P — n-переход. P-N-переход и диод

pn переход это тонкая область, которая образуется в том месте, где контактируют два полупроводника разного типа проводимости. Каждый из этих полупроводников электрически нейтрален. Основным условием является то что в одном полупроводнике основные носители заряда это электроны а в другом дырки.

При контакте таких полупроводников в результате диффузии зарядов дырка из p области попадает в n область. Она тут же рекомбенирует с одним из электронов в этой области. В результате этого в n области появляется избыточный положительный заряд. А в p области избыточный отрицательный заряд.

Таким же образом один из электронов из n области попадает в p область, где рекомбенирует с ближайшей дыркой. Следствием этого также является образование избыточных зарядов. Положительного в n области и отрицательного в p области.

В результате диффузии граничная область наполняется зарядами, которые создают электрическое поле. Оно будет направлено таким образом, что будет отталкивать дырки находящиеся в области p от границы раздела. И электроны из области n также будут отталкиваться от этой границы.

Если говорить другими словами на границе раздела двух полупроводников образуется энергетический барьер. Чтобы его преодолеть электрон из области n должен обладать энергией больше чем энергия барьера. Как и дырка из p области.

Наряду с движением основных носителей зарядов в таком переходе существует и движение неосновных носителей зарядов. Это дырки из области n и электроны из области p. Они также двигаются в противоположную область через переход. Хотя этому способствует образовавшееся поле, но ток получается, ничтожно мал. Так как количество неосновных носителей зарядов очень мало.

Если к pn переходу подключить внешнюю разность потенциалов в прямом направлении, то есть к области p подвести высокий потенциал, а к области n низкий. То внешнее поле приведет к уменьшению внутреннего. Таким образом, уменьшится энергия барьера, и основные носители заряда смогут легко перемещаться по полупроводникам. Иначе говоря, и дырки из области p и электроны из области n будут двигаться к границе раздела. Усилится процесс рекомбинации и увеличится ток основных носителей заряда.

Рисунок 1 — pn переход, смещённый в прямом направлении

Если разность потенциалов приложить в обратном направлении, то есть к области p низкий потенциал, а к области n высокий. То внешнее электрическое поле сложится с внутренним. Соответственно увеличится энергия барьера не дающего перемещаться основным носителям зарядов через переход. Другими словами электроны из области n и дырки из области p будут двигаться от перехода к внешним сторонам полупроводников. И в зоне pn перехода попросту не останется основных носителей заряда обеспечивающих ток.

Рисунок 2 — pn переход, смещённый в обратном направлении

Если обратная разность потенциалов будет чрезмерно высока, то напряжённость поля в области перехода увеличится до тех пор, пока не наступит электрический пробой. То есть электрон ускоренный полем не разрушит ковалентную связь и не выбьет другой электрон и так далее.

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 используютдонорные примеси, которые вводятся в кремний, — фосфор, сурьма, мышьяк.

В полупроводнике p типа основными носителями заряда являются положительно заряженные дырки . Для получения их используют акцепторные примеси — алюминий, 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.

Электронно-дырочный переход (сокращенно n-р-переход) возникает в полупроводниковом кристалле, имеющем одновременно области с n-типа (содержит донорные примеси) и р-типа (с акцепторными примесями) прово-димостями на границе между этими областями.

Допустим, у нас есть кристалл, в котором справа находится область полупроводника с дырочной, а слева - с электронной проводимостью (рис. 1). Благодаря тепловому движению при образовании контакта электроны из полупроводника n-типа будут диффундировать в область р-типа. При этом в области n-типа останется нескомпенсированный положительный ион донора.

Перейдя в область с дырочной проводимостью, электрон очень быстро рекомбинирует с дыркой, при этом в области р-типа образуется нескомпенсированный ион акцептора.

Аналогично электронам дырки из области р-типа диффундируют в электронную область, оставляя в дырочной области нескомпенсированный отрицательно заряженный ион акцептора. Перейдя в электронную область, дырка рекомбинирует с электроном. В результате этого в электронной области образуется нескомпенсированный положительный ион донора.

Диффузия основных носителей через переход создает электрический ток I осн, направленный из р-области в n-область.

В результате диффузии на границе между этими областями образуется двойной электрический слой разноименно заряженных ионов, толщина l которого не превышает долей микрометра.

Между слоями ионов возникает электрическое поле с напряженностью \(~\vec E_i\). Это поле препятствует дальнейшей диффузии основных носителей: электронов из n-области и дырок из р-области.

Необходимо заметить, что в n-области наряду с электронами имеются неосновные носители - дырки, а в р-области - электроны. В полупроводнике непрерывно происходят процессы рождения и рекомбинации пар. Интенсивность этого процесса зависит только от температуры и одинакова во всем объеме полупроводника. Предположим, что в n-области возникла пара "электрон-дырка". Дырка будет хаотически перемещаться по η области до тех пор, пока не рекомбинирует с каким-либо электроном. Однако если пара возникает достаточно близко к переходу, то прежде, чем произойдет рекомбинация, дырка может оказаться в области, где существует электрическое поле, и под его действием она перейдет в р-область, т.е. электрическое поле перехода способствует переходу неосновных носителей в соседнюю область. Соответственно, создаваемый ими ток I неосн мал. так как неосновных носителей мало.

Таким образом, возникновение электрического поля \(~\vec E_i\) приводит к появлению неосновного тока I неосн. Накопление зарядов около перехода за счет диффузии и увеличение \(~\vec E_i\) будут продолжаться до тех пор, пока ток I неосн не уравновесит ток I осн (I неосн = I осн) и результирующий ток через электронно-дырочный переход станет равным нулю.

Если к n-р-переходу приложить разность потенциалов, то внешнее электрическое поле \(~\vec E_{ist}\) складывается с полем \(~\vec E_i\) . Результирующее поле, существующее в области перехода, \(~\vec E = \vec E_{ist} + \vec E_i\). Токи I осн и I неосн совершенно различно ведут себя по отношению к изменению поля в переходе, I неосн с изменением поля очень слабо изменяется, так как он обусловлен количеством неосновных носителей, а оно в свою очередь зависит только от температуры.

I осн (диффузия основных носителей) очень чувствителен к полю напряженностью \(~\vec E\). I осн быстро увеличивается с ее уменьшением и быстро падает при увеличении.

Пусть клемма источника тока соединена с n-областью. а "-" - с р-областью (обратное включение (рис. 2, а)). Суммарное поле в переходе усиливается: E > E ist и основной ток уменьшается. Если \(~\vec E\) достаточно велика, то I осн << I неосн и ток через переход создается неосновными носителями. Сопротивление n-р-перехода велико, ток мал.

Если включить источник так, чтобы область n-типа оказалась подключена к а область р-типа к (рис. 2, б), то внешнее поле будет направлено навстречу \(~\vec E_i\), и \(~\vec E = \vec E_i + \vec E_{ist} \Rightarrow E = E_i - E_{ist} < E_i\), т.е. поле в переходе ослабляется. Поток основных носителей через переход резко увеличивается, т.е. I осн резко возрастает.

P-N переход - точка в полупроводниковом приборе, где материал N-типа и материал P-типа соприкасаются друг с другом. Материал N-типа обычно упоминается как катодная часть полупроводника, а материал P-типа - как анодная часть.

Когда между этими двумя материалами возникает контакт, то электроны из материала n-типа перетекают в материал p-типа и соединяются с имеющимися в нем отверстиями. Небольшая область с каждой стороны линии физического соприкосновения этих материалов почти лишена электронов и отверстий. Эта область в полупроводниковом приборе называется обедненной областью.

Эта обедненная область является ключевым звеном в работе любого прибора, в котором есть P-N переход. Ширина этой обедненной области определяет сопротивление протеканию тока через P-N переход, поэтому сопротивление прибора, имеющего такой P-N переход, зависит от размеров этой обедненной области. Ее ширина может изменяться при прохождении какого-либо напряжения через этот P-N переход. В зависимости от полярности приложенного потенциала P-N переход может иметь либо прямое смещение, либо обратное смещение. Ширина обедненной области, или сопротивление полупроводникового прибора, зависит как от полярности, так и от величины поданного напряжения смещения.

Когда P-N переход прямой (с прямым смещением), то тогда на анод подается положительный потенциал, а на катод - отрицательный. Результатом этого процесса является сужение обедненной области, что уменьшает сопротивление движению тока через P-N переход.

Если потенциал увеличивается, то обедненная область будет продолжать уменьшаться, тем самым еще больше понижая сопротивление протеканию тока. В конце концов, если подаваемое напряжение окажется достаточно велико, то обедненная область сузится до точки минимального сопротивления и через P-N переход, а вместе с ним и через весь прибор, будет проходить максимальный ток. Когда P-N переход имеет соответствующее прямое смещение, то он обеспечивает минимальное сопротивление проходящему через него потоку тока.

Когда P-N переход обратный (с обратным смещением), то отрицательный потенциал подается на анод, а положительный - на катод.

Это приводит к тому, что в результате обедненная область расширяется, а это вызывает увеличение сопротивления протеканию тока. Когда на P-N переходе создается обратное смещение, то имеет место максимальное сопротивление протеканию тока, а данный переход действует в основном как разомкнутая цепь.

При определенном критическом значении напряжения обратного смещения сопротивление протеканию тока, которое возникает в обедненной области, оказывается преодоленным и происходит стремительное нарастание тока. Значение напряжения обратного смещения, при котором ток быстро нарастает, называется пробивным напряжением.

Если блок полупроводника P-типа соединить с блоком полупроводника N-типа (рисунок ниже (a)), результат не будет иметь никакого значения. У нас будут два проводящих блока соприкасающихся друг с другом, не проявляя никаких уникальных свойств. Проблема заключается в двух отдельных и различных кристаллических структурах. Количество электронов уравновешивается количеством протонов в обоих блоках. Таким образом, в результате ни один блок не имеет какого-либо заряда.

Тем не менее, один полупроводниковый кристалл, изготовленный из материала P-типа с одной стороны и материала N-типа с другой стороны (рисунок ниже (b)), обладает уникальными свойствами. У материала P-типа основными являются положительные носители заряда, дырки, которые свободно передвигаются по кристаллической решетке. У материала N-типа основными и подвижными являются отрицательные носители заряда, электроны. Вблизи перехода электроны материала N-типа диффундируют через переход, соединяясь с дырками в материале P-типа. Область материала P-типа вблизи перехода приобретает отрицательный заряд из-за привлеченных электронов. Так как электроны покинули область N-типа, та приобретает локальный положительный заряд. Тонкий слой кристаллической решетки между этими зарядами теперь обеднен основными носителями, таким образом, он известен, как обедненная область . Эта область становится непроводящим материалом из собственного полупроводника. По сути, мы имеем почти изолятор, разделяющий проводящие легированные области P и N типов.

(a) Блоки полупроводников P и N типов при контакте не обладают пригодными для использования свойствами.
(b) Монокристалл, легированный примесями P и N типа, создает потенциальный барьер.

Такое разделение зарядов в P-N-переходе представляет собой потенциальный барьер. Этот потенциальный барьер может быть преодолен под воздействием внешнего источника напряжения, заставляющего переход проводить электрический ток. Формирование перехода и потенциального барьера происходит во время производственного процесса. Величина потенциального барьера зависит от материалов, используемых при производстве. Кремниевые P-N-переходы обладают более высоким потенциальным барьером, по сравнению с германиевыми переходами.

На рисунке ниже (a) батарея подключена так, что отрицательный вывод источника поставляет электроны к материалу N-типа. Эти электроны диффундируют к переходу. Положительный вывод источника удаляет электроны из полупроводника P-типа, создавая дырки, которые диффундируют к переходу. Если напряжение батареи достаточно велико для преодоления потенциала перехода (0,6В для кремния), электроны из области N-типа и дырки из области P-типа объединяются, уничтожая друг друга. Это освобождает пространство внутри решетки для перемещения в сторону перехода большего числа носителей заряда. Таким образом, токи основных зарядов областей N-типа и P-типа протекают в сторону перехода. Рекомбинация в переходе позволяет току батареи протекать через P-N переход диода. Такое включение называется прямым смещением .

(a) Прямое смещение отталкивает носителей зарядов к переходу, где рекомбинация отражается на токе батареи.
(b) Обратное смещение притягивает носителей зарядов к выводам батареи, подальше от перехода. Толщина обедненной области увеличивается. Устойчивый ток через батарею не протекает.

Если полярность батареи изменена на противоположную, как показано выше на рисунке (b), основные носители зарядов притягиваются от перехода к клеммам батареи. Положительный вывод батареи оттягивает от перехода основных носителей заряда в области N-типа, электронов. Отрицательный вывод оттягивает от перехода основных носителей в области P-типа, дырок. Это увеличивает толщину непроводящей обедненной области. В ней отсутствует рекомбинация основных носителей; и таким образом, отсутствует и проводимость. Такое подключение батареи называется обратным смещением .

Условное обозначение диода, показанное ниже на рисунке (b), соответствует пластине легированного полупроводника на рисунке (a). Диод представляет собой однонаправленное устройство. Электронный ток протекает только в одном направлении, против стрелки, соответствующем прямому смещению. Катод, полоса на условном обозначении диода, соответствует полупроводнику N-типа. Анод, стрелка, соответствует полупроводнику P-типа.

Примечание: в оригинале статьи предлагается алгоритм запоминания расположения типов полупроводника в диоде. Неуказывающая (N ot-pointing) часть условного обозначения (полоса) соответствует полупроводнику N -типа. Указывающая (P ointing) часть условного обозначения (стрелка) соответствует P -типу.

(a) Прямое смещение PN-перехода
(b) Соответствующее условное графическое обозначение диода
(c) График зависимости тока от напряжения кремниевого диода

Если к диоду приложено прямое смещение (как показано на рисунке (a) выше), при увеличении напряжения от 0 В ток будет медленно возрастать. В случае с кремниевым диодом протекающий ток можно будет измерить, когда напряжение приблизится к 0,6 В (рисунок (c) выше). При увеличении напряжения выше 0,6 В ток после изгиба на графике начнет резко возрастать. Увеличение напряжения выше 0,7 В может привести к току, достаточно большому, чтобы вывести диод из строя. Прямое напряжение U пр является одной из характеристик полупроводников: 0,6-0,7 В для кремния, 0,2 В для германия, несколько вольт для светоизлучающих диодов. Прямой ток может находиться в диапазоне от нескольких мА для точечных диодов до 100 мА для слаботочных диодов и до десятков и тысяч ампер для силовых диодов.

Если диод смещен в обратном направлении, то протекает только ток утечки собственного полупроводника. Это изображено на графике слева от начала координат (рисунок (c) выше). Для кремниевых диодов этот ток в самых экстремальных условиях будет составлять примерно 1 мкА. Это ток при росте напряжения обратного смещения увеличивается незаметно, пока диод не будет пробит. При пробое ток увеличивается настолько сильно, что диод выходит из строя, если последовательно не включено сопротивление, ограничивающее этот ток. Обычно мы выбираем диод с обратным напряжением, превышающим напряжения, которые могут быть приложены при работе схемы, чтобы предотвратить пробой диода. Как правило, кремниевые диоды доступны с напряжениями пробоя 50, 100, 200, 400, 800 вольт и выше. Также возможно производство диодов с меньшим напряжением пробоя (несколько вольт) для использования в качестве эталонов напряжения.

Ранее мы упоминали, что обратный ток утечки до микроампера в кремниевых диодах обусловлен проводимостью собственного полупроводника. Эта утечка может быть объяснена теорией. Тепловая энергия создает несколько пар электрон-дырка, которые проводят ток утечки до рекомбинации. В реальной практике этот предсказуемый ток является лишь частью тока утечки. Большая часть тока утечки обусловлена поверхностной проводимостью, связанной с отсутствием чистоты поверхности полупроводника. Обе составляющие тока утечки увеличиваются с ростом температуры, приближаясь к микроамперу для небольших кремниевых диодов.

Для германия ток утечки на несколько порядков выше. Так как германиевые полупроводники сегодня редко используются на практике, то это не является большой проблемой.

Подведем итоги

P-N переходы изготавливаются из монокристаллического куска полупроводника с областями P и N типа в непосредственной близости от перехода.

Перенос электронов через переход со стороны N-типа к дыркам на сторону P-типа с последующим взаимным уничтожением создает падение напряжения на переходе, составляющее от 0,6 до 0,7 вольта для кремния и зависящее от полупроводника.

Прямое смещение P-N перехода при превышении значения прямого напряжения приводит к протеканию тока через переход. Прикладываемая внешняя разность потенциалов заставляет основных носителей заряда двигаться в сторону перехода, где происходит рекомбинация, позволяющая протекать электрическому току.

Обратное смещение P-N перехода почти не создает ток. Прикладываемое обратное смещение оттягивает основных носителей заряда от перехода. Это увеличивает толщину непроводящей обедненной области.

Через P-N переход, к которому приложено обратное смещение, протекает обратный ток утечки, зависящий от температуры. В небольших кремниевых диодах он не превышает микроампер.