يعتمد بقوة على تركيز الشوائب. أشباه الموصلات, الخصائص الكهربائيةالتي تعتمد على خلطات الآخرين العناصر الكيميائية، يتم استدعاؤهم أشباه الموصلات الشوائب. هناك نوعان من الشوائب: المانحة والمتقبلة.

الجهة المانحةتسمى شائبة، تعطي ذراتها إلكترونات حرة لأشباه الموصلات، وتكون الموصلية الكهربائية الناتجة المرتبطة بحركة الإلكترونات الحرة هي إلكتروني. يُطلق على أشباه الموصلات ذات الموصلية الإلكترونية اسم شبه الموصل الإلكتروني ويُشار إليه تقليديًا حرف لاتيني n هو الحرف الأول من كلمة "سلبي".

دعونا نفكر في عملية تكوين الموصلية الإلكترونية في أشباه الموصلات. لنأخذ السيليكون باعتباره المادة الرئيسية لأشباه الموصلات (أشباه الموصلات السيليكونية هي الأكثر شيوعًا). يحتوي السيليكون (Si) على أربعة إلكترونات في المدار الخارجي للذرة، والتي تحدد خواصها الكهربائية (أي أنها تتحرك تحت تأثير الجهد الكهربي، فإنها تولد التيار الكهربائي). عند إدخال ذرات شوائب الزرنيخ (As) في السيليكون، الذي يحتوي على خمسة إلكترونات في مداره الخارجي، تتفاعل أربعة إلكترونات مع أربعة إلكترونات من السيليكون، لتشكل الرابطة التساهميةويظل الإلكترون الخامس من الزرنيخ حرا. وفي ظل هذه الظروف، يتم فصله بسهولة عن الذرة ويكون قادرًا على التحرك في المادة.

متقبلهي شوائب تستقبل ذراتها الإلكترونات من ذرات شبه الموصل المضيف. تسمى الموصلية الكهربائية الناتجة المرتبطة بحركة الشحنات الموجبة - الثقوب موصلية الثقب. يُطلق على أشباه الموصلات ذات الموصلية الكهربائية الثقبية اسم أشباه الموصلات الثقبية ويُشار إليها تقليديًا بالحرف اللاتيني p - الحرف الأول من كلمة "إيجابي".

دعونا ننظر في عملية تشكيل موصلية الثقب. عندما يتم إدخال ذرات شوائب الإنديوم (In) في السيليكون، الذي يحتوي على ثلاثة إلكترونات في المدار الخارجي، فإنها تدخل في اتصال مع ثلاثة إلكترونات من السيليكون، ولكن يتبين أن هذا الاتصال غير مكتمل: حيث ينقص إلكترون آخر للاتصال بالإلكترون الرابع. إلكترون السيليكون. تكتسب ذرة الشوائب الإلكترون المفقود من إحدى الذرات القريبة من شبه الموصل المضيف، وبعد ذلك تصبح مرتبطة بجميع الذرات الأربع المجاورة. بفضل إضافة الإلكترون، فإنه يكتسب شحنة سالبة زائدة، أي أنه يتحول إلى أيون سالب. وفي الوقت نفسه، فإن ذرة أشباه الموصلات، التي ذهب منها الإلكترون الرابع إلى ذرة الشوائب، تبين أنها مرتبطة بالذرات المجاورة بثلاثة إلكترونات فقط. وبالتالي، تنشأ فائض من الشحنة الموجبة ويظهر رابطة غير مملوءة، أي فتحة.

واحد من خصائص مهمةشبه الموصل هو أنه إذا كان هناك ثقوب، فيمكن أن يمر التيار من خلاله حتى لو لم يكن هناك إلكترونات حرة فيه. ويفسر ذلك قدرة الثقوب على الانتقال من ذرة شبه موصلة إلى أخرى.

حركة "الثقوب" في أشباه الموصلات

من خلال إدخال شوائب مانحة في جزء من شبه الموصل وشوائب مستقبلة في جزء آخر، من الممكن الحصول على مناطق بها موصلية إلكترون وثقب. عند الحدود بين مناطق الإلكترون وموصلية الثقب، ما يسمى انتقال ثقب الإلكترون.

تقاطع P-N

دعونا نفكر في العمليات التي تحدث عندما يمر التيار انتقال ثقب الإلكترون. الطبقة اليسرى، المسمى n، لديها الموصلية الإلكترونية. يرتبط التيار الموجود فيه بحركة الإلكترونات الحرة، والتي يُشار إليها تقليديًا بدوائر بعلامة الطرح. الطبقة اليمنى، المعينة p، لديها موصلية ثقب. يرتبط التيار في هذه الطبقة بحركة الثقوب المشار إليها في الشكل بدوائر بعلامة "زائد".

حركة الإلكترونات والثقوب في وضع التوصيل المباشر

حركة الإلكترونات والثقوب في وضع التوصيل العكسي.

عندما تتلامس أشباه الموصلات مع أنواع مختلفةتوصيل الإلكترونات بسبب انتشارسيبدأ بالانتقال إلى المنطقة p، والثقوب - إلى المنطقة n، ونتيجة لذلك طبقة الحدودالمنطقة n مشحونة بشكل إيجابي، والطبقة الحدودية للمنطقة p مشحونة سالبًا. ينشأ مجال كهربائي بين المناطق، والذي يعمل كحاجز أمام ناقلات التيار الرئيسية، مما يؤدي إلى تشكيل منطقة ذات تركيز شحنة منخفض في تقاطع p-n. يسمى المجال الكهربائي في الوصلة pn بحاجز محتمل، ويسمى الوصلة pn بطبقة الحظر. إذا كان الاتجاه الخارجي المجال الكهربائيالاتجاه المعاكس حقول ب نالانتقال ("+" في المنطقة p، "-" في المنطقة n)، ثم يتناقص الحاجز المحتمل، ويزداد تركيز الشحنات في الوصلة p-n، وينخفض ​​العرض، وبالتالي مقاومة الوصلة. عندما تتغير قطبية المصدر، يتزامن المجال الكهربائي الخارجي مع اتجاه مجال الوصلة pn، ويزداد عرض الوصلة ومقاومتها. ولذلك، فإن تقاطع pn له خصائص البوابة.

ديود أشباه الموصلات

الصمام الثنائييسمى جهاز تحويل أشباه الموصلات الكهربائية مع واحد أو أكثر من تقاطعات p-n ومحطتين. اعتمادًا على الغرض الرئيسي والظاهرة المستخدمة في تقاطع p-n، هناك العديد من الأغراض الرئيسية أنواع وظيفيةثنائيات أشباه الموصلات: مقوم، عالي التردد، نبض، نفق، ثنائيات زينر، متغيرات.

أساسي خصائص الثنائيات أشباه الموصلاتهي خاصية الجهد الحالي (VAC). لكل نوع من صمامات ثنائيات أشباه الموصلات، فإن خاصية جهد التيار لها شكلها الخاص، ولكنها جميعها تعتمد على خاصية جهد التيار لصمام ثنائي مقوم مستو، والذي له الشكل:

خاصية الجهد الحالي (CVC) للصمام الثنائي: 1 - خاصية الجهد الحالي المباشر ؛ 2 - خاصية الجهد الحالي العكسي. 3 - منطقة الانهيار؛ 4 - تقريب مستقيم لخاصية الجهد الحالي المباشر؛ أعلى - عتبة الجهد؛ ردين - المقاومة الديناميكية؛ Uprob - انهيار الجهد

مقياس المحور Y لـ القيم السلبيةالتيارات المختارة أكبر بعدة مرات من التيارات الإيجابية.

تمر خصائص الجهد الحالي للثنائيات عبر الصفر، ولكن يظهر تيار ملحوظ بما فيه الكفاية فقط عندما عتبة الجهد(مسام U)، والذي يساوي بالنسبة لثنائيات الجرمانيوم 0.1 - 0.2 فولت، وبالنسبة لثنائيات السيليكون يساوي 0.5 - 0.6 فولت. في منطقة قيم الجهد السالب على الصمام الثنائي، عند الفولتية المنخفضة نسبيًا بالفعل ( يو آر ) ينشأ التيار العكسي(وصلت). يتم إنشاء هذا التيار بواسطة ناقلات الأقلية: إلكترونات المنطقة p وثقوب المنطقة n، والتي يتم تسهيل انتقالها من منطقة إلى أخرى عن طريق حاجز محتمل بالقرب من الواجهة. مع زيادة الجهد العكسي، لا يزيد التيار، نظرًا لأن عدد الموجات الحاملة الأقلية التي تظهر عند حدود الانتقال لكل وحدة زمنية لا يعتمد على الجهد المطبق خارجيًا، إلا إذا كان مرتفعًا جدًا. التيار العكسي لثنائيات السيليكون هو عدة مرات أقل من الثنائيات الجرمانيوم. مزيد من الزيادة في الجهد العكسي ل انهيار الجهد(عينات U) تؤدي إلى انتقال الإلكترونات من نطاق التكافؤ إلى نطاق التوصيل، و أ تأثير زينر. في هذه الحالة، يزيد التيار العكسي بشكل حاد، مما يؤدي إلى تسخين الصمام الثنائي وزيادة أخرى في التيار تؤدي إلى الانهيار الحراري وتدمير تقاطع p-n.

تعيين وتحديد المعلمات الكهربائية الرئيسية للثنائيات

تعيين الصمام الثنائي لأشباه الموصلات

كما ذكرنا سابقًا، يوصل الصمام الثنائي التيار في اتجاه واحد (أي أنه مثالي مجرد موصل ذو مقاومة منخفضة)، وفي الاتجاه الآخر لا يفعل ذلك (أي يتحول إلى موصل ذو مقاومة عالية جدًا)، باختصار لقد الموصلية في اتجاه واحد. وبناء على ذلك، فإنه لديه استنتاجين فقط. كما جرت العادة منذ زمن تكنولوجيا المصابيح، يطلق عليهم الأنود(الناتج الإيجابي) و الكاثود(سلبي).

يمكن تقسيم جميع الثنائيات أشباه الموصلات إلى مجموعتين: المعدل والخاصة. الثنائيات المعدل، كما يوحي الاسم، مخصصة للاستقامة تكييف. حسب التردد والشكل جهد التيار المترددوهي مقسمة إلى عالية التردد ومنخفضة التردد والنبض. خاصتستخدم أنواع ثنائيات أشباه الموصلات خصائص مختلفة لوصلات p-n؛ ظاهرة الانهيار، حاجز السعة، وجود مناطق ذات مقاومة سلبية، الخ.

الثنائيات المعدل

من الناحية الهيكلية، تنقسم الثنائيات المعدلة إلى ثنائيات مستوية ونقطية، ووفقًا لتكنولوجيا التصنيع إلى سبائك، وانتشار، وفوق محوري. الثنائيات المستوية بفضل مساحة كبيرةيتم استخدام تقاطعات pn للتصحيح التيارات العالية. الثنائيات نقطة لديها منطقة صغيرةالانتقال، وبالتالي، يهدف إلى استقامة التيارات المنخفضة. لزيادة جهد انهيار الانهيار الجليدي، يتم استخدام أعمدة المعدل، التي تتكون من سلسلة من الثنائيات المتصلة على التوالي.

الثنائيات المعدل قوة عاليةمُسَمًّى بالقوة. عادة ما تكون المادة المستخدمة في صناعة هذه الثنائيات عبارة عن السيليكون أو زرنيخيد الغاليوم. تستخدم الثنائيات المصنوعة من سبائك السيليكون لتصحيح التيار المتردد بتردد يصل إلى 5 كيلو هرتز. السيليكون الثنائيات الانتشاريمكن أن تعمل على ترددات أعلى تصل إلى 100 كيلو هرتز. يمكن استخدام ثنائيات السيليكون الفوقي ذات الركيزة المعدنية (مع حاجز شوتكي) بترددات تصل إلى 500 كيلو هرتز. الثنائيات زرنيخيد الغاليوم قادرة على العمل في نطاق تردد يصل إلى عدة ميغاهيرتز.

تتميز ثنائيات الطاقة عادةً بمجموعة من المعلمات الثابتة والديناميكية. ل المعلمات الثابتةالثنائيات تشمل:

• انخفاض الجهد U pr على الصمام الثنائي عند قيمة معينة للتيار الأمامي ؛
• التيار العكسيأنا أراجع قيمة معينة من الجهد العكسي.
• متوسط ​​القيمة التيار المباشرأنا العلاقات العامة. ;
• نبض الجهد العكسييو آر.أنا. ;

ل المعلمات الديناميكيةيشمل الصمام الثنائي خصائصه الزمنية والترددية. تشمل هذه المعلمات:

• وقت التعافيالجهد العكسي
• وقت الارتفاعالتيار المباشر أنا في الهواء الطلق ;
• تردد الحددون تقليل أوضاع الصمام الثنائي f كحد أقصى.

يمكن ضبط المعلمات الثابتة باستخدام خاصية الجهد الحالي للصمام الثنائي.

إن وقت الاسترداد العكسي للديود هو المعلمة الرئيسية لثنائيات المقوم، التي تميز خصائصها بالقصور الذاتي. يتم تحديده عندما يتحول الصمام الثنائي من تيار أمامي معين I pr إلى جهد عكسي معين U arr. أثناء التبديل، يصبح الجهد عبر الصمام الثنائي معكوسًا. بسبب القصور الذاتي لعملية الانتشار، لا يتوقف التيار في الصمام الثنائي على الفور، ولكن مع مرور الوقت، يتغير. بشكل أساسي، يحدث ارتشاف الشحنة عند حدود الوصلة p-n (أي تفريغ السعة المكافئة). ويترتب على ذلك أن فقدان الطاقة في الصمام الثنائي يزداد بشكل حاد عند تشغيله، خاصة عند إيقاف تشغيله. لذلك، خسائر الصمام الثنائيزيادة مع زيادة وتيرة الجهد المعدل.

عندما تتغير درجة حرارة الصمام الثنائي، تتغير معلماته. يعتمد الجهد الأمامي على الصمام الثنائي والتيار العكسي بقوة على درجة الحرارة. يمكننا أن نفترض تقريبًا أن TKN ( معامل درجة الحرارةالجهد) أعلى = -2 مللي فولت/ك، والتيار العكسي للدايود له معامل إيجابي. لذلك، مع كل زيادة بمقدار 10 درجات مئوية في درجة الحرارة، يزيد التيار العكسي لثنائيات الجرمانيوم بمقدار مرتين، ولثنائيات السيليكون بمقدار 2.5 مرة.

الثنائيات حاجز شوتكي

يتم استخدامها على نطاق واسع لتصحيح الفولتية المنخفضة ذات التردد العالي. الثنائيات حاجز شوتكي. تستخدم هذه الثنائيات التلامس السطحي المعدني بدلاً من الوصلة pn. عند نقطة التلامس، تظهر طبقات أشباه الموصلات المستنفدة من حاملات الشحنة، والتي تسمى طبقات البوابة. تختلف الثنائيات ذات حاجز شوتكي عن الثنائيات ذات الوصلة pn في المعلمات التالية:

• أكثر منخفضة على التواليانخفاض الجهد
• لديك المزيد عكس منخفضالجهد االكهربى؛
• أكثر تيار عاليالتسريبات.
• بشكل كامل تقريبًا لا تهمةالانتعاش العكسي.

هناك خاصيتان رئيسيتان تجعلان هذه الثنائيات لا غنى عنها: انخفاض الجهد الأمامي المنخفض ووقت استرداد الجهد العكسي القصير. بالإضافة إلى ذلك، فإن غياب الوسائط غير الأساسية التي تتطلب وقتًا للتعافي يعني ماديًا لا خسائرلتبديل الصمام الثنائي نفسه.

يبلغ الحد الأقصى للجهد لثنائيات شوتكي الحديثة حوالي 1200 فولت. عند هذا الجهد، يكون الجهد الأمامي لثنائي شوتكي أقل بمقدار 0.2...0.3 فولت من الجهد الأمامي لثنائيات الوصلة p-n.

تصبح مزايا صمام ثنائي شوتكي ملحوظة بشكل خاص عند تصحيح الفولتية المنخفضة. على سبيل المثال، يحتوي صمام ثنائي شوتكي 45 فولت على جهد أمامي قدره 0.4...0.6 فولت، وعند نفس التيار، يكون لصمام ثنائي الوصلة p-n انخفاض في الجهد قدره 0.5...1.0 فولت. عندما ينخفض ​​الجهد العكسي إلى 15 فولت ، ينخفض ​​الجهد الأمامي إلى 0.3...0.4 فولت. في المتوسط، يمكن أن يؤدي استخدام صمامات شوتكي الثنائية في المقوم إلى تقليل الخسائر بنسبة 10...15٪ تقريبًا. الحد الأقصى لتردد التشغيل لثنائيات شوتكي يتجاوز 200 كيلو هرتز.

النظرية جيدة، ولكن من دون التطبيق العمليهذه مجرد كلمات.

الوصلة pn هي منطقة رقيقة تتشكل حيث يتلامس اثنان من أشباه الموصلات. أنواع مختلفةالموصلية. كل من هذه أشباه الموصلات محايدة كهربائيا. الشرط الرئيسي هو أن حاملات الشحنة الرئيسية في أحد أشباه الموصلات هي الإلكترونات وفي الآخر عبارة عن ثقوب.

عندما تتلامس أشباه الموصلات هذه، نتيجة لانتشار الشحنة، يدخل ثقب من المنطقة p إلى المنطقة n. ويتحد فورًا مع أحد الإلكترونات الموجودة في هذه المنطقة. ونتيجة لذلك، تظهر شحنة موجبة زائدة في المنطقة n. وفي المنطقة p توجد شحنة سالبة زائدة.

وبنفس الطريقة، يدخل أحد الإلكترونات من المنطقة n إلى المنطقة p، حيث يتحد مرة أخرى مع أقرب ثقب. وهذا يؤدي أيضًا إلى تكوين رسوم زائدة. إيجابية في المنطقة n وسالبة في المنطقة p.

ونتيجة للانتشار، تمتلئ المنطقة الحدودية بالشحنات التي تخلق مجالًا كهربائيًا. سيتم توجيهه بطريقة تؤدي إلى صد الثقوب الموجودة في المنطقة p من الواجهة. وسيتم أيضًا صد الإلكترونات من المنطقة n من هذه الحدود.

وبعبارة أخرى، يتم تشكيل حاجز الطاقة عند السطح البيني بين اثنين من أشباه الموصلات. للتغلب عليها، يجب أن يمتلك الإلكترون الموجود في المنطقة n طاقة أكبر من طاقة الحاجز. تمامًا مثل الفتحة من منطقة p.

جنبا إلى جنب مع حركة حاملات الشحنة الأغلبية في مثل هذا التحول، هناك أيضا حركة حاملات الشحنة الأقلية. هذه ثقوب من المنطقة n وإلكترونات من المنطقة p. ينتقلون أيضًا إلى المنطقة المقابلة خلال عملية الانتقال. على الرغم من أن المجال الناتج يساهم في ذلك، إلا أن التيار الناتج لا يكاد يذكر. نظرًا لأن عدد ناقلات شحن الأقلية صغير جدًا.

إذا تم توصيل فرق جهد خارجي بوصلة pn في الاتجاه الأمامي، أي أنه يتم توفير إمكانات عالية للمنطقة p، وإمكانات منخفضة للمنطقة n. وهذا المجال الخارجي سيؤدي إلى انخفاض في المجال الداخلي. وبالتالي، فإن طاقة الحاجز ستنخفض، ويمكن لحاملات الشحنة الأكبر أن تتحرك بسهولة عبر أشباه الموصلات. وبعبارة أخرى، فإن كلا من الثقوب من المنطقة p والإلكترونات من المنطقة n سوف تتحرك نحو الواجهة. ستتكثف عملية إعادة التركيب وسيزداد تيار حاملات الشحن الرئيسية.

الشكل 1 - تقاطع pn، متحيز للأمام

إذا تم تطبيق فرق الجهد في الاتجاه المعاكس، أي أن الجهد منخفض في المنطقة p، ومرتفع في المنطقة n. سيضيف هذا المجال الكهربائي الخارجي إلى المجال الداخلي. وبناءً على ذلك، ستزداد طاقة الحاجز، مما يمنع غالبية حاملات الشحنة من التحرك خلال الفترة الانتقالية. بمعنى آخر، ستنتقل الإلكترونات من المنطقة n والثقوب من المنطقة p من الانتقال إلى الأطراف الخارجيةأشباه الموصلات. وفي منطقة الوصلة pn لن يكون هناك ببساطة حاملات شحن رئيسية توفر التيار.

الشكل 2 - تقاطع pn، متحيز عكسيًا

إذا كان فرق الجهد العكسي مرتفعًا بشكل مفرط، فستزداد شدة المجال في منطقة الوصلة حتى يحدث الانهيار الكهربائي. أي أن الإلكترون الذي يتم تسريعه بواسطة مجال ما لن يدمر رابطة تساهمية ولن يطرد إلكترونًا آخر، وهكذا.

تقاطع p-n (pe-en) هو منطقة من الفضاء عند تقاطع اثنين من أشباه الموصلات من النوع p و n، حيث يحدث الانتقال من نوع واحد من الموصلية إلى نوع آخر، ويسمى هذا الانتقال أيضًا بانتقال ثقب الإلكترون.

هناك نوعان من أشباه الموصلات: نوع p وn. في النوع n، حاملات الشحنة الرئيسية هي الإلكترونات ، وفي النوع p تكون العناصر الرئيسية مشحونة بشكل إيجابي الثقوب. يظهر ثقب موجب بعد إزالة الإلكترون من الذرة ويتكون ثقب موجب مكانه.

لفهم كيفية عمل تقاطع p-n، تحتاج إلى دراسة مكوناته، أي أشباه الموصلات من النوع p والنوع n.

يتم تصنيع أشباه الموصلات من النوع P و n على أساس السيليكون أحادي البلورية، الذي يحتوي على نسبة عالية جدًا من درجة عاليةالنقاء، وبالتالي فإن أدنى الشوائب (أقل من 0.001٪) تغير خصائصها الكهربائية بشكل كبير.

في أشباه الموصلات من النوع n، تكون حاملات الشحنة الرئيسية هي الإلكترونات . للحصول عليها يستخدمونها الشوائب المانحة والتي يتم إدخالها في السيليكون،- الفوسفور والأنتيمون والزرنيخ.

في أشباه الموصلات من النوع p، تكون حاملات الشحنة الرئيسية مشحونة بشكل إيجابي الثقوب . للحصول عليها يستخدمونها الشوائب المتقبلة — الألومنيوم والبورون

أشباه الموصلات من النوع n (الموصلية الإلكترونية)

عادة ما تحل ذرة الفوسفور الشائبة محل الذرة الرئيسية في مواقع الشبكة البلورية. في هذه الحالة، تتلامس إلكترونات التكافؤ الأربعة لذرة الفوسفور مع إلكترونات التكافؤ الأربعة لذرات السيليكون الأربع المجاورة، لتشكل غلافًا مستقرًا مكونًا من ثمانية إلكترونات. تبين أن إلكترون التكافؤ الخامس لذرة الفوسفور مرتبط بشكل ضعيف بذرته وتحت التأثير القوى الخارجية(الاهتزازات الحرارية للشبكة، المجال الكهربائي الخارجي) تصبح حرة بسهولة، مما يخلق زيادة تركيز الإلكترونات الحرة . تكتسب البلورة موصلية إلكترونية أو من النوع n . في هذه الحالة، تكون ذرة الفوسفور، الخالية من الإلكترون، مرتبطة بشكل صارم شعرية الكريستالالسيليكون له شحنة موجبة، والإلكترون متحرك شحنة سلبية. وفي حالة عدم وجود قوى خارجية فإنها تعوض بعضها البعض، أي في السيليكون نوع نيتم تحديد عدد إلكترونات التوصيل الحرعدد ذرات الشوائب المانحة المقدمة.

أشباه الموصلات من النوع p (موصلية الثقب)

لا يمكن لذرة الألومنيوم، التي تحتوي على ثلاثة إلكترونات تكافؤ فقط، أن تخلق بشكل مستقل غلافًا مستقرًا من ثمانية إلكترونات مع ذرات السيليكون المجاورة، لأنها تحتاج إلى إلكترون آخر، والتي تأخذها من إحدى ذرات السيليكون الموجودة في مكان قريب. تحتوي ذرة السيليكون، الخالية من الإلكترون، على شحنة موجبة، وبما أنها تستطيع التقاط إلكترون من ذرة السيليكون المجاورة، فيمكن اعتبارها متحركة شحنة موجبة، غير متصلة بالشبكة البلورية، تسمى الثقب. تصبح ذرة الألومنيوم التي استحوذت على إلكترون مركزًا سالب الشحنة، مرتبطًا بشكل صارم بالشبكة البلورية. ترجع الموصلية الكهربائية لمثل هذا النوع من أشباه الموصلات إلى حركة الثقوب، ولهذا السبب يطلق عليه اسم أشباه الموصلات ذات الثقب من النوع p. يتوافق تركيز الثقب مع عدد ذرات الشوائب المقبولة المدخلة.

تقاطع P-N- النقطة الموجودة في جهاز شبه موصل حيث تتلامس المادة من النوع N والمواد من النوع P مع بعضهما البعض. يُشار عادةً إلى المادة من النوع N على أنها جزء الكاثود من أشباه الموصلات، والمادة من النوع P هي الجزء الأنودي.

عند حدوث اتصال بين هاتين المادتين، تتدفق الإلكترونات من المادة من النوع n إلى المادة من النوع p وتتصل بالثقوب الموجودة فيها. وهناك مساحة صغيرة على كل جانب من خط الاتصال الفيزيائي بين هذه المواد تكاد تكون خالية من الإلكترونات والثقوب. تسمى هذه المنطقة في جهاز أشباه الموصلات بمنطقة النضوب.

تعد منطقة الاستنفاد هذه عنصرًا أساسيًا في تشغيل أي جهاز يحتوي على وصلة P-N. يحدد عرض منطقة الاستنفاد هذه مقاومة تدفق التيار عبر تقاطع PN، وبالتالي فإن مقاومة الجهاز الذي يحتوي على تقاطع PN تعتمد على حجم منطقة الاستنفاد هذه. يمكن أن يتغير عرضه عندما يمر أي جهد عبر تقاطع P-N. اعتمادا على قطبية التطبيقية المحتملة P-Nيمكن أن يكون التقاطع متحيزًا للأمام أو متحيزًا للخلف. عرض منطقة النضوب، أو المقاومة جهاز أشباه الموصلات، يعتمد على كل من القطبية وحجم جهد التحيز المطبق.

عندما يكون تقاطع PN مباشرًا (مع انحياز أمامي)، يتم تطبيق جهد إيجابي على القطب الموجب، وتطبيق جهد سلبي على الكاثود. نتيجة هذه العملية هو تضييق منطقة النضوب، مما يقلل من مقاومة تدفق التيار من خلال تقاطع PN.

إذا زادت الإمكانات، فسوف تستمر منطقة النضوب في الانخفاض، وبالتالي تقليل مقاومة تدفق التيار. في النهاية، إذا كان الجهد المطبق مرتفعًا بدرجة كافية، فإن منطقة النضوب سوف تضيق إلى نقطة الحد الأدنى من المقاومة وسوف يتدفق الحد الأقصى للتيار عبر تقاطع P-N، ومعه عبر الجهاز بأكمله. عندما تكون الوصلة P-N منحازة للأمام بشكل مناسب، فإنها توفر الحد الأدنى من المقاومة لتدفق التيار عبرها.

عندما يكون تقاطع PN معكوسًا (منحازًا عكسيًا)، يتم تطبيق جهد سلبي على القطب الموجب، وتطبيق جهد إيجابي على الكاثود.

يؤدي هذا إلى توسيع منطقة النضوب، مما يؤدي إلى زيادة مقاومة تدفق التيار. عندما يكون الوصلة PN منحازة عكسيًا، تكون هناك مقاومة قصوى لتدفق التيار ويعمل الوصل بشكل أساسي كدائرة مفتوحة.

عند معين قيمة حرجةجهد التحيز العكسي، يتم التغلب على مقاومة تدفق التيار الذي يحدث في منطقة النضوب وتحدث زيادة سريعة في التيار. تسمى قيمة جهد التحيز العكسي الذي يزداد عنده التيار بسرعة بجهد الانهيار.

تقاطع P-n وخصائصه

في تقاطع p-n، يمكن أن يكون تركيز حاملات الشحنة الأغلبية في منطقتي p- وn متساويًا أو مختلفًا بشكل كبير. في الحالة الأولى، يسمى تقاطع P-N متماثل، في الحالة الثانية - غير متماثل. يتم استخدام التحولات غير المتماثلة في كثير من الأحيان.

دع تركيز شوائب المستقبل في المنطقة p يكون أكبر من تركيز شوائب المتبرع في المنطقة n (الشكل 1.1 أ). وعليه فإن تركيز الثقوب (الدوائر المفتوحة) في المنطقة p سيكون أكبر من تركيز الإلكترونات (الدوائر السوداء) في المنطقة n.

نظرًا لانتشار الثقوب من المنطقة p والإلكترونات من المنطقة n، فإنها تميل إلى التوزيع بالتساوي في جميع أنحاء الحجم بأكمله. إذا كانت الإلكترونات والثقوب محايدة، فإن الانتشار سيؤدي في النهاية إلى معادلة كاملة لتركيزها في كامل حجم البلورة. ومع ذلك، هذا لا يحدث. تتحد الثقوب، التي تنتقل من المنطقة p إلى المنطقة n، مع جزء من الإلكترونات التابعة لذرات الشوائب المانحة. ونتيجة لذلك، فإن الأيونات الموجبة الشحنة من الشوائب المانحة المتبقية بدون إلكترونات تشكل طبقة حدودية ذات شحنة موجبة. وفي الوقت نفسه، يؤدي خروج هذه الثقوب من المنطقة p إلى حقيقة أن ذرات الشوائب المستقبلة، التي استولت على إلكترون مجاور، تشكل شحنة سالبة غير معوضة من الأيونات في المنطقة القريبة من الحدود. وبالمثل، تحدث حركة انتشار الإلكترونات من المنطقة n إلى المنطقة p، مما يؤدي إلى نفس التأثير.

الشكل 1.1. هيكل P-N: أ- حالة التوازن. ب- مع الجهد الخارجي المباشر. ج - مع الجهد الخارجي العكسي. ل-عرض تقاطع p-n

ونتيجة لذلك، يتم تشكيل طبقة حدودية ضيقة تبلغ جزءًا من الميكرون عند الحد الفاصل بين المنطقة n والمنطقة p ل، أحد جانبيه مشحون بشحنة سالبة (منطقة p) والآخر مشحون بشحنة موجبة (منطقة n).

يسمى فرق الجهد الناتج عن الشحنات الحدودية الاتصال بفرق الجهد U(الشكل 1.1،أ) أو حاجز محتملوالتي لا تستطيع الناقلات التغلب عليها. يتم صد الثقوب التي تقترب من الحدود من المنطقة p بواسطة شحنة موجبة، ويتم صد الإلكترونات التي تقترب من المنطقة n بواسطة شحنة سالبة. يتوافق فرق جهد التلامس U مع مجال كهربائي شدته E. وبالتالي، فإن تقاطع p-n بعرض ل، وهي طبقة من أشباه الموصلات ذات محتوى ناقل منخفض - ما يسمى بطبقة النضوب، والتي تحتوي على نسبة عالية نسبيًا المقاومة الكهربائيةر.

تتغير خصائص بنية p-n إذا تم تطبيق جهد خارجي U عليها، وإذا كان الجهد الخارجي معاكسًا في الإشارة، فإن فرق جهد الاتصال والتوتر المجال الخارجي E pr هو عكس E (الشكل 1.1، ب)، ثم ثقوب المنطقة p، مما يدفع بعيدًا عن الإمكانات الإيجابية المطبقة مصدر خارجي، الاقتراب من الحدود بين المناطق، والتعويض عن تهمة الجزء الأيونات السالبةوتضييق عرض تقاطع p-n من المنطقة p. وبالمثل، فإن إلكترونات المنطقة n، التي تتنافر مع الإمكانات السلبية لمصدر خارجي، تعوض شحنة بعض الأيونات الموجبة وتضيق عرض الوصلة p-n على جانب المنطقة n. يضيق الحاجز المحتمل، وتبدأ الثقوب من المنطقة p والإلكترونات من المنطقة n في اختراقه، ويبدأ التيار بالتدفق عبر تقاطع p-n.

مع زيادة الجهد الخارجي، يزداد التيار إلى أجل غير مسمى، حيث يتم إنشاؤه بواسطة الناقلات الرئيسية، والتي يتم تجديد تركيزها باستمرار بمصدر للجهد الخارجي.

قطبية الجهد الخارجي مما يؤدي إلى الانخفاض حاجز محتمل، يسمى المباشر والفتح والتيار الناتج عنه يسمى المباشر. عند تطبيق مثل هذا الجهد، يكون الوصلة p-n مفتوحة وتكون مقاومتها R<

إذا تم تطبيق جهد القطبية العكسية U arr على بنية p-n (الشكل 1.1ج)، فإن التأثير سيكون عكس ذلك. يتطابق المجال الكهربائي ذو الشدة E arr في الاتجاه مع المجال الكهربائي E للوصلة p-n. تحت تأثير المجال الكهربائي للمصدر، يتم تحويل الثقوب الموجودة في المنطقة p إلى الإمكانات السلبية للجهد الخارجي، ويتم تحويل الإلكترونات الموجودة في المنطقة n إلى الإمكانات الإيجابية. وبالتالي، يتم نقل معظم حاملات الشحنة بعيدًا عن الحدود بواسطة المجال الخارجي، مما يزيد من عرض الوصلة pn، والتي يتبين أنها تقريبًا حاملات شحن مجانية. تزداد المقاومة الكهربائية للوصلة pn. تسمى قطبية الجهد الخارجي هذه بالحجب العكسي. عند تطبيق مثل هذا الجهد، يتم إغلاق الوصلة p-n وتكون مقاومتها R arr >>R.

ومع ذلك، مع الجهد العكسي، لوحظ تدفق تيار صغير. هذا التيار، على عكس التيار المباشر، لا يتم تحديده عن طريق حاملات الشوائب، ولكن عن طريق الموصلية الجوهرية، التي تتشكل نتيجة لتوليد أزواج "ثقب الإلكترون الحر" تحت تأثير درجة الحرارة. هذه الوسائط موضحة في الشكل. 1.1، إلى إلكترون واحد في المنطقة p وثقب واحد في المنطقة n. القيمة الحالية العكسية مستقلة عمليا عن الجهد الخارجي. يتم تفسير ذلك من خلال حقيقة أنه لكل وحدة زمنية، يظل عدد أزواج ثقب الإلكترون المتولدة عند درجة حرارة ثابتة ثابتًا، وحتى عند جزء من فولت، تشارك جميع الموجات الحاملة في إنشاء تيار عكسي.

عندما يتم تطبيق جهد عكسي، يتم تشبيه الوصلة p-n بالمكثف، حيث تكون صفائحه عبارة عن مناطق p- و n مفصولة بعازل كهربائي. يتم تنفيذ دور العازل من قبل المنطقة الحدودية، وهي ناقلات مجانية تقريبًا. تسمى سعة الوصلة pn هذه حاجز. كلما كان عرض الوصلة pn أصغر وكلما كانت مساحتها أكبر، كلما كانت أكبر.

يتميز مبدأ تشغيل الوصلة pn بخصائص الجهد الحالي. يوضح الشكل 1.2 خصائص الجهد الحالي الكاملة لوصلات p-n المفتوحة والمغلقة.

كما يمكن أن نرى، هذه الخاصية هي في الأساس غير خطية. في الموقع 1 E pr< Е и прямой ток мал. На участке 2 Е пр >E، لا توجد طبقة حجب، يتم تحديد التيار فقط من خلال مقاومة أشباه الموصلات. في القسم 3، تمنع طبقة الحجب حركة حاملات الأغلبية، ويتم تحديد تيار صغير من خلال حركة حاملات الشحنة الأقلية. يرجع انقطاع خاصية الجهد الحالي عند أصل الإحداثيات إلى مقاييس مختلفة للتيار والجهد عند الاتجاه المباشر و اتجاهات عكسيةالجهد المطبق على تقاطع pn. وأخيرًا، في القسم 4 عند عينات U arr =U، يحدث انهيار في الوصلة p-n ويزداد التيار العكسي بسرعة. ويرجع ذلك إلى حقيقة أنه عند التحرك عبر تقاطع p-n تحت تأثير المجال الكهربائي، تكتسب ناقلات الشحنة الأقلية طاقة كافية لتأين ذرات أشباه الموصلات. في التقاطع، يبدأ تكاثر حاملات الشحنة - الإلكترونات والثقوب - على شكل انهيار جليدي، مما يؤدي إلى زيادة حادة في التيار العكسي من خلال تقاطع p-n بجهد عكسي ثابت تقريبًا. ويسمى هذا النوع من الانهيار الكهربائي انهيار جليديوعادة ما يتطور في تقاطعات pn واسعة نسبيًا والتي تتشكل في أشباه الموصلات المخدرة بخفة.

في أشباه الموصلات المخدرة بشدة، يكون عرض طبقة الحظر أصغر، مما يمنع حدوث انهيار جليدي، نظرًا لأن الناقلات المتحركة لا تكتسب طاقة كافية لتأين التأثير. وفي الوقت نفسه قد يكون هناك انهيار كهربائيتقاطع p-n، عندما يتم الوصول إلى جهد المجال الكهربائي الحرج في تقاطع p-n، تظهر أزواج حاملة ثقب الإلكترون بسبب طاقة المجال، وينشأ تيار تقاطع عكسي بشكل ملحوظ.

يتميز الانهيار الكهربائي بقابلية الانعكاس، والتي تتمثل في حقيقة أن الخصائص الأولية للوصلة p-n يتم استعادتها بالكامل،إذا قمت بتقليل الجهد عند تقاطع p-n. وبسبب هذا الانهيار الكهربائي يتم استخدامه كوضع تشغيل في الثنائيات شبه الموصلة.

إذا زادت درجة حرارة تقاطع pn نتيجة لتسخينه عن طريق التيار العكسي وإزالة الحرارة غير الكافية، فإن عملية توليد أزواج من حاملات الشحنة تتكثف. وهذا بدوره يؤدي إلى زيادة أخرى في التيار (القسم 5 من الشكل 1.2) وتسخين الوصلة p-n، مما قد يتسبب في تدمير الوصلة. هذه العملية تسمى الانهيار الحراري.الانهيار الحراري يدمر تقاطع pn.