» » » p-n переход

Физика / Полупроводниковая электроника

p-n переход

 
p-n (пэ-эн) переход —  область пространства на стыке двух полупроводников p- и n-типа, в которой происходит переход от одного типа проводимости к другому, такой переход ещё называют электронно — дырочным переходом.

Всего есть два типа полупроводников это p и  n типа. В  n — типе основными носителями заряда являются электроны, а в p — типе основными — положительно заряженные дырки. Положительная дырка возникает после отрыва электрона от атома и на месте него образуется положительная дырка.

Что бы разобраться как работает p-n переход надо изучить его составляющие то есть полупроводник p — типа и n — типа.

Полупроводники p и n типа  изго­тавливаются на основе монокристаллического кремния, имеющего очень высокую степень чистоты, поэтому малейшие примеси (менее 0,001%) су­щественным образом изменяют его электрофизические свойства.

В полупроводнике n типа основными носителями заряда являются электроны. Для получения их используют донорные примеси, которые вводятся в кремний, — фосфор, сурьма, мышьяк.

В полупроводнике p типа основными носителями заряда являются положительно заряженные дырки. Для получения их используют акцепторные примесиалюминий, бор.

Полупроводник n — типа  (электронной проводимости)

Примесный атом фосфора обычно замещает основной атом в узлах кри­сталлической решетки. При этом четыре валентных электрона атома фосфора вступают в связь с четырьмя валентными электронами соседних четырех атомов кремния, образуя устойчивую оболочку из восьми электронов. Пятый валентный электрон атома фосфора оказывается слабо связанным со своим атомом и под действием внешних сил (тепловые колебания решетки, внешнее электрическое поле) легко становится свободным, создавая повышенную концентрацию свободных электронов. Кристалл приобретает электронную проводимость или проводимость n-типа. При этом атом фосфора, лишенный электрона, жестко связан с кристаллической решеткой кремния положи­тельным зарядом, а электрон является подвижным отрицательным зарядом. При отсутствии действия внешних сил они компенсируют друг друга, т. е. в кремнии n-типа количество свободных электронов проводимости опреде­ляется количеством введенных донорных атомов примеси.

Полупроводник p — типа  (дырочной проводимости)

Атом алюминия, имеющий только три валентных электрона, не может самостоятельно создать устойчивую восьмиэлектронную оболочку с соседними атомами кремния, так как для этого ему необходим еще один электрон, который он отбирает у одного из атомов кремния, находящегося поблизости. Атом кремния, лишенный электрона, имеет положительный заряд и, так как он может захватить электрон соседнего атома кремния, его можно считать подвижным положительным зарядом, не связанным с кристаллической решеткой, называемым дыркой. Атом алюминия, захвативший электрон, становится отрицательно заряженным центром, жестко связанным с кристал­лической решеткой. Электропроводность такого полупроводника обусловлена движением дырок, поэтому он называется дырочным полупроводни­ком р-типа. Концентрация дырок соответствует количеству введенных атомов акцепторной примеси.


p-n переход

При контакте слоев с различными типами проводимости (p- и n-слоев) часть электронов проводимости переходит из n-слоя в p-слой и происходит их рекомбинация с дырками (То есть отрицательный электрон закрывает положительно заряженную дырку, и вместе их заряд равен нулю). Часть атомов акцепторной примеси (алюминия, бора), имеющих отрицательный заряд, не компенсируется положительным зарядом дырок, и в этой области p-слоя возникает отрицательный  объемный заряд. Электроны, ушедшие из n-слоя, перестают компенсировать положительный заряд атомов донорной примеси (фосфор, сурьма, мышьяк), и в n-слое образуется положительный объемный заряд. Таким образом, вблизи границы p- и n-слоев возникает двойной электрический слой (рис. 1. 1, в). Область двойного-слоя электрических объемных зарядов называется электронно-дырочным переходом, или p-n переходом. Объемные заряды препятствуют дальнейшему диффузионному движению электронов из n-слоя в p-слой и дырок из p-слоя в n-слой. В результате возникновения объемных зарядов образуется потенциальный барьер, высота ф0 которого определяется соотношением концент

раций примесных атомов в p-n переходе и обычно составляет 0,6—0,9 В.


 

Прямое включение p-n перехода

Если подключить положительный полюс внешнего источника ЭДС к р-слою, а отрицательный — к n-слою то потенциальный барьер снижается на величину приложенного напряжения (рис. 1. 1,6). При этом большая часть электронов проводимости и дырок обладает энергией, достаточной для преодоления потенциального барьера p-n перехода, и ток через переход резко возрастает. Поступление электронов из внешней цепи в n-слой и удаление их из p-слоя обеспечивают электрическую нейтральность этих слоев. Такое приложенное напряжение называется прямым, а состояние полупро­водниковой структуры — прямым проводящим состоянием. Электрод, под­ключенный к p-слою, называется анодным выводом (анодом), а к n-слою — катодным (катодом).

Обратное включение p-n перехода

Если изменить полярность источника ЭДС так, что положительный полюс окажется соединен с n-слоем, а отрицательный — с p-слоем (рис. 1.1 в), то переход дырок из р-слоя в n-слой и электронов из n-слоя в p-слои сокращается. Более того, дырки, ранее перешедшие из p-слоя в n-слой и не успевшие прорекомбинировать с электронами, будут оттягиваться полем p-n перехода в p-слой. Аналогичным образом электроны проводимости, перешедшие из n-слоя в p-слой, будут оттягиваться полем p-n перехода в n-слой. При этом через полупроводниковую структуру протекает значительный ток (единицы — сотни ампер в зависимости от режима нагрузки), ограниченный только сопротивлением внешней цепи и противоположный по направлению ранее протекавшему прямому току. Такое состояние полупроводниковой структуры называется обратным проводящим состоянием, а протекающий ток — током восстановления запирающих свойств. Спустя некоторое время обычно несколько десятков микросекунд, концентрация избыточных носителей в окрестности р-n перехода уменьшается до нуля и ток через полупровод­никовую структуру также уменьшается. Потенциальный барьер p- n перехода увеличивается на величину приложенного напряжения. Такая полярность прилагаемого напряжения называется обратной, а состояние полупро­водниковой структуры после восстановления запирающих свойств — обрат­ным запертым состоянием.

Заключение

Как видно из выше сказанного p-n переход пропускает ток только в одном направлении (при прямом включении).

Теги

Похожие новости

Комменатрии к новости

Уважаемый посетитель, Вы зашли на сайт как незарегистрированный пользователь.
Мы рекомендуем Вам зарегистрироваться либо войти на сайт под своим именем.

Написать свой комментарий:

Присоединяйтесь

Science21 — портал о самых горячих технологических трендах и новых технологиях.

Реклама на сайте

Цитата

Процесс научных открытий — это, в сущности, непрерывное бегство от чудес.

(Альберт Эйнштейн)