P-N переходы

Контрольная работа по электронике

На тему: Р-N переходы

Они одинаковы, так как полупроводник один и тот же, но уровни Ферми находятся на разной высоте, так как слева полупроводник п-типа, и уровень Ферми выше середины запрещённой зоны, а справа полупроводник р-типа, и уровень Ферми ниже середины. Если теперь соединить эти куски, то электроны, которых слева много, будут диффундировать направо, а дырки, которых много справа, будут диффундировать налево (указано стрелками). Это приводит к тому, что левая часть структуры заряжается положительно, а правая - отрицательно.

Но при этом энергия электрона слева будет уменьшаться, а справа будет увеличиваться, т.е. произойдёт сдвиг левой части диаграммы вниз, а правой - вверх. Этот процесс должен закончиться, когда совпадут положения уровней Ферми в левой и правой части полупроводника:

Е ---

Но левая часть нейтральна, так как в ней есть ещё и заряды ионов - атомов доноров. Эти атомы жёстко закреплены в узлах кристаллической решётки, и не могут двигаться, т.е. не переносят ток. Но их количество строго равно количеству электронов, поэтому в этой области нет зарядов (сама диаграмма говорит об этом: если линии энергетических уровней горизонтальны, то нет электрического поля, значит, нет зарядов, или их сумма с учётом знака равна нулю).

Количество неподвижных зарядов, доноров и акцепторов, неизменно и велико. А электронов и дырок из-за увеличения расстояния между границами зоны и уровнем Ферми во много раз уменьшается. Поэтому в этой области есть заряды, и практически они равны зарядам неподвижных доноров и акцепторов:

На рис. прямоугольники разные, так как плотность доноров слева меньше, чем акцепторов справа (обратить внимание на положение уровня Ферми). Но площади прямоугольников должны быть строго равны, так как полные заряды слева и справа равны. Поэтому в данном случае l_n > l_p .

Введём понятие области объёмного заряда (ООЗ). Это область, в которой есть заряд, или в которой изменяются энергетические зоны. Ширина этой области

где _о - мировая константа, равная 1/(9*10⁹) фм ,

_п - диэлектрическая постоянная полупроводника,

_о - контактная разность потенциалов, т.е. другими словами высота потенциального барьера, делённая на заряд одного электрона, В,

N_А - совокупная концентрация, определяемая формулой:

N_А = N_д N_а /(N_д +N_а )

где N_д - концентрация доноров в куске п-типа проводимости, а

N_а - концентрация акцепторов в куске р-типа проводимости.

Из этой формулы видно, что N_А ближе к той концентрации, которая меньше (если например N_д меньше, то ею можно пренебречь в знаменателе по сравнению с N_а, затем это N_а можно сократить, и останется только N_д).

Кстати, поэтому толщина всей ООЗ определяется той частью, у которой заряд меньше, так как она толще.

Ясно, что электрическое поле нарастает, причём растёт оно по прямой, так как плотность заряда постоянная, дорастает до Е_макс , а затем падает до нуля, так как далее заряд имеет другой знак.

Электрический потенциал также находится интегрированием электрического поля, при этом ясно, что потенциал поведёт себя так: горизонтально, где нет зарядов, (есть нейтральность); и параболически, где есть постоянный заряд и линейный рост электрического поля. Точно также ведёт себя и энергетический уровень, так как он определяется как произведение заряда электрона на напряжение (правда следует учитывать, что заряд электрона отрицательный, и потенциаль отразится относительно горизонтали).

Что же произойдёт с р-п переходом при приложении к нему напряжения?

Это зависит от того, куда приложен плюс, а куда минус. Считается, что если плюс приложен к р-области, а минус - к п-области, то это прямое смещение р-п перехода, а если наоборот, то это обратное смещение р-п перехода.

При прямом смещении р-п перехода (плюс к р-области) энергия электрона в р-области увеличивается, эта часть зоны на энергетической зоне поднимается, а в п-области - понижается, и п-область понижается. Поэтому потенциальный барьер уменьшается. Также уменьшается и ширина области объёмного заряда согласно формуле:

Итак, в р-п переходе имеется диэлектрическая область, которая при прямом смещении уменьшается по толщине. Поэтому сопротивление этой области значительно уменьшается.

При обратном смещении (плюс к п-области) энергия электрона уменьшается в п-области, эта область в зоне перемещается вниз, а р-зона -

вверх. Высота барьера увеличивается, а также, согласно приведенной выше формуле, растёт ширина области пространственного заряда (следует иметь ввиду, что в этом случае в формулу подставляется отрицательное U). Т.е. в этом случае диэлектрическая прослойка внутри р-п перехода растёт, и сопротивление структуры увеличивается с ростом (по модулю) напряжения.

где I - ток, протекающий через р-п переход;

I_s - некоторая постоянная, имеющая размерность тока, определяется свойствами материала п- и р-типа электропроводности. Кривая, соответствующая этой формуле, представлена на рис.:

Реальные характеристики сильно отличаются от идеальных. Так, в прямой ветви есть несколько отличий от идеальности, но главное, это то, что экспонента простирается только до напряжения U_п. При U>U_п потенциальный барьер полностью исчезает, и, значит, сопротивление р-п перехода становится равным только сопротивлению п- и р- областям, а сопротивление прослойки исчезает. Поэтому при U>U_п ВАХ линейна, см. рис.

Итак, в прямой ветви до U₀ сохраняется идеальная кривая (экспонента), а после - она заменяется на прямую.

В обратной ветви кроме экспоненты, которая довольно быстро приводит к насыщению, есть ещё и другой ток, вызванный генерацией носителей в области объёмного заряда. Дело в том, что при комнатной температуре (и тем более при повышенных температурах) в полупроводнике всегда рождаются электроны и дырки (термогенерация). Обычно они, немного поблуждав по полупроводнику, встречаются и гибнут (рекомбинация). Но те электроны и дырки (пары), которые родились в слое объёмного заряда, не успевают погибнуть, так как там есть электрическое поле, которое растягивает их в разные стороны. Но тогда, как показано на рис., через р-п переход протечёт элементарный точёк. Чем больше толщина слоя обёмного заряда, тем больше суммарный ток. Так что к обычному току насыщения, который существует в р-п переходе, добавляется ещё ток, пропорциональный толщине слоя объёмного заряда, то есть корню квадратному от обратного напряжения.

В разных диодах, приготовленных из разных полупроводников, толщина слоя объёмного заряда различная, и поэтому относительная величина этого вклада неодинакова. Обычно в германиевых р-п переходах этот вклад меньше, а в кремниевых р-п переходах больше, и в реальных кремниевых диодах обратный ток практически всегда пропорционален корню квадратному из модуля напряжения (приближённо).

Но в обратном направлении есть и ещё некоторые особенности, связанные с тем, что на р-п переходе падает большое напряжение. Поэтому при достижении некоторого напряжения наступает электрический пробой полупроводника.

Мы рассмотрим только один из возможных механизмов пробоя - лавинный. В этом случае при достаточно большой напряжённости электрического поля электрон в зоне проводимости, или дырка в валентной зоне могут разогнаться за время между соударениями с какими-то дефектами до энергии, достаточной для рождения новых электрона и дырки. Так вместо одного электрона (дырки) стало три частицы. Каждая из этих частиц тоже можут разогнаться до такой большой скорости и утроиться. Если напряжённость электрического поля увеличивается, то лавинообразный процесс увеличивается - утроение происходит дольше и количество частиц сильно увеличивается. На вольтамперной характеристике это соответствует почти вертикальному участку - напряжение не изменяется, а ток сильно растёт.

Дальше наступает тепловой пробой, т.е. получается так, что с ростом тока поднимается температура диода, это приводит к увеличению концентрации за счёт термогенерации, растёт ток, а это приводит к новому росту температуры и так далее, пока образец не сгорит. На этом участке вольтамперная характеристика имеет отрицательный наклон - динамическое сопротивление отрицательно.

К другим параметрам р-п перехода относится паразитная ёмкость диода. Она получается из-за того, что в р-п переходе всегда есть область объёмного заряда, то-есть область, в которой всегда есть заряд. Этот заряд зависит от приложенного напряжения, т.е. это и есть обычный конденсатор. Но в отличие от обычного конденсатора р-п переход имеет ёмкость, которая зависит от напряжения. Поэтому удобнее рассматривать не ёмкость, а динамическую ёмкость р-п перехода:

Эта ёмкость играет роль при обратном напряжении и называется барьерной. Очевидно, чем больше обратное напряжение, тем больше l и тем меньше С_Д . При прямом смещении С_Д тоже существует, но значительно большую роль играет диффузионная ёмкость, которая возникает из-за того, что происходит диффузия электронов и дырок в области с противоположным типом электропроводности. Однако рассмотрение этой ёмкости более сложное, и мы не будем её рассматривать.

Мы рассмотрели реальные свойства полупроводникового диода. А теперь рассмотрим применения диода.

Самое простое и очевидное применение р-п перехода - это использование его в качестве выпрямителя. Но здесь важно отметить, зачем делается выпрямление электрического тока. Прежде всего это выпрямление переменного тока для питания различной аппаратуры постоянным током. Это обычно 50 Гц или 60 Гц - довольно низкая частота. Поэтому быстродействие от этих диодов не требуется, но требуется пропускание довольно большого тока, достигается за счёт большой поверхности р-п перехода. Это так называемые силовые диоды.

Выпрямление тока происходит по следующей схеме:

Иногда используют вертикальный участок обратной ветви диода для стабилизации напряжения. Диоды, специально изготовленные для этого, называются стабилитронами. Важно уметь изготавливать стабилитроны на разное напряжение, т.е. сделать р-п переход с нужным значением пробивного напряжения. Этого легко добиться, подбирая нужную степень легирования (концентрацию доноров и акцепторов в п- и р-типе).

Паразитная ёмкость р-п перехода не всегда вредна. Иногда, когда ёмкость важна, р-п переход используют в качестве конденсатора. Особенно важно то, что его ёмкость можно регулировать, прикладывая разные обратные напряжения. Специально изготовленные для этого диоды называют варикапами.

Несколько отличные диоды получаются, когда р- и п-области сильно легированы, так что уровни Ферми слегка выходят в соответствующие зоны:

Область объёмного заряда очень маленькая, так как велики копцентрации примесей - доноров и акцепторов. Поэтому очень велика вероятность того, что электроны из валентной зоны сразу переходят в зону проводимости (и обратно). В такой структуре при малых напряжениях протекают очень большие токи. При небольших смещениях в прямом направлении высота барьера уменьшается, и исчезает перекрытие валентной зоны и зоны проводимости, ток уменьшается, а затем, когда барьер вовсе исчезает, ток снова растёт. Это так называемый тунельный диод. Его характеристика показана на рис.:

Важная особенность тунельного диода - это то, что он имеет участок с отрицательным дифференциальным сопротивлением. Это позволяет сделать на нём простой генератор переменного сигнала, причём очень высокочастотный (СВЧ).

Особенно важно то, что р-п переход может взаимодействовать с различными излучениями. Если р-п переход взаимодействует со светом, его называют фотодиодом.

С точки зрения квантовой механики свет можно рассматривать двояко: с одной стороны это электромагнитная волна, а с другой стороны это поток частиц - фотонов. Взаимодействие полупроводника и света удобнее рассматривать с точки зрения фотонов.

Когда фотон попадает в полупроводник, он может столкнуться с электроном валентной зоны. При этом фотон отдаёт электрону и исчезает. Если фотон из видимой части спектра, его энергии вполне достаточно, чтобы произошла фотогенерация электрона и дырки (электрон из валентной зоны переходит в зону проводимости, а в валентной зоне остаётся дырка).

Когда фотон попадает в нейтральную область, то родившиеся пары (электрон и дырка), поблуждав некоторое время, могут встретиться и рекомбинировать. Таким образом, так как время жизни пар мало, эффект очень слабый. Совсем другое дело, если фотон поглотился в области объёмного заряда - тогда родившаяся пара разделяется электрическим полем этой области, так что после поглощения одного фотона через р-п переход пройдёт ток в один заряд.

Если фотодиод включён в коротко замкнутую цепь, то чем больше поток фотонов, тем больше фототок, такие фотодиоды используются для регистрации освещённости.

Если фотодиод включён в разомкнутую цепь, то фотогенерация приведёт к заряду областей: п-область - отрицательно, р-область - положительно. Но при этом уменьшится высота потенциального барьера, а следовательно, величина электрического поля в области объёмного заряда. В конце концов на р-п переходе появится разность потенциалов, равная контактной разности потенциалов U_n , и дальнейшее разделение пар фотогенерации прекратится.

Это обычно используется в солнечных батареях, где собирается в общую батарею большое количество дешёвых кремниевых диодов большой площади. Контактная разность потенциалов их составляет 0,6...0,7 В.

Полупроводниковые диоды используют также в качестве излучателей света - это так называемые светодиоды. К сожалению ни германий, ни кремний не могут излучать фотоны, так как они непрямозонные. Прямозонные полупроводники изображены слева (например AsGa), а Ge и Si справа

В германии и кремнии боковой минимум расположен несколько ниже основного, и его заполняют электроны, поэтому они могут рекомбинировать только с выделением энергии и импульса, а в AsGa зоны прямые, и рекомбинация происходит без выделения импульса (выделяется только энергия). Поэтому в германии и кремнии выделяются фононы (имеющие примерно такой импульс), а в арсениде галлия - фотоны (не имеющие импульса).

Но в арсениде галлия длина волны излучения больше 1 мкм, т.е. он излучает в инфракрасной области спектра. Подходящая длина волны получается в фосфиде галлия, так как у него более широкая запрещённая зона, и это соответствует видимому свету.

1. Афанасьев В. П. и др. Теория линейных электрических цепей: Учебное пособие для вузов. - М.: Высш. шк., 2003. - 200 с.

2. Белинский А. Н. Электроника: Учебное пособие для вузов. - М.: Радио и связь, 2006. - 544 с.

3. З Гринченко Л. В. Методические указания к курсовой работе по дисциплине “Основы радиоэлектроники”. - Х. 2003. -30 с.

4. 3ернов Н. В., Карпов В.Г. Теория радиотехнических цепей - М. Энергия, 2002. - 715 с.

5. Попов В. П.Основы теории электроники: Учеб для вузов. M. : Высш. шк., 2005. - 490с.