п-н-преход(n - отрицателен - отрицателен, електронен, p - положителен - положителен, дупка), или електрон-дупков преход - вид хомопреход, Зона p-nпреходнарича област на полупроводник, в която има пространствена промяна в вида на проводимостта от електронен ндо дупката стр.
Преход електрон-дупка може да бъде създаден по различни начини:
- в обема на същия полупроводников материал, легиран в една част с донорен примес ( н-регион), а в другия - акцептор ( стр-регион);
- на границата на два различни полупроводника с различен тип проводимост.
Ако п-н- преходът се получава чрез сливане на примеси в монокристален полупроводник, след това преходът от н- Да се Р-област възниква рязко (рязък преход). Ако се използва дифузия на примеси, се образува плавен преход.
Енергийна диаграма п-н-преход. a) Равновесно състояние b) С приложено право напрежение c) С приложено обратно напрежение
Когато две области влязат в контакт н- И стр- тип, поради градиента на концентрацията на носителите на заряд, дифузията на последните възниква в области с противоположен тип електропроводимост. IN стр- областта близо до контакта след дифузията на дупки от него остават некомпенсирани йонизирани акцептори (отрицателни стационарни заряди), а в н-области - некомпенсирани йонизирани донори (положителни стационарни заряди). Оформени регион на пространствен заряд(SCR), състоящ се от два противоположно заредени слоя. Между некомпенсирани противоположни заряди на йонизирани примеси възниква електрическо поле, насочено от н-области към стр-област и се нарича дифузионно електрическо поле. Това поле предотвратява по-нататъшната дифузия на основните носители през контакта - установява се равновесно състояние (в този случай има малък ток на основните носители поради дифузия и ток на малцинствени носители под въздействието на контактното поле, тези токове се компенсират взаимно). Между н- И стр-области, има потенциална разлика, наречена контактна потенциална разлика. Потенциалът на n-региона е положителен по отношение на потенциала стр-региони Обикновено контактната потенциална разлика е в такъв случайе десети от волта.
Външно електрическо поле променя височината на бариерата и нарушава баланса на токовите носители, протичащи през бариерата. Ако се приложи положителен потенциал към стр-област, тогава потенциалната бариера намалява (директно изместване) и SCR се стеснява. В този случай, с увеличаване на приложеното напрежение, броят на основните носители, способни да преодолеят бариерата, нараства експоненциално. След като тези носители преминат p - н-преход, стават несъществени. Следователно концентрацията на миноритарни носители от двете страни на кръстовището се увеличава (инжектиране на миноритарни носители). Едновременно в стр- И н-области чрез контакти влизат равни количестваосновни носители, причиняващи компенсиране на таксите на инжектирани носители. В резултат на това скоростта на рекомбинация се увеличава и през прехода се появява ненулев ток, който нараства експоненциално с увеличаване на напрежението.
Прилагане на отрицателен потенциал към стр-регион (обратно отклонение) води до увеличаване на потенциалната бариера. Дифузията на основните носители през кръстовището става незначителна. В същото време потоците на малцинствените превозвачи не се променят (за тях няма бариера). Малцинствените носители на заряд се привличат от електрическото поле п-н-възел и преминаване през него към съседния регион (извличане на малцинствени превозвачи). Потоците от незначителни носители се определят от скоростта на топлинно генериране на двойки електрон-дупка. Тези двойки дифундират към бариерата и са разделени от нейното поле, което води до п-н- протича ток на кръстовището аз с(ток на насищане), който обикновено е малък и почти не зависи от напрежението. По този начин характеристиката на напрежението на p-n прехода има изразена нелинейност. При смяна на знака Uстойността на тока през кръстовището може да се промени с 10 5 - 10 6 пъти. По този начин п-н- преходът може да се използва за изправяне на променливи токове (диод).
Волт-амперни характеристики
За да се изведе зависимостта на текущата стойност чрез п-н-преход от външно преднапрежение V, трябва да разглеждаме електроните и дупките поотделно. По-нататък ще означаваме със символа Джплътност на потока на частиците и символ й- плътност на електрическия ток; Тогава j e = −eJ e , j h = eJ h.
Волт-амперни характеристики п-н-преход. аз с- ток на насищане, U pr- пробивно напрежение.
При V= 0 и J e и J h изчезват. Това, разбира се, не означава, че няма движение на отделни носители през прехода, а само, че равен брой електрони (или дупки) се движат в двете посоки. При V≠ 0 балансът е нарушен. Помислете например за ток на дупка през изтощен слой. Той включва следните два компонента:
- Ток на генериране н-региони в стр- преходна зона. Както подсказва името, този ток се причинява от дупки, генерирани директно в н-област на слоя на изчерпване по време на термично възбуждане на електрони от нивата на валентната зона. Въпреки че концентрацията на такива дупки (малцинствени носители) в н-площите са изключително малки в сравнение с концентрацията на електрони (основни носители), които играят важна роляпри пренос на ток през кръстовището. Това се случва, защото всяка дупка, навлизаща в изчерпващия слой, незабавно се прехвърля в стр-зона под силно влияние електрическо поле, който съществува вътре в слоя. В резултат на това големината на получения ток на генериране не зависи от стойността на потенциалната промяна в слоя на изчерпване, тъй като всяка дупка, открита в слоя, се прехвърля от н-региони в стр-регион.
- Рекомбинационен ток, тоест токът на дупката, протичащ от стр-региони в н-регион. Електрическото поле в слоя на изчерпване се противопоставя на този ток и само онези дупки, които достигат границата на слоя на изчерпване с достатъчна кинетична енергия, за да преодолеят потенциалната бариера, допринасят за тока на рекомбинация. Броят на тези отвори е пропорционален на e −eΔФ/kTи следователно
За разлика от генериращия ток, рекомбинационният ток е изключително чувствителен към величината на приложеното напрежение V. Можем да сравним величините на тези два тока, като отбележим, че когато V= 0 няма общ ток през прехода: J h rec (V = 0) = J h genСледва, че J h rec = J h genд eV/kT. Общ ток на дупка, протичащ от стр-региони в н-регионът представлява разликата между рекомбинационния и генериращия ток:
J h= J h rec − J h gen = J h gen(напр eV/kT − 1).
Подобно съображение е приложимо за компонентите на електронния ток с единствената промяна, че токовете на генериране и рекомбинация на електрони са насочени противоположно на съответните токове на дупки. Тъй като електроните имат противоположни заряди, електрическите токове на генериране и рекомбинация на електрони съвпадат по посока с електрическите токове на генериране и рекомбинация на дупки. Следователно общата плътност на електрическия ток е j = e(J h gen + J e gen)(напр eV/kT − 1).
Капацитет п-н-преходни и честотни характеристики
п-н-възел може да се разглежда като плосък кондензатор, чиито плочи са регионите н- И стр-тип извън прехода, а изолаторът е областта на пространствения заряд, обеднена от носители на заряд и имаща висока устойчивост. Този капацитет се нарича бариера. Зависи от външното приложено напрежение, тъй като външното напрежение променя пространствения заряд. Наистина, увеличаването на потенциалната бариера по време на обратно отклонение означава увеличаване на потенциалната разлика между н- И стр-области на полупроводника и, следователно, увеличаване на техните обемни заряди. Тъй като космическите заряди са неподвижни и свързани с донорни и акцепторни йони, увеличение обемен зарядможе да бъде причинено само от разширяване на неговия регион и, следователно, намаляване на електрическия капацитет на прехода. В зависимост от зоната на свързване, концентрацията на добавка и обратното напрежение, бариерният капацитет може да приема стойности от единици до стотици пикофаради. Капацитетът на бариерата се появява при обратно напрежение; при постоянно напрежение се шунтира с ниско съпротивление п-н-преход. Варикапите работят благодарение на бариерния капацитет.
В допълнение към капацитета на бариерата п-н- преходът има т.нар дифузионен капацитет. Дифузионният капацитет е свързан с процесите на натрупване и резорбция на неравновесен заряд в основата и характеризира инерцията на движението на неравновесните заряди в основната област. Дифузионният капацитет се дължи на факта, че увеличаването на напрежението с п-н-преходът води до увеличаване на концентрацията на мажоритарни и малцинствени носители, тоест до смяна на заряда. Големината на дифузионния капацитет е пропорционална на преминаващия ток п-н-преход. Когато се приложи преднапрежение, дифузионният капацитет може да достигне десетки хиляди пикофаради.
Еквивалентна схема п-н-преход. C b- капацитет на бариерата, C d - дифузионен капацитет, Р а- диференциално съпротивление п-н- преход, r- обемно съпротивление на основата.
Общ капацитет п-н-преходът се определя от сумата на бариерния и дифузионния капацитет. Еквивалентна схема п-н- преход към променлив токпредставени на фигурата. В еквивалентната схема, успоредно на диференциалното съпротивление п-н-преход R и включен дифузионен капацитет ° С d и капацитет на бариерата СЪС b; основното обемно съпротивление е свързано последователно с тях r. С нарастваща честота AC напрежение, подадена на п-н-преход, капацитивните свойства стават все по-изразени, Р асе шунтира от капацитет и общото съпротивление п-н-преходността се определя от обемното съпротивление на основата. Така при високи честоти п-н- преходът губи своите линейни свойства.
Разбивка п-н-преход
Разбивка на диод- това е феноменът на рязко нарастване на обратния ток през диода, когато обратното напрежение достигне определена критична стойност за даден диод. Зависи от физични явления, водещи до срив, разграничете лавинен, тунелен, повърхностен и топлинен срив.
- Лавинен срив(ударна йонизация) е най-важният механизъм на разрушаване п-н-преход. Лавинното пробивно напрежение определя горен лимитобратно напрежение на повечето диоди. Пробивът е свързан с образуването на лавина от носители на заряд под въздействието на силно електрическо поле, при което носителите придобиват енергия, достатъчна за образуването на нови двойки електрон-дупка в резултат на ударна йонизация на полупроводникови атоми.
- Разрушаване на тунелапреходът електрон-дупка е електрическо разрушаване на преход, причинен от квантово-механично тунелиране на носители на заряд през забранената зона на полупроводник, без да се променя тяхната енергия. Електронното тунелиране е възможно при условие, че ширината на потенциалната бариера, която електроните трябва да преодолеят, е достатъчно малка. За същата забранена лента (за същия материал), ширината на потенциалната бариера се определя от напрегнатостта на електрическото поле, тоест наклона енергийни ниваи зони. Следователно условия за тунелиране възникват само при определена напрегнатост на електрическото поле или при определено напрежение на прехода електрон-дупка - при напрежение на пробив. Стойността на тази критична напрегнатост на електрическото поле е приблизително 8∙10 5 V/cm за силициеви преходи и 3∙10 5 V/cm за германиеви преходи. Тъй като вероятността за тунелиране много силно зависи от силата на електрическото поле, тогава външно тунелен ефектсе проявява като повреда на диода.
- Повърхностно разрушаване (ток на утечка). истински п-н-преходите имат участъци, които се простират до повърхността на полупроводника. Поради възможно замърсяване и наличие на повърхностни заряди между p- и n-области, могат да се образуват проводими филми и проводими канали, през които протича ток на утечка I ток. Този ток се увеличава с увеличаване на обратното напрежение и може да надхвърли топлинния ток I 0 и генериращия ток I gen. Токът Iut зависи слабо от температурата. За да се намали I ut, се използват защитни филмови покрития.
- Топлинна разбивка- това е повреда, чието развитие се дължи на отделянето на топлина в изправителния електрически възел поради преминаването на ток през кръстовището. Когато се приложи обратно напрежение, почти цялото то пада до п-н- кръстовище, през което протича, макар и малък, обратен ток. Освободената мощност причинява нагряване п-н-преход и съседни области на полупроводника. Ако няма достатъчно отвеждане на топлина, тази мощност причинява допълнително увеличаване на тока, което води до повреда. Термичното разрушаване, за разлика от предишните, е необратимо.
P-N преходът е точката в полупроводниково устройство, където N-тип материал и P-тип материал влизат в контакт един с друг. Материалът от тип N обикновено се нарича катодната част на полупроводника, а материалът от тип P е анодната част.
Когато възникне контакт между тези два материала, електроните от материала от n-тип се вливат в материала от p-тип и се свързват с наличните дупки в него. Малка площ от всяка страна на линията на физически контакт между тези материали е почти лишена от електрони и дупки. Тази област в полупроводниково устройство се нарича област на изчерпване.
Тази област на изчерпване е ключов елемент в работата на всяко устройство, което има P-N преход. Широчината на тази област на изчерпване определя съпротивлението на протичане на ток през P-N прехода, следователно съпротивлението на устройство с такова P-N преход зависи от размера на тази изчерпана област. Ширината му може да се промени, когато някакво напрежение преминава през този P-N преход. В зависимост от полярността на приложеното потенциал P-NЕдно кръстовище може да бъде или предубедено, или обратно предубедено. Широчината на зоната на изчерпване или съпротивлението на полупроводниково устройство зависи както от полярността, така и от големината на приложеното преднапрежение.
Когато P-N преходът е директен (с предно отклонение), тогава към анода се прилага положителен потенциал, а към катода - отрицателен потенциал. Резултатът от този процес е стесняване на зоната на изчерпване, което намалява съпротивлението на тока през P-N прехода.
Ако потенциалът се увеличи, зоната на изчерпване ще продължи да намалява, като по този начин допълнително ще намали съпротивлението на текущия поток. В крайна сметка, ако приложеното напрежение е достатъчно високо, зоната на изчерпване ще се стесни до точката на минимално съпротивление и максимален ток ще тече през P-N прехода, а с него и през цялото устройство. Когато P-N преходът е подходящо предубеден, той осигурява минимално съпротивление на протичащия през него ток.
Когато P-N преходът е обратен (обратно предубеден), към анода се прилага отрицателен потенциал, а към катода - положителен потенциал.
Това кара зоната на изчерпване да се разширява, което води до увеличаване на съпротивлението на текущия поток. Когато P-N преходът е обратно предубеден, има максимално съпротивление на токовия поток и преходът действа по същество като отворена верига.
При определен критична стойностнапрежението на обратното преднапрежение, съпротивлението на токовия поток, което възниква в областта на изчерпване, се преодолява и се получава бързо нарастване на тока. Стойността на напрежението на обратното отклонение, при което токът нараства бързо, се нарича напрежение на пробив.
p-n (pe-en) преходът е област от пространството на кръстовището на два p- и n-типа полупроводници, в която възниква преход от един тип проводимост към друг, такъв преход се нарича още преход електрон-дупка.
Има два вида полупроводници: p и n типове. В типа n основните носители на заряд са електрони , а в p - тип основните са положително заредени дупки. Положителна дупка се появява след отстраняване на електрон от атом и на негово място се образува положителна дупка.
За да разберете как работи p-n преходът, трябва да изучите неговите компоненти, тоест p-тип и n-тип полупроводник.
Полупроводниците тип P и n са направени на базата на монокристален силиций, който има много висока степен на чистота, така че най-малките примеси (по-малко от 0,001%) значително го променят електрически свойства.
В полупроводник от тип n основните носители на заряд са електрони . За да ги получат те използват донорни примеси, които се въвеждат в силиций,- фосфор, антимон, арсен.
В p-тип полупроводник основните носители на заряд са положително заредени дупки . За да ги получат те използват акцепторни примеси — алуминий, бор
Полупроводников тип n (електронна проводимост)
Примесният фосфорен атом обикновено замества основния атом в местата на кристалната решетка. В този случай четирите валентни електрона на фосфорния атом влизат в контакт с четирите валентни електрона на съседните четири силициеви атома, образувайки стабилна обвивка от осем електрона. Петият валентен електрон на фосфорния атом се оказва слабо свързан със своя атом и под влияние външни сили(топлинни вибрации на решетката, външно електрическо поле) лесно се освобождава, създавайки повишена концентрация на свободни електрони . Кристал придобива електронна проводимостили n-тип проводимост . В този случай фосфорният атом, лишен от електрон, е твърдо свързан с кристална решеткасилицият има положителен заряд, а електронът е подвижен отрицателен заряд. При липса на външни сили те се компенсират взаимно, т.е. в силиций n-типопределя се броят на свободните проводими електрониброя на въведените донорни примесни атоми.
Полупроводников p - тип (проводимост на дупки)
Алуминиевият атом, който има само три валентни електрона, не може самостоятелно да създаде стабилна осемелектронна обвивка със съседни силициеви атоми, тъй като за това се нуждае от друг електрон, който отнема от един от разположените наблизо силициеви атоми. Силициев атом без електрон има положителен заряди тъй като може да улови електрон от съседен силициев атом, той може да се счита за подвижен положителен заряд, който не е свързан с кристалната решетка, наречен дупка. Алуминиев атом, който е уловил електрон, се превръща в отрицателно зареден център, твърдо свързан с кристалната решетка. Електрическата проводимост на такъв полупроводник се дължи на движението на дупките, поради което се нарича p-тип полупроводник с дупки. Концентрацията на дупките съответства на броя на въведените акцепторни примесни атоми.
По-голямата част от съвременните полупроводникови устройства работят благодарение на явления, които възникват на самите граници на материали с различни видове електрическа проводимост.
Има два вида полупроводници - n и p. Отличителна черта на полупроводниковите материали от n-тип е, че те съдържат електрически зарядотрицателно заредени електрони. IN полупроводникови материалир-тип, същата роля играят и т.нар дупки, които са положително заредени. Те се появяват след откъсване на атом електрон, и затова се образува положителен заряд.
Силициевите монокристали се използват за производство на полупроводникови материали от n-тип и p-тип. Техен отличителна чертае изключително висока степенхимическа чистота. Възможно е значително да се променят електрическите свойства на този материал чрез въвеждане в него на примеси, които са съвсем незначителни на пръв поглед.
Символът "n", използван в полупроводниците, идва от думата " отрицателен» (« отрицателен"). Основните носители на заряд в полупроводниковите материали от n-тип са електрони. За да се получат, в силиций се въвеждат така наречените донорни примеси: арсен, антимон, фосфор.
Символът "p", използван в полупроводниците, идва от думата " положителен» (« положителен"). Основните носители на заряд в тях са дупки. За да се получат, в силиций се въвеждат така наречените акцепторни примеси: бор, алуминий.
Брой безплатни електронии номер дупкив чист полупроводников кристал е точно същото. Следователно, когато полупроводниковото устройство е в равновесно състояние, всяка от неговите области е електрически неутрална.
Нека приемем като отправна точка, че n-областта е тясно свързана с p-областта. В такива случаи, a преходна зона, тоест определено пространство, което е изчерпано от заряди. Нарича се още " бариерен слой", Където дупкиИ електрони, претърпяват рекомбинация. По този начин, на кръстовището на два полупроводника, които имат различни видове проводимост, зона, наречена p-n преход.
В точката на контакт на полупроводниците различни видоведупки от p-тип областта частично се вливат в n-тип област и електроните, съответно, в обратна посока. Следователно полупроводникът от тип p е зареден отрицателно, а полупроводникът от тип n е зареден положително. Тази дифузия обаче продължава само докато електрическото поле, възникващо в преходната зона, започне да й пречи, което води до движение и e електрони, И дупкиспира.
В промишлено произведени полупроводникови устройстваза използване p-n преходкъм него трябва да се приложи външно напрежение. В зависимост от неговата полярност и големина зависи поведението на прехода и електрическия ток, преминаващ директно през него. Ако положителният полюс на източника на ток е свързан към p-областта, а отрицателният полюс е свързан към n-областта, тогава се осъществява директна връзка p-n преход. Ако полярността се промени, ще възникне ситуация, наречена обратно превключване. p-n преход.
Директна връзка
Когато се извършва директно свързване p-n преход, то под въздействието на външно напрежение в него се създава поле. Посоката му по отношение на посоката на вътрешното дифузионно електрическо поле е противоположна. В резултат на това резултантната сила на полето пада и блокиращият слой се стеснява.
В резултат на този процес значителен брой основни носители на заряд се преместват в съседния регион. Това означава, че от регион p до регион n резултатът електричествоще изтече дупки, а в обратна посока – електрони.
Обратно превключване
Когато възникне обратно превключване p-n преход, тогава токът в получената верига се оказва значително по-нисък, отколкото при директно свързване. Факт е, че дупкиот регион n ще тече към регион p, а електроните ще текат от регион p към регион n. Ниската сила на тока се дължи на факта, че в областта p има малко електрони, и съответно в областта n, – дупки.
pn преходът е тънка област, която се образува там, където два полупроводника влизат в контакт. различни видовепроводимост. Всеки от тези полупроводници е електрически неутрален. Основното условие е в единия полупроводник основните носители на заряд да са електрони, а в другия да са дупки.
Когато такива полупроводници влязат в контакт, в резултат на дифузия на заряда, дупка от областта p навлиза в областта n. Той веднага се рекомбинира с един от електроните в тази област. В резултат на това в областта n се появява излишен положителен заряд. И в p областта има излишен отрицателен заряд.
По същия начин един от електроните от областта n навлиза в областта p, където се рекомбинира с най-близката дупка. Това също води до образуването на излишни заряди. Положителен в областта n и отрицателен в областта p.
В резултат на дифузията граничната област се запълва със заряди, които създават електрическо поле. Тя ще бъде насочена по такъв начин, че да отблъсква дупки, разположени в областта p от интерфейса. И електроните от област n също ще бъдат отблъснати от тази граница.
С други думи, на границата между два полупроводника се образува енергийна бариера. За да я преодолее, електрон от област n трябва да има енергия, по-голяма от енергията на бариерата. Точно като дупката от p региона.
Наред с движението на мажоритарните носители на заряд при такъв преход има и движение на малцинствените носители на заряд. Това са дупки от областта n и електрони от областта p. Те също се преместват в противоположната зона през прехода. Въпреки че полученото поле допринася за това, полученият ток е незначителен. Тъй като броят на малцинствените носители на заряд е много малък.
Ако външна потенциална разлика е свързана към pn прехода в посока напред, тоест висок потенциал се подава към p областта и нисък потенциал към n областта. Това външно поле ще доведе до намаляване на вътрешното. По този начин бариерната енергия ще намалее и повечето носители на заряд могат лесно да се движат през полупроводниците. С други думи, както дупките от областта p, така и електроните от областта n ще се придвижат към интерфейса. Процесът на рекомбинация ще се засили и токът на основните носители на заряд ще се увеличи.
Фигура 1 - pn преход, предубеден
Ако потенциалната разлика се приложи в обратна посока, тоест регион p има нисък потенциал, а регион n има висок потенциал. Това външно електрическо поле ще се добави към вътрешното. Съответно, енергията на бариерата ще се увеличи, предотвратявайки преминаването на повечето носители на заряд през прехода. С други думи, електрони от област n и дупки от област p ще се преместят от прехода към външни страниполупроводници. И в зоната на pn преход просто няма да има основни носители на заряд, осигуряващи тока.
Фигура 2 - pn преход, обратно предубеден
Ако разликата в обратния потенциал е прекалено висока, напрегнатостта на полето в зоната на свързване ще се увеличи, докато настъпи електрически пробив. Тоест електрон, ускорен от поле, няма да унищожи ковалентна връзкаи няма да нокаутира друг електрон и т.н.