Что такое несимметричный p n переход запишите уравнение электронейтральности

Это переход, который образуется в p- и n-п/п с различной концентрацией примесей, т.е. с различной концентрацией основных и неосновных носителей.

Рассмотрим случай, когда концентрация акцепторов больше концентрации доноров.

N, P

P_p

N _p N _n

P _n x

-φ

+φ x

E_К x

x

На границе контакта возникает концентрация и , но поскольку , то диффузионное движение дырок из п/п p-типа в п/п n-типа более интенсивное, чем движение электронов обратно. Следовательно, диффузионная составляющая тока через переход определяется диффузионным потоком дырок. Поскольку P_n>N_p , то дрейфовая составляющая тока в основном определяется потоком дырок из n-п/п.

Условия равновесия для п/п:

Область, обеднённая дырками, значительно уже, чем область, обеднённая электронами. Следовательно, запирающий слой лежит в основном в высокоомной n-области. Поскольку N_а>N_д , то

При подключении внешнего напряжения равновесие нарушается. При прямом включении высота потенциального барьера уменьшается и течёт диффузионный ток. Величина этого тока определяется в основном движением дырок.

Такое преимущественное введение зарядов в п/п, в котором эти заряды будут неосновными носителями, называется инжекцией неосновных носителей.

При подключении обратного напряжения через несимметричный p-n-переход потечёт ток, обусловленный в основном движением дырок из n-области в p-область (ток насыщения). Форма p-n-перехода не изменяется.

В несимметричном переходе п/п с высокой концентрацией основных носителей называетсяэмиттером, второй п/п называется базой.

Переходы типа p-i, n-i, p-p + , n-n + .

W, U p i

eφ_K x

W_с eφ_0p eφ_0i

W_Ф

ВЗ W_В

N, P

P_p N_p N_i

x

При контакте p-i в результате разности концентраций P_p>N_i и N_i>N_p, возникает диффузия дырок в собственный п/п и электронов в п/п p-типа.

Разность потенциалов на переходе образуется за счёт ионов акцепторов в p-п/п и дырок в собственном

Запирающий слой в большей части находится в области собственного п/п, поскольку его удельное сопротивление больше.

Аналогичная картина получается при контакте высоколегированного п/п p + с низколегированным p. Высота потенциального барьера меньше, поскольку меньше разность концентраций дырок.

Видео:PN переходСкачать

Что такое p-n переход

Видео:3. Что такое pn-переход и зачем он нуженСкачать

Атомы и ковалентная связь

Для начала давайте разберемся на уровне атомов что и как работает. Это будет небольшое предисловие.

Вся материя состоит из молекул, а молекулы в свою очередь из атомов. И у каждого атома есть протоны, нейтроны и электроны.

Протоны образуют с нейтронами ядро, в котором их равное количество.

Исключение — это водород у которого есть только один протон в ядре, без нейтрона.

Вокруг ядра находятся орбиты электронов (кстати, сейчас принято считать, что это облако электронов). Между ними действуют сильные и слабые силы, которые являются основой атомов. Далее на изображениях не будем указывать протоны и нейтроны для простоты восприятия.

Конечно, можно погрузиться и дальше, что есть мезоны, кварки и другие фундаментальные частицы. А еще, что на электронных оболочках атомов электроны распределены в виде «газа» и их не получится точно обнаружить, только с определенной долей вероятности. Однако, это не обязательно знать для понимания принципов работы общей цифровой электроники.

Достаточно просто принять тот факт, что есть атомы, у которых присутствуют ядра с положительным зарядом, а вокруг этого ядра находятся орбиты с электронами.

Электроны и протоны имеют противоположные знаки.

В электрически нейтральном атоме количество электронов и протонов одинаково. Все электроны распределены по разным уровням. Кто ближе к ядру – по два электрона, следующий уровень по 4 электрона и так далее. Но если по какой-либо причине атом теряет электрон, то такой атом становится положительным ионом.

Ему не хватает электрона на своей внешней электронной орбите, которая называется валентным уровнем. С валентного уровня у атома проще «забрать» электрон. А такие электроны, которые находятся на валентном уровне, называются валентными электронами.

Положительный ион (атом, у которого не хватает электронов) будет со знаком +, так как у него дефицит электронов, и он будет притягивать или притягиваться к свободному электрону (зависит от среды).

Все атомы в молекулах соединены друг с другом на валентном уровне, то есть при помощи ковалентной связи.

На валентном уровне связь ядра с электронами намного меньше, чем на других, поэтому атомы могут образовывать материю, соединяясь с другими атомами. Так и получаются химические реакции и соединения атомов друг с другом.

Видео:PN - переход. Зонная структура pn переходаСкачать

Полупроводники и кристаллическая решетка

Теперь плавно переходим к полупроводникам. У полупроводников, таких как кремний (Si) и германий (Ge) на ковалентном уровне есть по 4 электрона.

Не путайте кремень и кремний. Кремень – это минерал, а кремний – это химический элемент, который был открыт в 1810 году.

Особенность полупроводников заключается в том, что их атомы друг с другом образуют парные связи.

Допустим, есть атом кремния. У него 4 электрона на валентном уровне. Если к нему присоединить еще 4 атома кремния, то получится кристаллическая решетка. 4 атома связаны друг с другом 4 своими электронами.

На картинке показана связь атомов в плоскости. В реальности она естественно, находится не в одной плоскости, а в пространстве.

То есть, каждый атом может образовывать устойчивую связь друг с другом, по 4 штуки с каждой стороны и плоскости.

Особенность полупроводников заключается в том, что эта кристаллическая решётка очень устойчива.

Кстати, проводимость полупроводников сильно зависит от внешних условий (давление, температура, радиация, свет). Намного сильнее, чем у других материалов. Это все связано с особенностью кристаллической решетки, которая позволят делать солнечные батареи, датчики, камеры и много чего еще.

Итак, атомы полупроводников без примесей электрически нейтральны.

И что самое главное, они все равно будут связаны друг с другом. Общая ковалентная связь позволят им обмениваться друг с другом электронами.

Проводимость полупроводников в нормальных условиях практически такая же, как у диэлектриков, то есть очень низкая.

Видео:Электрический ток через контакт полупроводников р и n типов | Физика 10 класс #58 | ИнфоурокСкачать

Проводимость кристаллической решетки с примесями

Свободных электронов в чистом полупроводнике мало, и это объясняет низкую проводимость материала.

Однако, при повышении температуры электроны на валентном уровне получают большую энергию, и могут быстрее покидать свои орбиты. Поэтому материал становится более проводимым при повышении температуры.

И из-за этого полупроводники получили свое название. Это и проводник, и диэлектрик в одном флаконе, который меняет свою проводимость из-за внешних условий.

Донорская примесь и n-тип

Если добавить в кристаллическую решетку кремния атом, у которого 5 валентных электронов, то из-за него в кристалле появятся свободные электроны.

Например, есть атом мышьяка (As) и атомы кремния (Si).

4 валентных электрона мышьяка образуют валентную связь с другими атомами кремния. А вот один электрон будет находится в зоне проводимости. То есть, он станет свободным электроном.

А вот атом мышьяка, который непреднамеренно отдал свой электрон, станет положительным ионом. И несмотря на это, кристаллическая решетка остается стабильной.

Полупроводник с примесью, в котором находятся свободные электроны, называется полупроводником n-типа. Основные носители заряда – свободные электроны. Неосновные – дырки.

Примеси добавляют при помощи легирования. Оно может быть, как металлургическим (повышением температуры, изготовление сплавов), так химическим (ионное и диффузное).

Если подать ток по такому материалу, то свободные электроны из примеси притягиваются положительным потенциалом. А с отрицательного потенциала приходят «новые» электроны, взамен старым, которые ушли к положительному потенциалу.

Акцепторная примесь и p-тип

А что будет, если в полупроводник добавить атом с тремя валентными электронам, например бор (B)?

Тогда три валентных электрона атома бора создадут связь с другими атомами кремния. Однако теперь в кристалле с такой примесью будет не хватать одного электрона.

Это отсутствие электрона называется дыркой. По сути, это положительный потенциал, но для простоты понимания его принято называть дыркой.

Это не ион и не элементарная частица. Это дефицит электрона у атомов. И тот атом, у которого будет не хватать электрона на своей орбите, будет притягивать к себе и свободные электроны, которые оказались в кристалле, и электроны от соседних атомов.

Такая примесь в кристалле также повышает его проводимость. И эта примесь называется акцепторной. То есть, примесные атомы создают дефицит электронов в кристаллической решетке.

Поэтому, такой полупроводник с акцепторной примесью называются p-типом. Его основные носители заряда – дырки. А неосновные – электроны.

Если пустить ток по такому материалу, то к отрицательному потенциалу будет притягиваться дырка к новому поступающему электрону из источника тока. А вот к положительному потенциалу будут уходить электроны, которые находились в кристалле.

Кстати, примесный атом бора получается отрицательно заряженным ионом, поскольку при прохождении тока на его орбите будет не 3 электрона, а 4, что является для него избытком.

Ток неосновных зарядов

Как уже было сказано выше, у p-типа основные носители заряда — это дырки, а у n-типа — это электроны. Неосновные носители соответственно, наоборот. И неосновные носители зарядов тоже участвуют при прохождении тока.

Конечно, неосновных носителей зарядов намного меньше, чем основных, но не стоит их полностью игнорировать, особенно когда речь идет о p-n переходе.

Видео:Урок 306. Электронно-дырочный переход. Полупроводниковый диодСкачать

Создание p-n перехода

Что будет, если соединить два кусочка кремния c примесями p-типа и n-типа вместе? Получится p-n переход. Или как его еще называют — электронно-дырочный переход.

Этот переход является разграничительной зоной между p-областью и n-областью.

И особенностью этого перехода является то, что этот переход состоит из ионизированных примесных атомов, которые не позволяют свободным зарядам из двух разных областей соединяться друг с другом. Он образовался от такого явления, как диффузионный ток.

Этот ток возникает при нагреве (изготовлении перехода). Носители зарядов рекомбинируют друг с другом и уравновешивают баланс. Диффузионный ток под воздействием тепла хаотичный, и не имеет упорядоченного направления, если на него не действует вешнее напряжение.

Например, электроны из n-области начинают накапливаться возле положительных ионов примеси, но так как с другой стороны находятся отрицательные ионы n-области, они не могут перейти этот барьер. С дырками ситуация аналогична.

Свободные электроны из n-области не могут перейти в p-область из-за барьера, который создан ионизированными донорскими примесями. Здесь создается электрическое поле, которое действует как барьер для дырок и электронов. И из-за этого в p-n переходе отсутствуют свободные носителя зарядов. Переход их попросту отталкивает от себя с двух сторон.

Кстати, еще одно название барьера – обедненная область.

А в целом, кристалл остается электрически нейтральным. Если бы не было этого барьера, свободные носители заряды уравновесили бы друг друга.

Преодоление потенциального барьера

Чтобы свободные электроны и дырки могли пройти через этот барьер, нужно приложить внешнее напряжение, которое будет превышать напряжение, требуемое для перехода барьера.

Подключим к n-области минус источника тока, а к p-области плюс источника тока. Такое включение называется прямым. Еще n-область в приборах называют катодом, а p-область — анодом.

Напряжение источника должно быть выше, чем то, которое требуется для открытия p-n перехода.

Допустим, потенциальный барьер равен 0,125 Вольт. Чтобы преодолеть его, подключим источник с напряжением 5 В.

Чтобы не перегружать восприятие, на схеме не показаны неосновные носители зарядов.

И благодаря воздействию электрического поля внешнего источника, свободным носителям хватает энергии для того, чтобы перейти этот потенциальный барьер и преодолеть его электрическое поле. Переход подключен с прямым смещением.

Свежий электрон идет с источника, переходит в n-область, далее преодолевает барьер и переходит дырке, где происходит рекомбинация. И далее этот электрон идет на встречу к дырке, которая идет с положительного потенциала, подключенного к p-области. То есть, по p-n переходу проходит электрический ток. Этот ток называют еще диффузионным током или током прямого включения – когда основные носители зарядов упорядочено движутся к внешнему источнику тока.

Аналогична ситуация с дырками. Положительный потенциал внешнего источника, который подключён к p-области, будет забирать электрон, а на его месте появится дырка. Дырка в свою очередь будет двигаться к барьеру и далее к отрицательному потенциалу источника.

Ток, который создается дырками называется дырочным. Соответственно, ток, который создается электронами – электронным.

А на этой схеме переход показан без барьера, но с обратным током.

Неосновные носители зарядов в свою очередь действуют наоборот, от чего и возникает дополнительное сопротивление в p-n переходе.

Обратный ток может быть равен всего нескольким микроамперам.

Обратное включение

Поменяем полярность внешнего источника на противоположную. Минус к p-области, а плюс к n-области. Что же будет происходить с барьером и током зарядов?

Барьер увеличится за счет того, что основные носители зарядов будут притягиваться к внешнему источнику. Увеличится сопротивление потенциального барьера и напряжение его открытия.

Однако, не смотря на все это, через p-n переход будет протекать обратный ток.

Этот обратный ток очень мал, поскольку создается неосновными носителями заряда. Он еще называется дрейфовым током.

Видео:Консультация по курсу "Основы современной физики". Билет №29Скачать

Применение p-n перехода

Вот так и работает простой диод, который состоит из p-n перехода. По-простому, p-n переход – это и есть классический диод. И он может работать как при прямом включении, так и при обратном. А вообще, вся современная цифровая техника состоит из p-n переходов.

Транзисторы, тиристоры, микросхемы, логические элементы, процессоры и многое другое основано именно на этом.

Контролируемый лавинообразный пробой

А что будет, если превысить напряжение потенциального барьера? Например, оно равно 7 В. А на схеме источник 5 В. Если подключим источник на 8 В, то наступит лавинообразный ток.

Неосновные носители зарядов будут забирать с собой основные. От части этот процесс контролируем, если не превышать напряжение источника выше, чем может выдержать p-n переход.

Электрический пробой

Если еще больше повысим напряжение, то будет электрический пробой. Эти явления широко используются на практике, например, в качестве стабилизаторов.

Ток не пойдет по цепи пока не будет то напряжение, которое требуется для открытие обратного смещенного p-n перехода.

И электрический пробой контролируется. Стабилитроны (так называются диоды, которые работают в таком режиме) делаются специально с широкими p-n переходами, которые долго работают под постоянными нагрузками.

Тепловой пробой

Но если радиодеталь изначально не рассчитана электрический пробой, то она быстро нагреется и произойдет тепловой пробой. Дырки и электроны получат тепловую энергию, из-за которой барьер полностью разрушится. Переход нагревается и трескается под действием температуры. Это необратимый процесс.

Вообще, когда техника «перегорает» — это и есть явление теплового пробоя, то есть превышение допустимой температуры.

И во время пайки тоже может случиться тепловой пробой. Достаточно немного перегреть деталь и p-n переход будет разрушен.

Соответственно, если пустить по диоду ток, который превышает его пропускную способность, то тоже случится тепловой пробой. Тоже самое касается и рассеиваемой мощности.

Видео:Электронно-дырочный переходСкачать

Как избавиться от обратного тока

А можно ли избавиться от обратного тока? Для этого в переход добавляют металлические примеси, которые убирают неосновные носители зарядов при обратном включении.

Но и обратный ток можно использовать на практике.

Например, с его помощью реализуются обратная связь, некоторые функции и измерения.

Видео:Образование электронно-дырочного переходаСкачать

Как еще применяется обратное включение

А еще, обратное включение очень похоже на конденсатор. Взгляните на схему. Это же две обкладки конденсатора, посередине которого есть «диэлектрик». И электронно-дырочный переход обладает емкостью. И это тоже используется на практике. Так называется полупроводниковый конденсатор.

В радиоприёмниках используют вместо подстрочных конденсаторов варикапы. Варикапы легко настроить. Нужно всего лишь подать напряжение обратным смещением определенного значения, для повышения или понижения емкости.

Конечно, это не основное применение p-n перехода. Переход используется во всей цифровой технике по-разному.

Выпрямители, усилители, генераторы, процессоры, солнечные батареи и много другое. И то, что было описано выше про принцип работы p-n перехода – это принцип работы обычного диода.

Это наиболее простое описание принципа работы p-n перехода. Он бывает разных типов, и в полупроводниках есть физические явления, которые возникают при различных условиях.

Да и изготовление полупроводниковых радиодеталей бывает разным. Полупроводники разделяются на целые классы со своими особенностями. А микропроцессорное производство – это отдельный вид искусства.

Видео:лекция 355 Тиристор краткое описаниеСкачать

Исследование характеристик и параметров электронно-дырочных переходов (стр. 1 )

Из за большого объема этот материал размещен на нескольких страницах: 1 2 3 4

Министерство образования Российской Федерации

ГОУ ВПО «Уральский государственный технический университет – УПИ»

ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК И ПАРАМЕТРОВ

Методические указания к лабораторным работам по дисциплине «Физические основы электроники» для студентов всех форм обучения направлений 552500 – Радиотехника; 654200 – Радиотехника по специальностям: 200700 – Радиотехника; 201600 – Радиоэлектронные системы; 654400 — Телекоммуникация по специальностям: 200900 — Сети связи и системы коммутации; 201200 – Средства связи с подвижными объектами

Научный редактор проф., канд. техн. наук

ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК И ПАРАМЕТРОВ ЭЛЕКТРОННО-ДЫРОЧНЫХ ПЕРЕХОДОВ: Методические указания к лабораторным работам по дисциплине «Физические основы электроники» / ,
. Екатеринбург: ГОУ ВПО УГТУ-УПИ, 20с.

Методические указания содержат описания физических процессов, возникающих при образовании p-n перехода, равновесного и неравновесного состояния p-n перехода, вольт-амперных характеристик идеального и реального p-n переходов, типов пробоев электронно-дырочных переходов. Рассматривается влияние температуры на характеристики и параметры электронно-дырочных переходов.

Приводятся описания схем экспериментальных исследований, лабораторные задания и методика обработки результатов эксперимента, вопросы для самопроверки, библиографический список и приложения.

Библиогр.: 18 назв. Табл.4. Рис. 18. Прил. 5.

Подготовлено кафедрой «Радиоэлектроника информационных систем».

© ГОУ ВПО «Уральский государственный

технический университет – УПИ», 2003

Видео:Как сдавать проекты, статьи, дата шиты, Е и фи ЭДП, плавный-резкий ЭДП - ФОЭ дист 22 апреля 2020Скачать

1. ЦЕЛЬ ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ

Ознакомиться с физическими основами работы электронно-дырочных переходов, приобрести навыки экспериментального исследования электронно-дырочных переходов, исследовать влияние материала полупроводника и температуры окружающей среды на характеристики и параметры электронно-дырочных переходов.

Каждая лабораторная работа включает в себя следующее:

¨ самостоятельная подготовка теоретического материала;

¨ входной тестовый контроль;

¨ обработка экспериментальных данных;

¨ анализ полученных результатов;

Данные указания содержат только основной теоретический материал, поэтому при подготовке к занятиям необходимо проработать соответствующие разделы в основных учебниках курса (см. библиографический список). Проверить полноту подготовки можно по вопросам самопроверки.

Видео:Основы электротехники. 06. Переходные процессыСкачать

2. ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В ЭЛЕКТРОННО-ДЫРОЧНЫХ ПЕРЕХОДАХ

2.1. Понятие и образование электронно-дырочного перехода

Электрическим переходом называется переходный слой между областями твердого тела с различными типами или значениями проводимости, физические характеристики которых существенно различаются. Например, между областями полупроводников n — и p-типов, металлом и полупроводником, диэлектриком и полупроводником и т. д.

Электрический переход между областями полупроводника с электропроводностью p — и n-типов называют электронно-дырочным переходом или p-n переходом. Такой переход обладает выпрямляющими или вентильными свойствами: он гораздо лучше пропускает ток в одном направлении, чем в другом, что используется в полупроводниковых диодах.

Упрощенная структура p-n перехода представлена на рис.1. Поверхность, по которой контактируют слои p — и n-, называется металлургической границей, а прилегающая к ней область объемных зарядов p-n переходом. Два других (внешних) контакта диода – невыпрямляющие, поэтому их называют омическими.

По резкости металлургической границы p-n переходы делят на ступенчатые и плавные переходы, а по соотношению удельных сопротивлений слоев – на симметричные и несимметричные переходы.

Ступенчатым (резким) переходом называют переход с идеальной границей, по одну сторону которой находятся доноры с постоянной концентрацией Nд, а по другую – акцепторы с постоянной концентрацией Nа. Смена типа примеси в таком переходе происходит на расстоянии, соизмеримом с диффузионной длиной. Такие переходы наиболее просты для анализа. В плавном переходе концентрации примесей изменяются на расстоянии, значительно большем диффузионной длины, металлургическая граница в этом случае соответствует равенству примесных концентраций (Nд = Nа).

В симметричном переходе концентрации примесей в p — и n — областях примерно одинаковы, такой переход не типичен для полупроводниковой техники. В несимметричном переходе концентрация акцепторов Nа в области полупроводника p-типа на несколько порядков отличается от концентрации доноров Nд в области полупроводника n-типа: Nа >> Nд или Nа > nn или pp > Nд, то lp >Nд.
У изолированных p — и n-областей энергии Ферми неравны, поэтому при составлении энергетической диаграммы p-n перехода в равновесном состоянии необходимо сместить энергетические уровни n-области относительно энергетических уровней p-области, как и показано на рис. 3. В результате смещения энергетических уровней создается энергетический (потенциальный) барьер величиной

Основные носители заряда областей полупроводника p — и n-типов, энергия которых больше высоты барьера, преодолевают его. Основные носители заряда, переходящие p-n переход в тормозящем для них электрическом поле, образуют диффузионную составляющую тока перехода iD. В то же время неосновные носители заряда, находящиеся вблизи p-n перехода и совершающие тепловое хаотическое движение, попадают под действие электрического поля p-n перехода, увлекаются им и переносятся в противоположную область: электроны p-области в n-область; дырки n-области в p-область. Неосновные носители заряда, двигающиеся через переход под действием напряженности электрического поля Eк, образуют дрейфовую составляющую тока iE через переход.

Условие равновесия выполняется, когда диффузионный ток iD будет компенсирован встречным дрейфовым током iE и полный ток через переход будет равен нулю: .

Видео:Полупроводники, 1978Скачать

2.3. Неравновесное состояние p-n перехода

Если подключить источник э. д.с. U между p — и n-слоями, то равновесие перехода нарушится и в цепи потечет ток. Поскольку удельное сопротивление обедненного слоя намного выше, чем удельные сопротивления нейтральных слоев, то внешнее напряжение практически полностью падает на переходе и изменяет высоту потенциального барьера.

2.3.1. Прямосмещенный p-n переход

Если к p-области подсоединить положительный полюс внешнего источника напряжения, а к n-области — отрицательный, такое включение p-n перехода получило название прямого смещения p-n перехода.

В этом случае под действием внешнего электрического поля основные носители заряда начнут перемещаться в сторону p-n перехода, а также уменьшится высота потенциального барьера и ширина перехода, что видно из потенциальной диаграммы рис.4.

, (4)

. (5)

В результате частичной компенсации внешним напряжением потенциального барьера происходит резкое увеличение тока диффузии через переход: так как все больше основных носителей заряда оказываются способными преодолеть уменьшившийся потенциальный барьер. Следовательно, существовавший в равновесном состоянии баланс токов диффузии и дрейфа нарушается и через переход потечет ток, который называется прямым.

Рис.4. Схема включения p-n перехода при прямом смещении и потенциальная диаграмма p-n перехода

На рис.4 обозначено: Uпр — напряжение внешнего источника, приложенного к p-n переходу в прямом направлении; Eвн — напряженность внешнего электрического поля; 1 — распределение потенциала вдоль p-n перехода в равновесном состоянии; 2 — распределение потенциала вдоль p-n перехода при прямом смещении; lo — ширина p-n перехода в равновесном состоянии; lпр — ширина прямосмещенного p-n перехода.

В несимметричном p-n переходе ток диффузии создается в основном потоком дырок из p-области в n-область, а так как встречный поток электронов мал, им можно пренебречь: (Nа = 1018см-3) >> (Nд = 1015см-3); iDp >> iDn. При этом в n-области существенно возрастает концентрация избыточных неосновных носителей заряда — дырок, перешедших из p-области. Это образование избыточной концентрации носителей заряда получило название инжекции.

Инжекцией называется процесс нагнетания носителей заряда через p-n переход в область полупроводника, где они являются неосновными носителями за счет снижения потенциального барьера.

В несимметричном переходе инжекция имеет односторонний характер. Область, инжектирующая носители заряда, называется эмиттером. Эта область сильно легирована примесями и имеет низкое удельное электрическое сопротивление. Область, в которую инжектируются неосновные для нее носители заряда, называется базой. База меньше легирована примесями и имеет большое значение удельного электрического сопротивления.

Энергетическая диаграмма p-n перехода при прямом смещении приведена на рис.5.

При прямом смещении уровень Ферми полупроводника в n-области смещается вверх относительно его положения в p-области на величину, равную q×Uпр. Соответственно на эту же величину снижается высота энергетического барьера.

Рис.5. Энергетическая диаграмма прямосмещенного p-n перехода

В результате инжекции в p — и n-областях на границах перехода окажутся дополнительные носители заряда, не основные для данной области. Вблизи p-n-перехода концентрации дырок в n — области и электронов в p- области оказываются больше равновесной концентрации, определяемой по закону действующих масс:

, . (6)

Значит, в каждом из слоев появляются избыточные носители (т. е. происходит инжекция):

, . (7)

Из (7) следует, что избыточные концентрации неосновных носителей заряда на границе p-n перехода увеличиваются по экспоненциальному закону в зависимости от напряжения, приложенного к нему.

Дополнительные неосновные носители заряда в течение времени
(3¸5) te компенсируются основными носителями заряда, которые приходят из объема полупроводника (где te.- время диэлектрической релаксации [3]). В результате на границе p-n-перехода появляется заряд созданный основными носителями заряда, и выполняется условие , . Электронейтральность полупроводника восстанавливается. Такое пере-распределение основных носителей заряда приводит к появлению электрического тока во внешней цепи, так как по ней поступают носители заряда взамен ушедших к p-n-переходу и исчезнувших в результате рекомбинации.

Дрейфовая составляющая тока при приложении прямого напряжения остается практически без изменения. Это обусловлено тем, что создающие этот ток неосновные носители генерируются вблизи p-n-перехода на расстоянии, меньшем диффузионной длины L (где L – среднее расстояние, на которое носитель диффундирует за время жизни [3]). Те заряды, которые рождаются на большом расстоянии, в основном рекомбинируют не дойдя до перехода. Изменение ширины перехода для носителей заряда этого происхождения не играет существенной роли. Они как генерировались в пределах толщины, определяемой диффузионной длиной, так и будут генерироваться. Соответственно ток, обусловленный движением этих носителей заряда, останется без изменения, т. е. таким же, как и в равновесном состоянии.

Таким образом, для несимметричного (Nа >> Nд) прямосмещенного p-n перехода характерны следующие соотношения между токами:

iDp >> iDn, iD >> iE.

2.3.2. Обратносмещенный p-n переход

Если к p-области подключить отрицательный полюс внешнего источника напряжения, а к n-области — положительный, то такое включение p-n перехода получило название обратного смещения p-n перехода. Схема включения p-n перехода представлена на рис.6.

Под действием обратного напряжения Uобр основные носители заряда будут перемещаться от границ p-n перехода вглубь прилегающих к нему областей. При этом общий потенциальный барьер повышается, ширина p-n перехода увеличивается, что хорошо демонстрируется потенциальной диаграммой рис.6.

, (8)

. (9)

Приближенная запись (9) оправдана, так как çUобрç >> jк. Из (9) видно, что p-n переход расширяется нелинейно с увеличением приложенного напряжения Uобр: вначале более быстро, затем расширение p-n перехода замедляется.

Рис.6. Схема включения p-n перехода при обратном смещении и потенциальная диаграмма p-n перехода

Здесь обозначено: lо — ширина p-n перехода в равновесном состоянии, определяемая по зависимости 1 (распределение потенциалов в равновесном состоянии p-n перехода); lобр — ширина обратносмещенного p-n перехода, определяемая по зависимости 2 (распределение потенциалов при обратном смещении p-n перехода); jк — высота потенциального барьера в равновесном состоянии p-n перехода; (jк+çUобрç) — высота потенциального барьера обратносмещенного p-n перехода.

При подаче обратного напряжения увеличивается потенциальный барьер, так как напряженность внешнего электрического поля Eвн совпадает с направлением напряженности внутреннего электрического поля Eк, уменьшается число основных носителей заряда, способных его преодолеть, и ток диффузии уменьшается. Уже при çUобрç = (0,1¸0,2) В ток диффузии становится равным нулю, а через p-n переход протекает только ток неосновных носителей заряда, образующих дрейфовую составляющую тока.

В результате действия обратного напряжения снижается концентрация неосновных носителей заряда у границ p-n перехода и появляется их градиент концентрации. Возникает диффузия неосновных носителей заряда к границам p-n перехода, где они подхватываются электрическим полем p-n перехода и переносятся через p-n переход. Это поясняется диаграммой распределения концентраций основных и неосновных носителей заряда в областях p-n перехода, приведенной на рис.7, на котором обозначено: Ln, Lp — длина диффузии электронов и дырок.

Рис.7. Распределение концентраций носителей заряда в обратносмещенном p-n переходе

Как показано на рис.7, концентрация неосновных носителей заряда на границах p-n перехода практически падает до нуля. Снижение концентраций неосновных носителей заряда у границ p-n перехода, появление градиента их концентрации и диффузия неосновных носителей заряда к p-n переходу характеризуются экстракцией.

Экстракцией называется извлечение неосновных носителей заряда из областей, примыкающих к p-n переходу, под действием ускоряющего электрического поля перехода.

В несимметричном p-n переходе экстракция преобладает из базы в эмиттер.

Энергетическая диаграмма p-n перехода при обратном смещении приведена на рис.8.

При обратном смещении уровень Ферми полупроводника в n-области смещается вниз относительно его положения в p-области на величину, равную q×Uобр. Соответственно на эту же величину повышается высота энергетического барьера.

Рис.8. Энергетическая диаграмма обратносмещенного p-n перехода

Обратный ток определяется дрейфовой составляющей и равен

.

Поскольку мы рассматриваем несимметричный переход, то имеем pn >> np и iЕр >> iЕn, а следовательно, можно приближенно записать iЕ » iЕp; таким образом, дрейфовый ток несимметричного p-n перехода – ток обратносмещенного p-n перехода создается преимущественно неосновными носителями базы.

Видео:Переходные процессы | Классический метод расчета переходных процессов. Теория и задачаСкачать

2.4. Вольт-амперная характеристика реального p-n перехода

Вольт-амперная характеристика представляет собой зависимость тока во внешней цепи p-n перехода от значения и полярности напряжения, прикладываемого к нему.

2.4.1. Прямая ветвь ВАХ реального p-n перехода

Под прямой ветвью ВАХ p-n перехода понимается зависимость прямого тока перехода от величины прямого напряжения: Iпр=f(Uпр), которая для идеального перехода описывается выражением

. (10)

Как показано на рис.9, прямая ветвь идеального p-n перехода должна быть экспоненциальной. На прямую ветвь ВАХ реального p-n перехода оказывают влияние ряд факторов, существенными из которых являются: материал полупроводника, используемый для изготовления p-n перехода; сопротивление базы p-n перехода; температура окружающей среды; степень легирования областей перехода.

Характеристика близка к экспоненциальной только в начале зависимости — участок ОА ВАХ, а далее рост тока при увеличении прямого напряжения замедляется и характеристика становится более пологой — участок АВ ВАХ. Этот участок характеристики называют омическим, поскольку здесь оказывает влияние объемное сопротивление базы rб p-n перехода. Ток, протекая через rб, создает падение напряжения:

.

При этом внешнее напряжение не полностью падает на p-n переходе, а распределяется между ним и слоем базы. С учетом этого уравнение реальной ВАХ принимает вид

. (11)

Объемное сопротивление базы находится по формуле

, (12)

где rб — удельное электрическое сопротивление полупроводника области базы; Wб — ширина базы; S — площадь сечения базы.

Влияние объемного сопротивления базы на прямую ветвь ВАХ реального p-n перехода проявляется в виде смещения прямой ветви в сторону бо¢льших значений прямых напряжений. Поэтому, чем больше rб, тем положе идет прямая ветвь ВАХ реального p-n перехода, как и отмечено на рис.9. Как правило, p-n переходы с большими значениями rб выполняются для увеличения допустимого рабочего обратного напряжения на p-n переходе.

Даже при одинаковых условиях (одинаковая концентрация примесей; постоянная температура окружающей среды) ВАХ p-n переходов, выполненных из разных полупроводниковых материалов, отличаются. Главная причина этого — различное значение ширины запрещенной зоны полупроводниковых материалов. Чтобы появился прямой ток, необходимо уменьшить величину потенциального барьера. Для этого на p-n переход нужно подать прямое напряжение, близкое к значению контактной разности потенциалов. В p-n переходе на основе Германия jк = (0,3¸0,4) В, в p-n переходе на основе кремния jк = (0,6¸0,8) В, а в p-n переходе на основе арсенида галлия jк = (1,0¸1,2) В, поэтому прямая ветвь ВАХ кремниевого p-n перехода относительно германиевого смещается вправо на (0,3¸0,5) В, а в p-n переходе на основе арсенида галлия это смещение ВАХ значительнее.

Рис.9. Прямая ветвь ВАХ p-n перехода: 1 – идеальный p-n переход; 2 – реальный p-n переход

С увеличением температуры окружающей среды растет прямой ток
p-n перехода. Выражение для прямого тока можно записать в виде

.

Отсюда следует, что при увеличении температуры показатель степени экспоненты уменьшается, но ток Iо растет быстрее. Используя выражение для Iо, можно записать выражение для прямого тока в виде

. (13)

Влияние температуры на прямую ветвь ВАХ реального p-n перехода представлено на рис.10.

Для оценки влияния температуры вводится

температурный коэффициент напряжения прямой ветви, под которым понимается величина, показывающая на сколько изменится прямое напряжение для получения одной и той же величины прямого тока при изменении температуры на 1 градус.

ТКНпр = DUпр / DT = (Uпр2-Uпр1) / (T2-T1) » — (1¸3) мВ / °С.

Iпр = const Iпр = Iпр1

Рис.10. Влияние температуры на прямую ветвь ВАХ p-n перехода:

1 – Т1=+20°С; 2 – Т2=+50°С

Как видно, значение ТКН меньше нуля. Физическое объяснение этого факта сводится к следующему. При увеличении температуры уменьшается контактная разность потенциалов, энергия основных носителей заряда возрастает, соответственно растет диффузионная составляющая тока и прямой ток увеличивается.

2.4.2. Обратная ветвь ВАХ реального p-n перехода

Под обратной ветвью вольт-амперной характеристики p-n перехода понимается зависимость обратного тока от значения обратного напряжения:

Iобр = f(Uобр). Для идеального p-n перехода обратная ветвь определяется выражением

где .

Iо называют тепловым током, поскольку он создается теми неосновными носителями заряда, которые возникают в результате тепловой генерации в объемах полупроводника, прилегающих к границам p-n перехода. Величина этих объемов при площади p-n перехода S = 1, равна диффузионной длине неосновных носителей заряда. Носители заряда, генерируемые за пределами этих объемов, не могут участвовать в создании Iо, так как за время жизни они не в состоянии достичь границы p-n перехода. Тепловой ток удваивается при увеличении температуры на каждые 10°С. Этот ток также называют током насыщения, так как он не зависит от внешнего напряжения.

Отличия реальной обратной ветви ВАХ p-n перехода от идеальной состоят в следующем: обратный ток реальной ВАХ растет при увеличении обратного напряжения p-n перехода и имеет значение, не равное Iо. Данная зависимость приведена на рис.11. Это объясняется тем, что в реальном p-n переходе обратный ток содержит несколько составляющих:

Iобр = Iо + Iт/г + Iу, (15)

где Iо — ток насыщения, или тепловой ток; Iт/г — ток термогенерации; Iу — ток утечки.

Следует отметить, что обратный ток кремниевых p-n переходов много меньше обратного тока германиевых p-n переходов. Это связано с различием ширины запрещенной зоны: DWз Ge = 0,72 эВ; DWз Si = 1,12 эВ. Ток насыщения определяется в основном неосновными носителями заряда, имеющими место в примесном полупроводнике. Так, например, в полупроводнике n-типа это дырки – pn, концентрация которых определяется в соответствии с законом действующих масс: pn = ni2 / nn. Известно, что ni Ge » 1013см-3, а ni Si » 1010см-3 . При равной концентрации примеси получаем, что концентрация неосновных носителей заряда в кремниевом полупроводнике на шесть порядков меньше, чем в германиевом примесном полупроводнике, поэтому ток Iо в кремниевом p-n переходе пренебрежимо мал.

📹 Видео

Урок 25. Что такое Переменный ТОК | Практические примерыСкачать

Упр 1.2 - Физика 7 класс ПёрышкинСкачать

Упр 1.1 - Физика 9 класс ПёрышкинСкачать

Связь между напряженностью электростатического поля и напряжением | Физика 10 класс #51 | ИнфоурокСкачать

✓ Система неравенств с параметром | ЕГЭ-2017. Задание 17. Математика. Профиль | Борис ТрушинСкачать