p-n (пе-ен) перехід - область простору на стику двох напівпровідників p-і n-типу, в якій відбувається перехід від одного типу провідності до іншого, такий перехід ще називають електронно-дірочним переходом.
Усього є два типи напівпровідників це p і n типу. У n - типі основними носіями заряду є електрони , а в p - типі основними - позитивно заряджені дірки. Позитивна дірка виникає після відриву електрона від атома і на місці утворюється позитивна дірка.
Щоб розібратися як працює p-n перехід треба вивчити його складові тобто напівпровідник p - типу і n - типу.
Напівпровідники p і n типу виготовляються на основі монокристалічного кремнію, що має дуже високий рівеньчистоти, тому найменші домішки (менше 0,001%) істотно змінюють його електрофізичні властивості.
У напівпровіднику n типу основними носіями заряду є електрони . Для отримання їх використовують донорні домішки, які вводяться в кремній,- Фосфор, сурма, миш'як.
У напівпровіднику p типу основними носіями заряду є позитивно заряджені дірки . Для отримання їх використовують акцепторні домішки — алюміній, бор.
Напівпровідник n - типу (електронної провідності)
Домішковий атом фосфору зазвичай заміщає основний атом у вузлах кристалічних ґрат. При цьому чотири валентні електрони атома фосфору вступають у зв'язок з чотирма валентними електронами сусідніх чотирьох атомів кремнію, утворюючи стійку оболонку з восьми електронів. П'ятий валентний електрон атома фосфору виявляється слабо пов'язаним зі своїм атомом та під дією зовнішніх сил(теплові коливання решітки, зовнішнє електричне поле) легко стає вільним, створюючи підвищену концентрацію вільних електронів . Кристал набуває електронну провідністьабо провідність n-типу . При цьому атом фосфору, позбавлений електрона, жорстко пов'язаний з кристалічними гратами кремнію позитивним зарядом, а електрон є рухомим негативним зарядом. За відсутності дії зовнішніх сил вони компенсують один одного, тобто у кремнії n-типукількість вільних електронів провідності визначаєтьсякількістю введених донорних атомів домішки.
Напівпровідник p — типу (діркової провідності)
Атом алюмінію, що має тільки три валентні електрони, не може самостійно створити стійку восьмиелектронну оболонку з сусідніми атомами кремнію, так як для цього йому необхідний ще один електрон, який він відбирає в одного з атомів кремнію, що знаходиться поблизу. Атом кремнію, позбавлений електрона, має позитивний заряд і, оскільки він може захопити електрон сусіднього атома кремнію, його можна вважати рухомим позитивним зарядом, не пов'язаним з кристалічною решіткою, яка називається діркою. Атом алюмінію, що захопив електрон, стає негативно зарядженим центром, жорстко пов'язаним із кристалічною решіткою. Електропровідність такого напівпровідника обумовлена рухом дірок, тому він називається дірковим напівпровідником р-типу. Концентрація дірок відповідає кількості введених атомів акцепторної домішки.
Якщо блок напівпровідника P-типу з'єднати з блоком напівпровідника N-типу (рисунок нижче (a)), результат не матиме жодного значення. У нас будуть два провідні блоки, що стикаються один з одним, не проявляючи жодних унікальних властивостей. Проблема полягає в двох окремих та різних кристалічних структурах. Кількість електронів врівноважується кількістю протонів обох блоках. Таким чином, в результаті жоден блок не має заряду.
Тим не менш, один напівпровідниковий кристал, виготовлений з матеріалу P-типу з одного боку і матеріалу N-типу з іншого боку (рисунок нижче (b)), має унікальними властивостями. У матеріалу P-типу основними є позитивні носії заряду, дірки, які вільно пересуваються кристалічною решіткою. У матеріалу N-типу основними та рухомими є негативні носіїзаряду, електрони. Поблизу переходу електрони матеріалу N-типу дифундують через перехід, з'єднуючись з дірками у матеріалі P-типу. Область матеріалу P-типу поблизу переходу набуває негативний зарядчерез залучені електрони. Оскільки електрони залишили область N-типу, та набуває локального позитивного заряду. Тонкий шар кристалічних ґратміж цими зарядами тепер збіднений основними носіями, таким чином, він відомий як збіднена область. Ця область стає непровідним матеріалом із власного напівпровідника. По суті ми маємо майже ізолятор, що розділяє провідні леговані області P і N типів.
(a) Блоки напівпровідників P і N типів при контакті не мають придатні для використання властивості.
(b) Монокристал, легований домішками типу P і N, створює потенційний бар'єр.
Такий поділ зарядів у P-N-переході є потенційним бар'єром. Цей потенційний бар'єр може бути подоланий під впливом зовнішнього джереланапруги, що змушує перехід проводити електричний струм. Формування переходу та потенційного бар'єру відбувається під час виробничого процесу. Величина потенційного бар'єру залежить від матеріалів, що використовуються під час виробництва. Кремнієві P-N-переходи мають більш високий потенційний бар'єр, порівняно з германієвими переходами.
На малюнку нижче (a) батарею підключено так, що негативний висновок джерела постачає електрони до матеріалу N-типу. Ці електрони дифундують до переходу. Позитивне виведення джерела видаляє електрони з напівпровідника P-типу, створюючи дірки, які дифундують до переходу. Якщо напруга батареї досить велика для подолання потенціалу переходу (0,6В для кремнію), електрони з області N-типу і дірки з P-типу області об'єднуються, знищуючи один одного. Це звільняє простір усередині решітки для переміщення у бік переходу більшого числаносіїв заряду. Таким чином, струми основних зарядів областей N-типу та P-типу протікають у бік переходу. Рекомбінація в переході дозволяє струму батареї протікати через PN перехід діода. Таке включення називається прямим зміщенням.
(a) Пряме зсув відштовхує носіїв зарядів до переходу, де рекомбінація відбивається на струмі батареї. (b) Зворотне усунення притягує носіїв зарядів до виводів батареї, подалі від переходу. Товщина збідненої збільшується. Стійкий струм через батарею не протікає.
Якщо полярність батареї змінена на протилежну, як показано на малюнку (b), основні носії зарядів притягуються від переходу до клем батареї. Позитивний висновок батареї відтягує від переходу основних носіїв заряду області N-типу, електронів. Негативний висновок відтягує від переходу основних носіїв області P-типу, дірок. Це збільшує товщину непровідної збідненої області. У ній немає рекомбінації основних носіїв; і, таким чином, відсутня і провідність. Таке підключення батареї називається зворотним усуненням.
Умовне позначення діода, показане на малюнку (b), відповідає пластині легованого напівпровідника на малюнку (a). Діод є односпрямованепристрій. Електронний струм протікає тільки в одному напрямку проти стрілки, що відповідає прямому зміщенню. Катод, смуга на умовному позначенні діода, відповідає напівпровіднику N-типу. Анод, стрілка, відповідає напівпровіднику P-типу.
У оригіналі статті пропонується алгоритм запам'ятовування розташування типів напівпровідника в діоді. Невказівна ( N ot-pointing) частина умовного позначення(Смуга) відповідає напівпровіднику N-Типу. Вказівна ( P ointing) частина умовного позначення (стрілка) відповідає P-Типу.
(a) Пряме зміщення PN-переходу (b) Відповідне умовне графічне позначення діода
(c) Графік залежності струму від напруги кремнієвого діода
Якщо до діода прикладено пряме зміщення (як показано на малюнку (a) вище), при збільшенні напруги від 0 В струм повільно зростатиме. У випадку з кремнієвим діодом струм, що протікає, можна буде виміряти, коли напруга наблизиться до 0,6 В (рисунок (c) вище). При збільшенні напруги вище 0,6 струм після вигину на графіку почне різко зростати. Збільшення напруги вище 0,7 може призвести до струму, досить великому, щоб вивести діод з ладу. Пряма напруга U пр є однією з характеристик напівпровідників: 0,6-0,7 для кремнію, 0,2 для германію, кілька вольт для світловипромінюючих діодів. Прямий струм може бути в діапазоні від декількох мА для точкових діодів до 100 мА для слаботочних діодів і до десятків і тисяч ампер для силових діодів.
Якщо діод зміщений у зворотному напрямку, то протікає лише струм витоку свого напівпровідника. Це зображено на графіку ліворуч від початку координат (рисунок (c) вище). Для кремнієвих діодів цей струм у самих екстремальних умовстановитиме приблизно 1 мкА. Це струм при зростанні напруги зворотного зміщення збільшується непомітно, доки діод не буде пробитий. При проби струм збільшується настільки сильно, що діод виходить з ладу, якщо послідовно не включено опір, що обмежує цей струм. Зазвичай ми вибираємо діод зі зворотною напругою, що перевищує напруги, які можуть бути прикладені під час роботи схеми, щоб запобігти пробій діода. Як правило, кремнієві діоди доступні з напругою пробою 50, 100, 200, 400, 800 вольт і вище. Також можливе виробництво діодів з меншою напругою пробою (кілька вольт) для використання як еталони напруги.
Раніше ми згадували, що зворотний струм витоку до мікроампера в кремнієвих діодах обумовлений провідністю власного напівпровідника. Цей витік може бути пояснений теорією. Теплова енергіястворює кілька пар електрон-дірка, які проводять струм витоку до рекомбінації. У реальній практиці цей прогнозований струм є лише частиною струму витоку. Більша частинаструму витоку обумовлена поверхневою провідністю, пов'язаною з відсутністю чистоти поверхні напівпровідника. Обидві складові струму витоку збільшуються із зростанням температури, наближаючись до мікроампера для невеликих кремнієвих діодів.
Для германію струм витоку на кілька порядків вищий. Так як германієві напівпровідники сьогодні рідко використовуються на практиці, це не є великою проблемою.
Підіб'ємо підсумки
P-N переходи виготовляються з монокристалічного шматка напівпровідника з областями P і N типу безпосередньої близькостівід переходу.
Перенесення електронів через перехід з боку N-типу до дірок на бік P-типу з подальшим взаємним знищенням створює падіння напруги на переході, що становить від 0,6 до 0,7 вольта для кремнію і залежить від напівпровідника.
Пряме зміщення P-Nпереходу при перевищенні значення прямої напруги призводить до перебігу струму через перехід. Зовнішня різниця потенціалів, що прикладається, змушує основних носіїв заряду рухатися у бік переходу, де відбувається рекомбінація, що дозволяє протікати електричному струму.
Зворотне зміщення P-N переходу майже створює струм. Зворотне зсув, що прикладається, відтягує основних носіїв заряду від переходу. Це збільшує товщину непровідної збідненої області.
Через P-N перехід, якого прикладено зворотне зміщення, протікає зворотний струм витоку, залежить від температури. У невеликих кремнієвих діодах не перевищує мікроампер.
Сильно залежить від концентрації домішок. Напівпровідники, електрофізичні властивості яких залежать від інших домішок хімічних елементів, називаються домішковими напівпровідниками. Домішки бувають двох видів донорної та акцепторної.
Донорнаназивається домішка, атоми якої дають напівпровіднику вільні електрони, а отримувана в цьому випадку електропровідність, пов'язана з рухом вільних електронів, - електронної. Напівпровідник з електронною провідністю називається електронним напівпровідником та умовно позначається латинською літерою n – першою літерою слова «негативний».
Розглянемо процес утворення електронної провідності у напівпровіднику. За основний матеріал напівпровідника візьмемо кремній (напівпровідники кремнієві найпоширеніші). У кремнію (Si) на зовнішній орбіті атома є чотири електрони, які зумовлюють його електрофізичні властивості (тобто вони переміщуючись під дією напруги створюють електричний струм). При введенні в кремній атомів домішки миш'яку (As), у якого на зовнішній орбіті п'ять електронів, чотири електрони вступають у взаємодію з чотирма електронами кремнію, утворюючи ковалентний зв'язок, а п'ятий електрон миш'яку залишається вільним. За цих умов він легко відокремлюється від атома і має можливість переміщатися в речовині.
Акцепторнийназивається домішка, атоми якої приймають електрони від атомів основного напівпровідника. Отримана при цьому електропровідність, пов'язана з переміщенням позитивних зарядів- дірок, називається дірочною. Напівпровідник з дірковою електропровідністю називається дірковим напівпровідником і умовно позначається латинською буквою p – першою буквою слова «позитивний».
Розглянемо процес утворення діркової провідності. при введенні в кремній атомів домішки індію (In), у якого на зовнішній орбіті три електрони, вони вступають у зв'язок з трьома електронами кремнію, але цей зв'язок виявляється неповним: не вистачає ще одного електрона для зв'язку з четвертим електроном кремнію. Атом домішки приєднує до себе недостатній електрон від одного з розташованих поблизу атомів основного напівпровідника, після чого він пов'язаний з усіма чотирма сусідніми атомами. Завдяки додаванню електрона він набуває надмірного негативного заряду, тобто перетворюється на негативний іон. У той же час атом напівпровідника, від якого до атома домішки пішов четвертий електрон, виявляється пов'язаним із сусідніми атомами лише трьома електронами. таким чином, виникає надлишок позитивного заряду та з'являється незаповнений зв'язок, тобто дірка.
Одним з важливих властивостейнапівпровідника і те, що з наявності дірок через нього може проходити струм, навіть якщо у ньому немає вільних електронів. Це здатністю дірок переходити з одного атома напівпровідника на інший.
Переміщення «дірок» у напівпровіднику
Вводячи частину напівпровідника донорну домішка, а іншу частину - акцепторную, можна отримати у ньому області з електронною і дірковою провідністю. На межі областей електронної та діркової провідності утворюється так званий електронно-дірковий перехід.
P-N-перехід
Розглянемо процеси того, що відбувається при проходженні струму через електронно-дірковий перехід. Лівий шар, позначений літерою n, має електронну провідність. Струм у ньому пов'язані з переміщенням вільних електронів, які умовно позначені кружками зі знаком «мінус». Правий шар, позначений буквою p, має діркову провідність. Струм у цьому шарі пов'язаний із переміщенням дірок, які на малюнку позначені кружками з «плюсом».
Рух електронів та дірок у режимі прямої провідності
Рух електронів та дірок у режимі зворотної провідності.
При зіткненні напівпровідників з різними типамипровідності електрони внаслідок дифузіїпочнуть переходити в p-область, а дірки - в n-область, внаслідок чого прикордонний шар n-області заряджається позитивно, а прикордонний шар p-області негативно. Між областями виникає електричне поле, яке є бар'єрів для основних носіїв струму, завдяки чому в p-n переході утворюється область зі зниженою концентрацією зарядів. Електричне поле в p-n переході називають потенційним бар'єром, а p-n перехід - замикаючим шаром. Якщо напрям зовнішнього електричного поля протилежний напряму поля p-nпереходу («+» на p-області, «-» на n-області), то потенційний бар'єр зменшується, зростає концентрація зарядів у p-n переході, ширина і, отже, опір переходу зменшується. При зміні полярності джерела зовнішнє електричне поле збігається з напрямком поля p-n переходу, ширина та опір переходу зростає. Отже, p-n перехід має вентильні властивості.
Напівпровідниковий діод
Діодомназивається електро перетворювальний напівпровідниковий прилад з одним або декількома p-n переходами та двома висновками. Залежно від основного призначення та явища використовуваного в p-n переході розрізняють кілька основних функціональних типівнапівпровідникових діодів: випрямні, високочастотні, імпульсні, тунельні, стабілітрони, варикапи.
Основний характеристикою напівпровідникових діодівє вольт-амперна характеристика (ВАХ). Для кожного типу напівпровідникового діода ВАХ має свій вигляд, але всі вони ґрунтуються на ВАХ площинного випрямного діода, яка має вигляд:
Вольт-амперна характеристика (ВАХ) діода: 1 - пряма вольт-амперна характеристика; 2 - зворотна вольт-амперна характеристика; 3 - область пробою; 4 - прямолінійна апроксимація прямої вольт-амперної характеристики; Uпор - гранична напруга; rдин - динамічний опір; Uпроб - пробивна напруга
Масштаб по осі ординат для негативних значеньструмів обраний у багато разів більшим, ніж для позитивних.
Вольт-амперні характеристики діодів проходять через нуль, але досить помітний струм з'являється лише за пороговій напрузі(U пор), яке для германієвих діодів дорівнює 0,1 - 0,2, а у кремнієвих діодів дорівнює 0,5 - 0,6 В. В області негативних значень напруги на діоді, при вже порівняно невеликих напругах (U обр. ) виникає зворотний струм(І обр). Цей струм створюється неосновними носіями: електронами р-області та дірками n-області, переходу яких з однієї області до іншої сприяє потенційний бар'єр поблизу межі розділу. Зі зростанням зворотної напруги збільшення струму немає, оскільки кількість неосновних носіїв, що опиняються в одиницю часу межі переходу, залежить від прикладеного ззовні напруги, якщо вона дуже велика. Зворотний струм для кремнієвих діодів на кілька порядків менший, ніж для германієвих. Подальше збільшення зворотної напруги до напруги пробою(U проб) призводить до того, що електрони з валентної зони переходять у зону провідності, виникає ефект Зенера. Зворотний струм при цьому різко збільшується, що викликає нагрівання діода і подальше збільшення струму призводить до теплового пробою та руйнування p-n-переходу.
Позначення та визначення основних електричних параметрів діодів
Позначення напівпровідникового діода
Як вказувалося раніше діод в один бік струм проводить (тобто є в ідеалі просто провідник з малим опором), в іншу – ні (тобто перетворюється на провідник з дуже великим опором), одним словом, володіє односторонньою провідністю. Відповідно висновків у нього лише два. Вони як повелося ще з часів лампової техніки, називаються анодом(позитивним висновком) та катодом(Негативним).
Всі напівпровідникові діоди можна розділити на дві групи: випрямлячі та спеціальні. Випрямлювальні діоди, як випливає із самої назви, призначені для випрямлення змінного струму. Залежно від частоти та форми змінної напругивони діляться на високочастотні, низькочастотні та імпульсні. Спеціальнітипи напівпровідникових діодів використовують різноманітні властивості p-n-переходів; явище пробою, бар'єрну ємність, наявність ділянок з негативним опором та ін.
Випрямлювальні діоди
Конструктивно випрямні діоди поділяються на площинні та точкові, а за технологією виготовлення на сплавні, дифузійні та епітаксійні. Площинні діоди завдяки великої площі p-n-переходу використовують для випрямлення великих струмів. Точкові діоди мають малу площупереходу і, відповідно, призначені для випрямлення малих струмів. Для збільшення напруги лавинного пробою використовують стовпи, що складаються з ряду послідовно включених діодів.
Випрямлювальні діоди великої потужностіназивають силовими. Матеріалом для таких діодів зазвичай є кремній або арсенід галію. Кремнієві сплавні діоди використовують для випрямлення змінного струму із частотою до 5 кГц. Кремнієві дифузійні діоди можуть працювати на підвищеній частоті до 100 кГц. Кремнієві епітаксії діоди з металевою підкладкою (з бар'єром Шотки) можуть використовуватися на частотах до 500 кГц. Арсенідгалієві діоди здатні працювати в діапазоні частот до декількох МГц.
Силові діоди зазвичай характеризуються набором статичних та динамічних параметрів. До статичним параметрамдіода відносяться:
- падіння напруги U пр на діоді при деякому значенні прямого струму;
- зворотний струм I обр при деякому значенні зворотної напруги;
- середнє значення прямого струму I пр.пор. ;
- імпульсне зворотна напруга U зр.і. ;
До динамічним параметрамдіода відносяться його тимчасові та частотні характеристики. До таких параметрів належать:
- час відновлення t від зворотної напруги;
- час наростанняпрямого струму I нар. ;
- гранична частотабез зниження режимів діода f max.
Статичні параметри можна встановити за вольт-амперною характеристикою діода.
Час зворотного відновлення діода t є основним параметром випрямних діодів, що характеризує їх інерційні властивості. Воно визначається при перемиканні діода із заданого прямого струму I пр на задану зворотну напругу U обр. Під час перемикання напруга на діоді набуває зворотного значення. Через інерційність дифузійного процесу струм у діоді припиняється не миттєво, а протягом часу t нар. По суті відбувається розсмоктування зарядів на межі p-n-переходу (тобто розряд еквівалентної ємності). З цього випливає, що потужність втрат у діоді різко підвищується при його включенні, особливо при вимиканні. Отже, втрати у діодізростають з підвищенням частоти напруги, що випрямляється.
У разі зміни температури діода змінюються його параметри. Найбільш сильно від температури залежать пряма напруга на діоді та його зворотний струм. Приблизно вважатимуться, що ТКН ( температурний коефіцієнтнапруги) Uпр = -2 мВ/К, а зворотний струм діода має позитивний коефіцієнт. Так зі збільшенням температури кожні 10 °З зворотний струм германієвих діодів збільшується вдвічі, а кремнієвих – 2,5 раз.
Діоди з бар'єром Шотки
Для випрямлення малої напруги високої частоти широко використовуються діоди з бар'єром Шотки. У цих діодах замість p-n-переходу використовується контакт металевої поверхні з . У місці контакту виникають збіднені носіями заряду шари напівпровідника, які називаються запірними. Діоди з бар'єром Шотки відрізняються від діодів з p-n-переходом за такими параметрами:
- більше низька прямападіння напруги;
- мають більше низьке зворотненапруга;
- більше високий струмвитоку;
- майже повністю відсутня зарядзворотного відновлення.
Дві основні характеристики роблять ці діоди незамінними: мале пряме падіння напруги та малий час відновлення зворотної напруги. Крім того, відсутність неосновних носіїв, які потребують часу на зворотне відновлення, означає фізичне відсутність втратна перемикання самого діода.
Максимальна напруга сучасних діодів Шотки становить близько 1200 В. При цьому напрузі пряма напруга діода Шотки менше прямої напруги діодів з p-n-переходом на 0,2 ... 0,3 В.
Переваги діода Шотки стають особливо помітними при випрямленні малої напруги. Наприклад, 45-вольтний діод Шотки має пряму напругу 0,4…0,6 В, а при тому струмі діод з p-n-переходом має падіння напруги 0,5…1,0 В. При зниженні зворотної напруги до 15 В пряма напруга зменшується до 0,3...0,4 В. У середньому застосування діодів Шотки у випрямлячі дозволяє зменшити втрати приблизно на 10...15 %. Максимальна робоча частота діодів Шотки перевищує 200 кГц.
Теорія це добре, але без практичного застосуванняце просто слова.
Принцип дії напівпровідникових приладівпояснюється властивостями так званого електронно-діркового переходу (p-n – переходу) – зоною поділу областей напівпровідника з різними механізмами провідності.
Електронно-дірковий перехід - це область напівпровідника, в якій має місце просторова зміна типу провідності (від електронної n-області до дірковий p-області). Оскільки в р-області електронно-діркового переходу концентрація дірок набагато вища, ніж у n-області, дірки з n-області прагнуть дифундувати в електронну область. Електрони дифундують в р-область.
Для створення у вихідному напівпровіднику (зазвичай 4-валентному германію або кремнії) провідності n- або p-типу до нього додають атоми 5-валентної або 3-валентної домішок відповідно (фосфор, миш'як або алюміній, індій та ін.)
Атоми 5-валентної домішки (донори) легко віддають один електрон у зону провідності, створюючи надлишок електронів у напівпровіднику, які не зайняті в утворенні ковалентних зв'язків; провідник набуває провідності n-типу. Введення ж 3-валентної домішки (акцепторів) призводить до того, що остання, відбираючи по одному електрону від атомів напівпровідника для створення недостатньої ковалентного зв'язкуповідомляє йому провідність p-типу, оскільки утворюються при цьому дірки (вакантні енергетичні рівніу валентній зоні) поводяться в електричному або магнітному поляхяк носії позитивних зарядів Дірки у напівпровіднику р-типу та електрони у напівпровіднику n-типу називаються основними носіями на відміну від неосновних (електрони у напівпровіднику р-типу та дірки у напівпровіднику n-типу), які генеруються через теплові коливання атомів кристалічної решітки.
Якщо напівпровідники з різними типамипровідності привести до зіткнення (контакт створюється технологічним шляхом, але не механічним), то електрони в напівпровіднику n-типу отримують можливість зайняти вільні рівніу валентній зоні напівпровідника р-типу. Відбудеться рекомбінація електронів з дірками поблизу межі різнотипних напівпровідників.
Цей процес подібний до дифузії вільних електронів з напівпровідника n-типу в напівпровідник р-типу і дифузії дірок протилежному напрямку. В результаті відходу основних носіїв заряду на межі різнотипних напівпровідників створюється збіднений рухомими носіями шар, в якому в n-області будуть знаходитися позитивні іони донорнихатомів; а в p-області - негативні іони акцепторнихатомів. Цей збіднений рухомими носіями шар довжиною долі мікрона і є електронно-дірковим переходом.
Потенційний бар'єр у p-n переході.
Якщо до напівпровідника додати електрична напруга, то залежно від полярності цієї напруги р-n-перехід виявляє зовсім різні властивості.
Властивості p-n переходу при прямому включенні.
Властивості p-n переходу при зворотному включенні.
Отже, з певною часткою наближення вважатимуться, що струм через р-n-переход протікає, якщо полярність напруги джерела живлення пряма, і, навпаки, струму немає, коли полярність зворотна.
Однак, крім залежності струму, що виник, зовнішньої енергіїнаприклад, джерела живлення або фотонів світла, яка використовується в ряді напівпровідникових приладів, існує термогенерація. При цьому концентрація власних носіїв заряду різко зменшується, отже, і IОБР теж.Таким чином, якщо перехід піддати впливу зовнішньої енергії, то з'являється пара вільних зарядів: електрон – дірка. Будь-який носій заряду, народжений в області об'ємного зарядуp–nпереходу, буде підхоплений електричним полем EВН і викинуто: електрон – вn-область, дірка - в p- Область. Виникає електричний струм, пропорційний ширині області об'ємного заряду. Це викликано тим, що чим більше EВН , Тим ширше область, де існує електричне поле, в якому відбувається народження та поділ носіїв зарядів. Як було сказано вище, швидкість генерації носіїв зарядів у напівпровіднику залежить від концентрації та енергетичного стану глибоких домішок, що існують у матеріалі.
З цієї причини вище гранична робоча температура напівпровідника. Для германію вона становить 80 º С, кремній: 150 º С, арсенід галію: 250 º С (D E= 1,4 еВ). За більшої температури кількість носіїв заряду зростає, опір кристала зменшується, і напівпровідник термічно руйнується.
Вольт-амперна характеристика p-n переходу.
Вольт-амперна характеристика (ВАХ) є графічною залежністю протікає через р-n перехідструму від прикладеної до нього зовнішньої напруги I=f(U) . Вольт-амперна характеристика р-n переходупри прямому та зворотному включенні наведено нижче.
Вона складається з прямий(0-А) та зворотній(0-В-С) гілок; на вертикальної осівідкладені значення прямого та зворотного струму
а на осі абсцис - значення прямої та зворотної напруги
.
Напруга від зовнішнього джерела, підведена до кристала з р-ппереходом, майже повністю зосереджується на збідненому носіями переході. Залежно від полярності можливі два варіанти включення постійної напруги - пряме та зворотне.
При прямомувключення (рис. справа - верх) зовнішнє електричне поле спрямоване назустріч внутрішньому і частково або порожнистістю послаблює його, знижує висоту потенційного бар'єру ( Rпр ). При зворотномувключенні (рис. праворуч - низ) електричне поле збігається у напрямку з полем р-ппереходу і призводить до зростання потенційного бар'єру ( Roбр ).
ВАХ p-n переходу описується аналітичною функцією:
де
U - додане до переходу зовнішнє напруження відповідного знака;
Iо = Iт - зворотний (тепловий) струм р-ппереходу;
- температурний потенціал, де k - постійна Больцмана, q- елементарний заряд(при T = 300К, 0,26 В).
При прямій напрузі ( U>0
) - експоненційний член швидко зростає [ 
], одиницею в дужках можна знехтувати та вважати . При зворотній напрузі ( U<0
) експоненційний член прагне нулю, і струм через перехід практично дорівнює зворотному струму; Ip-n = -Io
.
Вольт-амперна характеристика р-n-Переходу показує, що вже при порівняно невеликих прямих напругах опір переходу падає, а прямий струм різко збільшується.
Пробій p-n переходу.
Пробоєм називають різке зміна режиму роботи переходу, що під зворотним напругою.
Характерною особливістю цієї зміни є різке зменшення диференціального опору переходу (Rдіф
). Відповідну ділянку вольт-амперної характеристики зображено на малюнку праворуч (зворотна гілка). Після початку пробою незначне збільшення зворотної напруги супроводжується різким збільшенням зворотного струму. У процесі пробою струм може збільшуватися при незмінному і навіть зменшується (за модулем) зворотному напрузі (в останньому випадку диференціальний опір Rдіф
виявляється негативним).
Пробою буває лавинний, тунельний, тепловий.І тунельний і лавинний пробій прийнято називати електричним пробоєм.
p align="justify"> Особливе значення мають контакти напівпровідників з різними типами провідності, так званими p-n-переходи. На основі створюються напівпровідникові діоди, детектори, термоелементи, транзистори.
На малюнку 41 зображено схему p-n-переходу.
На межі напівпровідників p-n-типу утворюється так званий «замикаючий шар», що має ряди чудових властивостей, які й забезпечили широке застосування p-n-переходів в електроніці.
Оскільки концентрація вільних електронів у напівпровіднику n-типу дуже висока, а напівпровіднику p-типу в багато разів менше, на межі відбувається дифузія вільних електронів з області n в область p.
Те саме можна сказати і про дірки; вони дифундують навпаки з p n.
Через це в прикордонній області (в «замикаючому шарі») відбувається інтенсивна рекомбінація електронно-діркових пар, замикаючий шар збіднюється носіями струму, його опір різко зростає.
В результаті дифузії по обидві сторони від кордону утворюються об'ємний позитивний заряд в області n і негативний об'ємний заряд в p-області.
Таким чином, у замикаючому шарі виникає електричне поле з напруженістю, силові лінії якого спрямовані від n до p, а значить, і контактна різниця потенціалів 
, де d до - Товщина замикаючого шару. На малюнку 37 зображено графік розподілу потенціалу в p-n-переході.
За нульовий потенціал прийнято потенціал кордону p і n областей.
Слід зауважити, що товщина замикаючого шару дуже мала і на рис. 42 її масштаб для наочності сильно спотворено.
Розмір контактного потенціалу тим більше, що більше концентрація основних носіїв; при цьому товщина замикаючого шару зменшується. Наприклад, для германію при середніх значеннях концентрації атомів домішки.
U до = 0,3 - 0,4 (В)
d до = 10 -6 - 10 -7 (м)
Контактне електричне поле гальмує дифузію електронів з n в p і дірок з p в n і дуже швидко в замикаючому шарі встановлюється динамічна рівновага між електронами і дірками, що рухаються внаслідок дифузії (ток дифузії) і рух їх під дією контактного електричного поля в протилежний бік (дрей струм чи струм провідності).
У режимі струм дифузії дорівнює і протилежний струму провідності, і так як в цих струмах беруть участь і електрони і дірки, повний струм через замикаючий шар дорівнює нулю.
На малюнку 43 зображено графіки розподілу енергії вільних електронів та дірок у p-n-переході.
З графіків видно, що електронам з n області, щоб потрапити до p область, потрібно подолати високий потенційний бар'єр. Отже, це доступно дуже небагатьом із них, найенергійнішим.
У той же час електрони з області p вільно проходять в n область, що заганяються туди контактним полем (котяться в «яму»).
Але в n-області концентрація вільних електронів нікчемна і в режимі, що встановився, незначна однакова кількість електронів рухається через кордон у протилежних напрямках.
Аналогічні міркування можна навести рух дірок через кордон p-n-перехода. В результаті за відсутності зовнішнього електричного поля, повний струм через замикаючий шар дорівнює нулю.
До напівпровідника p-типу p-n-переходу приєднаємо позитивний полюс джерела струму, а до напівпровідника n-типу - негативний, як це показано на малюнку 44.
Тоді електричне поле в цій конструкції, спрямоване від напівпровідника p-типу до напівпровідника n-типу, сприяє спрямованому руху дірок і електронів через замикаючий шар, що призводить до збагачення замикаючого шару основними носіями струму і, отже, зменшення його опору. Дифузійні струми значно перевищують струми провідності як утворені електронами, і дірками. Через p-n-перехід тече електричний струм завдяки спрямованому руху основних носіїв.
У цьому величина контактного потенціалу (потенційний бар'єр) різко падає, т.к. зовнішнє поле спрямоване проти контактного. Це означає, що для створення струму достатньо підключити до p-n-переходу зовнішнє напруження порядку лише кількох десятих часток одного вольта.
Виникаючий тут струм називається прямим струмом. У напівпровіднику p-типу прямий струм є спрямоване рух дірок у бік зовнішнього поля, а напівпровіднику n-типу – вільних електронів у протилежному напрямі. У зовнішніх проводах (металевих) рухаються лише електрони. Вони переміщаються в напрямку від мінусу джерела і компенсують спад електронів, що йдуть через замикаючий шар в область p. А з p електрони через метал йдуть до джерела. Назустріч електронам «дірки» з p-області рухаються через замикаючий шар n-область.
Розподіл потенціалу у разі зображено малюнку 45а
Пунктиром показано розподіл потенціалу p-n-переході за відсутності зовнішнього електричного поля. Зміна потенціалу поза замикаючим шаром зневажливо мало.
На рис. 45б зображено розподіл електронів та дірок за умов прямого струму.
З малюнка 40б видно, що потенційний бар'єр різко впав, і основним носіям струму електронам і діркам легко проникнути через замикаючий шар в «чужі» для них області.
Тепер підключимо позитивний полюс до напівпровідника n-типу, а негативний до p-типу. Під дією такого зворотногонапруги через p-n-перехід протікає так званий зворотний струм.
В цьому випадку напруженості зовнішнього електричного та контактного полів співспрямовані, отже, напруженість результуючого поля збільшується і збільшується потенційний бар'єр, який стає практично непереборним для проникнення основних носіїв через замикаючий шар, і струми дифузії припиняються. Зовнішнє поле прагне, як би відігнати дірки та електрони один від одного, ширина замикаючого шару та його опір збільшуються. Через замикаючий шар проходить тільки струми провідності, тобто струми, спричинені спрямованим рухом неосновних носіїв. Але оскільки концентрація неосновних носіїв набагато менше, ніж основних, цей зворотний струм набагато менше прямого струму.
На малюнку 45в зображено розподіл потенціалу p-n-переході у разі зворотного струму.
Чудова властивість p-n-переходу полягає у його односторонній провідності.
При прямому напрямі зовнішнього поля від p до n - Струм великий, а опір маленький.
При зворотному напрямку струм невеликий, а опір великий.