p-n (пэ-эн) переход — область пространства на стыке двух полупроводников p- и n-типа, в которой происходит переход от одного типа проводимости к другому, такой переход ещё называют электронно — дырочным переходом.
Всего есть два типа полупроводников это p и n типа. В n — типе основными носителями заряда являются электроны , а в p — типе основными — положительно заряженные дырки. Положительная дырка возникает после отрыва электрона от атома и на месте него образуется положительная дырка.
Что бы разобраться как работает p-n переход надо изучить его составляющие то есть полупроводник p — типа и n — типа.
Полупроводники p и n типа изготавливаются на основе монокристаллического кремния, имеющего очень высокую степень чистоты, поэтому малейшие примеси (менее 0,001%) существенным образом изменяют его электрофизические свойства.
В полупроводнике n типа основными носителями заряда являются электроны . Для получения их используютдонорные примеси, которые вводятся в кремний, — фосфор, сурьма, мышьяк.
В полупроводнике p типа основными носителями заряда являются положительно заряженные дырки . Для получения их используют акцепторные примеси — алюминий, бор.
Полупроводник n — типа (электронной проводимости)
Примесный атом фосфора обычно замещает основной атом в узлах кристаллической решетки. При этом четыре валентных электрона атома фосфора вступают в связь с четырьмя валентными электронами соседних четырех атомов кремния, образуя устойчивую оболочку из восьми электронов. Пятый валентный электрон атома фосфора оказывается слабо связанным со своим атомом и под действием внешних сил (тепловые колебания решетки, внешнее электрическое поле) легко становится свободным, создавая повышенную концентрацию свободных электронов . Кристалл приобретает электронную проводимость или проводимость n-типа . При этом атом фосфора, лишенный электрона, жестко связан с кристаллической решеткой кремния положительным зарядом, а электрон является подвижным отрицательным зарядом. При отсутствии действия внешних сил они компенсируют друг друга, т. е. в кремнии n-типа количество свободных электронов проводимости определяется количеством введенных донорных атомов примеси.
Полупроводник p — типа (дырочной проводимости)
Атом алюминия, имеющий только три валентных электрона, не может самостоятельно создать устойчивую восьмиэлектронную оболочку с соседними атомами кремния, так как для этого ему необходим еще один электрон, который он отбирает у одного из атомов кремния, находящегося поблизости. Атом кремния, лишенный электрона, имеет положительный заряд и, так как он может захватить электрон соседнего атома кремния, его можно считать подвижным положительным зарядом, не связанным с кристаллической решеткой, называемым дыркой. Атом алюминия, захвативший электрон, становится отрицательно заряженным центром, жестко связанным с кристаллической решеткой. Электропроводность такого полупроводника обусловлена движением дырок , поэтому он называется дырочным полупроводником р-типа . Концентрация дырок соответствует количеству введенных атомов акцепторной примеси.
Если блок полупроводника P-типа соединить с блоком полупроводника N-типа (рисунок ниже (a)), результат не будет иметь никакого значения. У нас будут два проводящих блока соприкасающихся друг с другом, не проявляя никаких уникальных свойств. Проблема заключается в двух отдельных и различных кристаллических структурах. Количество электронов уравновешивается количеством протонов в обоих блоках. Таким образом, в результате ни один блок не имеет какого-либо заряда.
Тем не менее, один полупроводниковый кристалл, изготовленный из материала P-типа с одной стороны и материала N-типа с другой стороны (рисунок ниже (b)), обладает уникальными свойствами. У материала P-типа основными являются положительные носители заряда, дырки, которые свободно передвигаются по кристаллической решетке. У материала N-типа основными и подвижными являются отрицательные носители заряда, электроны. Вблизи перехода электроны материала N-типа диффундируют через переход, соединяясь с дырками в материале P-типа. Область материала P-типа вблизи перехода приобретает отрицательный заряд из-за привлеченных электронов. Так как электроны покинули область N-типа, та приобретает локальный положительный заряд. Тонкий слой кристаллической решетки между этими зарядами теперь обеднен основными носителями, таким образом, он известен, как обедненная область . Эта область становится непроводящим материалом из собственного полупроводника. По сути, мы имеем почти изолятор, разделяющий проводящие легированные области P и N типов.
(a) Блоки полупроводников P и N типов при контакте не обладают пригодными для использования свойствами.
(b) Монокристалл, легированный примесями P и N типа, создает потенциальный барьер.
Такое разделение зарядов в P-N-переходе представляет собой потенциальный барьер. Этот потенциальный барьер может быть преодолен под воздействием внешнего источника напряжения, заставляющего переход проводить электрический ток. Формирование перехода и потенциального барьера происходит во время производственного процесса. Величина потенциального барьера зависит от материалов, используемых при производстве. Кремниевые P-N-переходы обладают более высоким потенциальным барьером, по сравнению с германиевыми переходами.
На рисунке ниже (a) батарея подключена так, что отрицательный вывод источника поставляет электроны к материалу N-типа. Эти электроны диффундируют к переходу. Положительный вывод источника удаляет электроны из полупроводника P-типа, создавая дырки, которые диффундируют к переходу. Если напряжение батареи достаточно велико для преодоления потенциала перехода (0,6В для кремния), электроны из области N-типа и дырки из области P-типа объединяются, уничтожая друг друга. Это освобождает пространство внутри решетки для перемещения в сторону перехода большего числа носителей заряда. Таким образом, токи основных зарядов областей N-типа и P-типа протекают в сторону перехода. Рекомбинация в переходе позволяет току батареи протекать через P-N переход диода. Такое включение называется прямым смещением .
(a) Прямое смещение отталкивает носителей зарядов к переходу, где рекомбинация отражается на токе батареи.(b) Обратное смещение притягивает носителей зарядов к выводам батареи, подальше от перехода. Толщина обедненной области увеличивается. Устойчивый ток через батарею не протекает.
Если полярность батареи изменена на противоположную, как показано выше на рисунке (b), основные носители зарядов притягиваются от перехода к клеммам батареи. Положительный вывод батареи оттягивает от перехода основных носителей заряда в области N-типа, электронов. Отрицательный вывод оттягивает от перехода основных носителей в области P-типа, дырок. Это увеличивает толщину непроводящей обедненной области. В ней отсутствует рекомбинация основных носителей; и таким образом, отсутствует и проводимость. Такое подключение батареи называется обратным смещением .
Условное обозначение диода, показанное ниже на рисунке (b), соответствует пластине легированного полупроводника на рисунке (a). Диод представляет собой однонаправленное устройство. Электронный ток протекает только в одном направлении, против стрелки, соответствующем прямому смещению. Катод, полоса на условном обозначении диода, соответствует полупроводнику N-типа. Анод, стрелка, соответствует полупроводнику P-типа.
Примечание: в оригинале статьи предлагается алгоритм запоминания расположения типов полупроводника в диоде. Неуказывающая (N ot-pointing) часть условного обозначения (полоса) соответствует полупроводнику N -типа. Указывающая (P ointing) часть условного обозначения (стрелка) соответствует P -типу.
(a) Прямое смещение PN-перехода(b) Соответствующее условное графическое обозначение диода
(c) График зависимости тока от напряжения кремниевого диода
Если к диоду приложено прямое смещение (как показано на рисунке (a) выше), при увеличении напряжения от 0 В ток будет медленно возрастать. В случае с кремниевым диодом протекающий ток можно будет измерить, когда напряжение приблизится к 0,6 В (рисунок (c) выше). При увеличении напряжения выше 0,6 В ток после изгиба на графике начнет резко возрастать. Увеличение напряжения выше 0,7 В может привести к току, достаточно большому, чтобы вывести диод из строя. Прямое напряжение U пр является одной из характеристик полупроводников: 0,6-0,7 В для кремния, 0,2 В для германия, несколько вольт для светоизлучающих диодов. Прямой ток может находиться в диапазоне от нескольких мА для точечных диодов до 100 мА для слаботочных диодов и до десятков и тысяч ампер для силовых диодов.
Если диод смещен в обратном направлении, то протекает только ток утечки собственного полупроводника. Это изображено на графике слева от начала координат (рисунок (c) выше). Для кремниевых диодов этот ток в самых экстремальных условиях будет составлять примерно 1 мкА. Это ток при росте напряжения обратного смещения увеличивается незаметно, пока диод не будет пробит. При пробое ток увеличивается настолько сильно, что диод выходит из строя, если последовательно не включено сопротивление, ограничивающее этот ток. Обычно мы выбираем диод с обратным напряжением, превышающим напряжения, которые могут быть приложены при работе схемы, чтобы предотвратить пробой диода. Как правило, кремниевые диоды доступны с напряжениями пробоя 50, 100, 200, 400, 800 вольт и выше. Также возможно производство диодов с меньшим напряжением пробоя (несколько вольт) для использования в качестве эталонов напряжения.
Ранее мы упоминали, что обратный ток утечки до микроампера в кремниевых диодах обусловлен проводимостью собственного полупроводника. Эта утечка может быть объяснена теорией. Тепловая энергия создает несколько пар электрон-дырка, которые проводят ток утечки до рекомбинации. В реальной практике этот предсказуемый ток является лишь частью тока утечки. Большая часть тока утечки обусловлена поверхностной проводимостью, связанной с отсутствием чистоты поверхности полупроводника. Обе составляющие тока утечки увеличиваются с ростом температуры, приближаясь к микроамперу для небольших кремниевых диодов.
Для германия ток утечки на несколько порядков выше. Так как германиевые полупроводники сегодня редко используются на практике, то это не является большой проблемой.
Подведем итоги
P-N переходы изготавливаются из монокристаллического куска полупроводника с областями P и N типа в непосредственной близости от перехода.
Перенос электронов через переход со стороны N-типа к дыркам на сторону P-типа с последующим взаимным уничтожением создает падение напряжения на переходе, составляющее от 0,6 до 0,7 вольта для кремния и зависящее от полупроводника.
Прямое смещение P-N перехода при превышении значения прямого напряжения приводит к протеканию тока через переход. Прикладываемая внешняя разность потенциалов заставляет основных носителей заряда двигаться в сторону перехода, где происходит рекомбинация, позволяющая протекать электрическому току.
Обратное смещение P-N перехода почти не создает ток. Прикладываемое обратное смещение оттягивает основных носителей заряда от перехода. Это увеличивает толщину непроводящей обедненной области.
Через P-N переход, к которому приложено обратное смещение, протекает обратный ток утечки, зависящий от температуры. В небольших кремниевых диодах он не превышает микроампер.
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».
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
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».
Движение электронов и дырок в режиме прямой проводимости
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.
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:
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 (U пор), 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 (U обр.) возникает обратный ток (І обр). 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 (U проб) 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
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 U пр на диоде при некотором значении прямого тока;
- обратный ток I обр при некотором значении обратного напряжения;
- среднее значение прямого тока I пр.ср. ;
- импульсное обратное напряжение U обр.и. ;
К динамическим параметрам диода относятся его временные и частотные характеристики. К таким параметрам относятся:
- время восстановления t вос обратного напряжения;
- время нарастания прямого тока I нар. ;
- предельная частота без снижения режимов диода f max .
Статические параметры можно установить по вольт-амперной характеристике диода.
Время обратного восстановления диода t вос является основным параметром выпрямительных диодов, характеризующим их инерционные свойства. Оно определяется при переключении диода с заданного прямого тока I пр на заданное обратное напряжение U обр. Во время переключения напряжение на диоде приобретает обратное значение. Из-за инерционности диффузионного процесса ток в диоде прекращается не мгновенно, а в течении времени t нар. 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 . 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.
Принцип действия полупроводниковых приборов объясняется свойствами так называемого электронно-дырочного перехода (p-n - перехода) - зоной раздела областей полупроводника с разным механизмами проводимости.
Электронно-дырочный переход - это область полупроводника, в которой имеет место пространственное изменение типа проводимости (от электронной n-области к дырочной p-области). Поскольку в р-области электронно-дырочного перехода концентрация дырок гораздо выше, чем в n-области, дырки из n -области стремятся диффундировать в электронную область. Электроны диффундируют в р-область.
Для создания в исходном полупроводнике (обычно 4-валентном германии или кремнии) проводимости n- или p-типа в него добавляют атомы 5-валентной или 3-валентной примесей соответственно (фосфор, мышьяк или алюминий, индий и др.)
Атомы 5-валентной примеси (доноры) легко отдают один электрон в зону проводимости, создавая избыток электронов в полупроводнике, не занятых в образовании ковалентных связей; проводник приобретает проводимость n-типа. Введение же 3-валентной примеси (акцепторов) приводит к тому, что последняя, отбирая по одному электрону от атомов полупроводника для создания недостающей ковалентной связи, сообщает ему проводимость p-типа, так как образующиеся при этом дырки (вакантные энергетические уровни в валентной зоне) ведут себя в электрическом или магнитном полях как носители положительных зарядов. Дырки в полупроводнике р-типа и электроны в полупроводнике n-типа называются основными носителями в отличие от неосновных (электроны в полупроводнике р-типа и дырки в полупроводнике n-типа), которые генерируются из-за тепловых колебаний атомов кристаллической решетки.
Если полупроводники с разными типами проводимости привести в соприкосновение (контакт создается технологическим путем, но не механическим), то электроны в полупроводнике n-типа получают возможность занять свободные уровни в валентной зоне полупроводника р-типа. Произойдет рекомбинация электронов с дырками вблизи границы разнотипных полупроводников.
Этот процесс подобен диффузии свободных электронов из полупроводника n-типа в полупроводник р-типа и диффузии дырок в противоположном направлении. В результате ухода основных носителей заряда на границе разнотипных полупроводников создается обедненный подвижными носителями слой, в котором в n-области будут находиться положительные ионы донорных атомов; а в p- области - отрицательные ионы акцепторных атомов. Этот обедненный подвижными носителями слой протяженностью в доли микрона и является электронно-дырочным переходом.
Потенциальный барьер в p-n переходе.
Если к полупроводнику приложить электрическое напряжение, то в зависимости от полярности этого напряжения р-n-переход проявляет совершенно различные свойства.
Свойства p-n перехода при прямом включении.
Свойства p-n перехода при обратном включении.
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, кроме зависимости возникшего тока от внешней энергии, например, источника питания или фотонов света, которая используется в ряде полупроводниковых приборов, существует термогенерация. При этом концентрация собственных носителей заряда резко уменьшается, следовательно, и I ОБР тоже.Таким образом, если переход подвергнуть воздействию внешней энергии, то появляется пара свободных зарядов: электрон – дырка. Любой носитель заряда, рожденный в области объемного заряда p –n перехода, будет подхвачен электрическим полем E ВН и выброшен: электрон – в n –область, дырка – в p – область. Возникает электрический ток, который пропорционален ширине области объемного заряда. Это вызвано тем, что чем больше E ВН , тем шире область, где существует электрическое поле, в котором происходит рождение и разделение носителей зарядов. Как было сказано выше, скорость генерации носителей зарядов в полупроводнике зависит от концентрации и энергетического положения глубоких примесей, существующих в материале.
По этой же причине выше предельная рабочая температура полупроводника. Для германия она составляет 80º С, кремний: 150º С, арсенид галлия: 250º С (DE = 1,4 эВ). При большей температуре количество носителей заряда возрастает, сопротивление кристалла уменьшается, и полупроводник термически разрушается.
Вольт-амперная характеристика p-n перехода.
Вольт-амперная характеристика (ВАХ) является графической зависимостью протекающего через р-n переход тока от приложенного к нему внешнего напряжения I=f(U) . Вольт-амперная характеристика р-n перехода при прямом и обратном включении приведена ниже.
Она состоит из прямой
(0-А) и обратной
(0-В-С) ветвей; на вертикальной оси отложены значения прямого и обратного тока
, а на оси абсцисс - значения прямого и обратного напряжения
.
Напряжение от внешнего источника, подведенное к кристаллу с р-п переходом, практически полностью сосредотачивается на обедненном носителями переходе. В зависимости от полярности возможны два варианта включения постоянного напряжения - прямое и обратное .
При прямом включении (рис. справа - верх) внешнее электрическое поле направлено навстречу внутреннему и частично или полиостью ослабляет его, снижает высоту потенциального барьера (Rпр ). При обратном включении (рис. справа - низ) электрическое поле совпадает по направлению с полем р-п перехода и приводит к росту потенциального барьера (Rобр ).
ВАХ p-n перехода описывается аналитической функцией:
где
U - приложенное к переходу внешнее напряжение соответствующего знака;
Iо = Iт - обратный (тепловой) ток р-п перехода;
- температурный потенциал, где k - постоянная Больцмана, q - элементарный заряд (при T = 300К , 0,26 В ).
При прямом напряжении (U>0
) - экспоненциальный член быстро возрастает [
], единицей в скобках можно пренебречь и считать . При обратном напряжении (U<0
) экспоненциальный член стремится к нулю, и ток через переход практически равен обратному току; Ip-n = -Io
.
Вольт-амперная характеристика р-n-перехода показывает, что уже при сравнительно небольших прямых напряжениях сопротивление перехода падает, а прямой ток резко увеличивается.
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
). Соответствующий участок вольт-амперной характеристики изображен на рисунке справа (обратная ветвь). 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 Rдиф
оказывается отрицательным).
Пробой бывает лавинный, тунельный, тепловой. И туннельный и лавинный пробой принято называть электрическим пробоем .
Особое значение имеют контакты полупроводников с различными типами проводимости, так называемыми p-n-переходы. На их основе создаются полупроводниковые диоды, детекторы, термоэлементы, транзисторы.
На рисунке 41 изображена схема p-n-перехода.
На границе полупроводников p-n-типа образуется так называемый «запирающий слой», обладающий рядам замечательных свойств, которые и обеспечили широкое применение p-n-переходов в электронике.
Поскольку концентрация свободных электронов в полупроводнике n-типа очень высока, а в полупроводнике p-типа во много раз меньше, на границе происходит диффузия свободных электронов из области n в область p.
То же самое можно сказать и о дырках; они диффундируют наоборот из p в n.
Из-за этого в пограничной области (в «запирающем слое») происходит интенсивная рекомбинация электронно-дырочных пар, запирающий слой обедняется носителями тока, его сопротивление резко возрастает.
В результате диффузии по обе стороны от границы образуются объёмный положительный заряд в области n и объёмный отрицательный заряд в p-области.
Таким образом, в запирающем слое возникает электрическое поле с напряжённостью , силовые линии которого направлены от n к p, а значит, и контактная разность потенциалов 
, где d к – толщина запирающего слоя. На рисунке 37 изображён график распределения потенциала в p-n-переходе.
За нулевой потенциал принят потенциал границы p и n областей.
Следует заметить, что толщина запирающего слоя очень мала и на рис. 42 её масштаб для наглядности сильно искажён.
Величина контактного потенциала тем больше, чем больше концентрация основных носителей; при этом толщина запирающего слоя уменьшается. Например, для германия при средних значениях концентрации атомов примеси.
U к = 0,3 – 0,4 (В)
d к = 10 -6 – 10 -7 (м)
Контактное электрическое поле тормозит диффузию электронов из n в p и дырок из p в n и очень быстро в запирающем слое устанавливается динамическое равновесие между электронами и дырками, движущимися вследствие диффузии (ток диффузии) и движение их под действием контактного электрического поля в противоположную сторону (дрейфовый ток или ток проводимости).
В установившемся режиме ток диффузии равен и противоположен току проводимости, и так как в этих токах принимают участие и электроны и дырки, полный ток через запирающий слой равен нулю.
На рисунке 43 изображены графики распределения энергии свободных электронов и дырок в p-n-переходе.
Из графиков видно, что электронам из n области, чтобы попасть в p область, нужно преодолеть высокий потенциальный барьер. Следовательно, это доступно очень немногим из них, наиболее энергичным.
В тоже время электроны из p области свободно проходят в n область, загоняемые туда контактным полем (катятся в «яму»).
Но в n-области концентрация свободных электронов ничтожна и в установившемся режиме незначительное одинаковое количество электронов движется через границу в противоположных направлениях.
Аналогичные рассуждения можно привести о движении дырок через границу p-n-перехода. В результате при отсутствии внешнего электрического поля, полный ток через запирающий слой равен нулю.
К полупроводнику p-типа p-n-перехода подсоединим положительный полюс источника тока, а к полупроводнику n-типа – отрицательный, как это показано на рисунке 44.
Тогда электрическое поле в этой конструкции, направленное от полупроводника p-типа к полупроводнику n-типа, способствует направленному движению дырок и электронов через запирающий слой, что приводит к обогащению запирающего слоя основными носителями тока и, следовательно, к уменьшению его сопротивления. Диффузионные токи существенно превосходят токи проводимости как образованные электронами, так и дырками. Через p-n-переход течёт электрический ток, благодаря направленному движению основных носителей.
При этом величина контактного потенциала (потенциальный барьер) резко падает, т.к. внешнее поле направлено против контактного. Это означает, что для создания тока достаточно подключить к p-n-переходу внешнее напряжение порядка лишь нескольких десятых долей одного вольта.
Возникающий здесь ток называется прямым током . В полупроводнике p-типа прямой ток представляет собой направленное движение дырок в направлении внешнего поля, а в полупроводнике n-типа – свободных электронов в противоположном направлении. Во внешних проводах (металлических) движутся только электроны. Они перемещаются в направлении от минуса источника и компенсируют убыль электронов, уходящих через запирающий слой в область p. А из p электроны через металл уходят к + источника. Навстречу электронам «дырки» из p-области движутся через запирающий слой в n-область.
Распределение потенциала в этом случае изображена на рисунке 45а
Пунктиром показано распределение потенциала в p-n-переходе при отсутствии внешнего электрического поля. Изменение потенциала вне запирающего слоя пренебрежимо мало.
На рис. 45б изображено распределение электронов и дырок в условиях прямого тока.
Из рисунка 40б видно, что потенциальный барьер резко упал, и основным носителям тока электронам и дыркам легко проникнуть через запирающий слой в «чужие» для них области.
Теперь подключим положительный полюс к полупроводнику n-типа, а отрицательный к p-типа. Под действием такого обратного напряжения через p-n-переход протекает так называемый обратный ток .
В этом случае напряжённости внешнего электрического и контактного полей сонаправлены, следовательно, напряжённость результирующего поля увеличивается и увеличивается потенциальный барьер, который становится практически непреодолимым для проникновения основных носителей через запирающий слой, и токи диффузии прекращаются. Внешнее поле стремится, как бы отогнать дырки и электроны друг от друга, ширина запирающего слоя и его сопротивление увеличиваются. Через запирающий слой проходит только токи проводимости, то есть токи, вызванные направленным движением неосновных носителей. Но поскольку концентрация неосновных носителей много меньше, чем основных, этот обратный ток много меньше прямого тока.
На рисунке 45в изображено распределение потенциала в p-n-переходе в случае обратного тока.
Замечательное свойство p-n-перехода заключается в его односторонней проводимости.
При прямом направлении внешнего поля от p к n – ток большой, а сопротивление маленькое.
При обратном направлении ток маленький, а сопротивление большое.