напівпровідникові р — типу основні носії дірки концентрацією р і неосновні-електрони концентрацією nр взаємозв’язані аналогічною нерівністю p>>np. Оскільки концентрації власних носіїв рп і п? визначаються шириною забороненої зони Eg та температурою Т, то рn=nр. Отже, n>>рn і p>>np. Таким чином, у напрямку, перпендикулярному до площини р-п переходу, існує градієнт концентрації носіїв заряду, результатом чого є дифузія електронів з n — області в р — область, а також зустрічна дифузія дірок. Оскільки носії мають електричний заряд, то дифузія супроводжується протіканням через р — п — перехід електричного струму, який носить назву дифузійного струму. Напрямки дифузійних струмів електронів і дірок показані на рис. 8-4 1.

У результаті дифузії основних носіїв заряду донори в n напівпровіднику, а акцептори в р — напівпровіднику іонізуються, в результаті чого в області контакту створюються об’ємні заряди — позитивні в n — області та негативні в р — області. Незначний внесок в об’ємний заряд дають також дифундовані дірки та електрони. Розподіл густини об’ємного заряду р(х) вздовж зразка наведено на рис. 8-4 2. Між утвореними об’ємними зарядами виникає контактна різниця потенціалів Uk електричне поле напруженістю Е (рис. 8-4 1.).

clip_image002

Рис. 8-4 1

Наявність контактної різниці потенціалів приводить до того, що поряд з дифузійним рухом основних носіїв відбувається переміщення неосновних носіїв заряду. Під дією поля дірки з n — області переходять в р – тип, а електрони назустріч. Таке переміщення неосновних носіїв заряду — дрейф — приводить до появи дрейфового струму je (рис. 8-4 1). При сталій температурі та відсутності зовнішніх впливів р-n перехід знаходиться в динамічній рівновазі, тобто дрейфовий і дифузійний струми компенсують один одного, контактна різниця потенціалів приймає певне значення, а енергія Фермі ЕF набуває однакового рівня як в n — так і в р — області зразка.

clip_image004

Рис. 8-4 2

Оскільки потенціальна енергія заряду в електричному полі визначається співвідношенням еj, де j — потенціал, то з врахуванням рис. З можемо зобразити енергетичну діаграму рівноважного р — n — переходу в такому вигляді (рис. 8-4 4).

clip_image006

Рис. 8-4 3

Контактне поле протидіє рухові основних носіїв заряду. Тому в р — n -переході для основних носіїв заряду виникає потенціальний бар’єр, висота якого clip_image008, а ширина його визначається товщиною р — n – переходу. Із зростанням домішковоі концентрації збільшується концентрація основних носіїв заряду, що приводить до зростання кількості частинок, що дифундують. Тому збільшується густина об’ємного заряду, що забезпечує зростання Uk і зменшення товщини р — n — переходу. Для германію типові значення UK=0,3,..0,4 В, d=10-4…10-5 см, а при великих концентраціях домішок UK=0,7 В, d=10-6 cm.

clip_image009

Рис. 8-4 4

Приєднаємо джерело зовнішньої напруги позитивним полюсом до р -області, а негативним — до n — області. Така напруга, в якої полярність співпадає з полярністю основних носіїв заряду, називається прямою. Електричне поле, створене прямою напругою, діє назустріч контактному полю (рис. 8-4 5).

clip_image010

Рис. 8-4 5

Результуюче поле стане слабкішим, що призведе до зменшення різниці потенціалів на р — n — переході, внаслідок чого зменшиться висота потенціального бар’єра для основних носіїв заряду. Енергетична діаграма зміниться так, як показано на рис. 8-4 6. Зниження висоти потенціального бар’єра забезпечить зростання дифузійного струму jд.

clip_image011

Рис. 8-4 6

Струм дрейфу практично не зміниться, оскільки він визначається головним чином числом неосновних носив заряду, які досягають р — n -переходу за рахунок теплового руху, а в нашому випадку температура залишалась сталою.

Таким чином, при прямому включенні через р — n — перехід протікає прямий струм, густина якого jпp=jд-je. Оскільки контактна різниця потенціалів Uk. складає десяті долі вольта, то вже при малих (-0,1 В) прямих напругах висота потенціального бар’єра суттєво зменшується, що приводить до великих значень прямого струму навіть при порівняно малій напрузі.

У випадку прямої напруги не тільки зменшується висота потенціального бар’єра, але й відбувається також зменшення товщини p-n -переходу, що приводить до зменшення опору, причому наявність об’ємного заряду обумовлює нелінійну залежність між струмом і напругою.

Змінивши полярність зовнішньої напруги, одержуємо зворотне включення p-n — переходу Напруженості зовнішнього та контактного полів додаються (рис. 8-4 7). Висота потенціального бар’єра зростає Вже при малих зворотних напругах внаслідок зростання висоти потенціального бар’єра дифузійний струм практично стає рівним нулю. Провідність p-n — переходу обумовлена неосновними носіями заряду, а зворотний струм — де струм дрейфу Як вже зазначалось вище, дрейфовий струм в основному визначається тепловим рухом носіїв, внаслідок чого слабко залежить від величини зворотної напруги. Оскільки концентрація неосновних носив мала, то й зворотний струм значно менший від прямого. Як підсумок, вольт — амперна характеристика, тобто залежність I=f(U) має. вигляд графіка, зображеного на рис. 8-4 8. Масштаби для позитивних і негативних значень І та U взяті різними.

clip_image012

Рис. 8-4 7

clip_image014

Рис. 8-4 8

Малі значення зворотного струму p-n — переходу в порівнянні з прямим (до 106 разів) дозволяють використовувати його для випрямлення змінного струму.

Найпростіша схема випрямлення на напівпровідниковому діоді подана на рис.8-4 9, де e — ЕРС генератора, яка змінюється за синусоїдним законом. Rн — навантажувальний опір резистора. Під час одного півперіода напруга на діоді є прямою і через діод тече прямий струм і створює на навантажувальному резисторі напругу Uн. Під час наступного півперіода напруга зворотна і завдяки малості зворотного струму Uн=0. Таким чином, випрямлена напруга має імпульсний характер. Для згладжування пульсацій паралельно Rн вмикається конденсатор, розряд якого під час від’ємних півперіодів забезпечує зменшення пульсацій.

clip_image015

Рис. 8-4 9

Один комментарий к “Напівпровідниковий діод. p-n перехід”

  1. Вступний іспит « vuennuy BLOG Says:

    […] р-п перехід. Напівпровідниковий діод і його вольт-амперна […]



Оставьте комментарий к статье