Электроника:Полупроводники/Теория твердотельных приборов/P-N-переход

Содержание

Теория

Практика

Проверка знаний

Рецепты

Эксперименты

Резерв

Резерв

Резерв

Резерв

Перевод: Макаров В. (valemak)

Проверка/Оформление/Редактирование: Мякишев Е.А.

P-N-переход

Если блок полупроводника P-типа контактирует с блоком полупроводника N-типа как на рисунке 1.а ниже, то ничего примечательного не произойдёт. В этом случае у нас два токопроводящих блока, которые контактируют друг с другом и не обладают какими-то экстраординарными свойствами. Проблема в том, что тут просто два раздельных и разных кристаллических тела. В каждом из них количество электронов уравновешивается количеством протонов. Таким образом, ни один блок не заряжен, ни положительно, ни отрицательно.

Но давайте возьмём один (цельный) полупроводниковый кристалл, половина которого изготовлена из материала P-типа, а вторая половина – из материала N-типа, как на рисунке 1.б. Такой кристалл уже будет, обладать некоторыми уникальными свойствами, которых нет у двух отельных и плотно прижатых друг к другу блоков. В материале P-типа основные положительные носители заряда – «дырки», которые свободно перемещаются по кристаллической решётке. По материалу N-типа снуют подвижные отрицательные основные носители – электроны. Вблизи области перехода (там, где N- и P-типы сливаются друг с другом) электроны материала N-типа диффундируют (проникают, смешиваются вследствие диффузии) через переход, соединяясь с дырками в материале P-типа. Область материала P-типа рядом с переходом приобретает чистый отрицательный заряд из-за того, что она притянула электроны. Поскольку электроны покидают область N-типа, в ней образуются локализации положительного заряда. Тонкий слой кристаллической решётки между этими зарядами лишён основных носителей заряда, поэтому он известен как обеднённая область. Он становится непроводящим внутренним полупроводниковым материалом. Фактически, мы имеем почти диэлектрик, изолирующий проводящие области, легированные P и N.

Рис. 1. (а) Отдельные блоки P- и N-полупроводников даже при контакте не имеют эксплуатационных свойств. (б) Монокристалл, легированный примесями P- и N-типа, создаёт потенциальный барьер.

Это разделение зарядов на P-N-переходе представляет собой потенциальный барьер. Этот потенциальный барьер можно преодолеть с помощью внешнего источника напряжения, тогда соединение станет токопроводящим. Образование такого стыка, являющегося потенциальным барьером, происходит в процессе производства (выращивания) полупроводниковых материалов. Величина потенциального барьера зависит от материалов, используемых в производстве. Кремниевые P-N-переходы имеют более высокий потенциальный барьер, чем германиевые.

Включение P-N-перехода

На рисунке 2.а ниже батарея расположена так, что отрицательная клемма подаёт электроны к материалу N-типа. Эти электроны диффундируют в направлении перехода. Положительный вывод изымает электроны из полупроводника P-типа, создавая дырки, которые также диффундируют в сторону переходу. Если напряжение батареи достаточное, чтобы преодолеть потенциал перехода (0,6 В для кремния), электроны N-типа и P-дырки объединяются, аннигилируя друг друга. Это освобождает пространство внутри решётки и тогда больше носителей может течь к стыку. Таким образом, токи основных носителей N-типа и P-типа текут в сторону перехода. Рекомбинация на переходе позволяет току батареи течь через диод P-N-перехода. Такой переход называется прямым включением.

Рис. 2. (а) Прямое включение батареи проталкивает носители к переходу, где рекомбинация способствует тому, что батарея подаёт ток. (б) Обратное включение батареи притягивает носителей к клеммам батареи, вдали от перехода. Обеднённая область увеличивается. Постоянный ток в батарее отсутствует.

Если обратить полярность батареи, как показано на рисунке 2.б выше, большинство носителей потянутся от перехода к клеммам батареи. Положительный полюс батареи от перехода притягивает основные носители N-типа, электроны. Отрицательный полюс батареи от перехода притягивает основные носители P-типа, «дырки». Это увеличивает толщину непроводящей обеднённой области. Нет рекомбинации основных носителей; а значит, нет и проводимости. Такое расположение полюсов батареи называется обратным включением.

Диод

Обозначение диода схематично показано на рисунке 3.б ниже, соответствующий легированной полупроводникой пластине (рисунок 3.а ниже). Диод – устройство однонаправленное. Ток течёт только в одном направлении, куда показывает стрелка на схеме, что соответствует прямому включению. Катод (на рисунке 3.б в виде полосы без стрелки) на обозначении диода соответствует полупроводнику N-типа. Анод (на рисунке 3.б в виде полосы со стрелкой) соответствует полупроводнику P-типа. Для владеющих английским языком, вот мнемоника для запоминания этой связи: Not-pointing (с англ. не указывающая или без указателя) полоска на обозначении соответствует N-типу полупроводника, а Рointing (с англ. указывающая или с указателем) полоска на обозначении соответствует P-типу полупроводника.

Рис. 3. (а) Прямое включение P-N-перехода; (б) соответствующее схематическое обозначение диода; (в) характеристическая кривая зависимости тока от напряжения для кремниевого диода.

Если диод включён прямо, как показано на рисунке 3.а выше, ток будет немного увеличиваться при увеличении напряжения начиная с 0 В. Если это кремниевый диод, то измеряемый ток течёт, когда напряжение приближается к 0,6 В (см. рисунок 3.в выше). Когда напряжение превышает 0,6 В, ток резко возрастает при прохождении точки перегиба на графике. Повышение напряжения значительно выше 0,7 В может привести к появлению сверхтока, способного разрушить диод. Прямое напряжение V_Прям. является характеристикой полупроводника: от 0,6 до 0,7 В для кремния, 0,2 В для германия, несколько вольт для светоизлучающих диодов (LED). Прямой ток колеблется от нескольких мА для точечных диодов до 100 мА для слаботочных диодов и до десятков или тысяч ампер для силовых диодов.

Если диод включён в обратном направлении, течёт только ток утечки собственного полупроводника. Это показано на графике (слева от начала координат) на рисунке 3.в выше. Для кремниевых малоточных диодов в самых экстремальных условиях этот ток будет всего лишь 1 мкА. Этот ток при увеличении обратном включения растёт незаметно до тех пор, пока пробой внезапно не разрушит диод. При пробое ток возрастает настолько, что диод выходит из строя, если только высокое последовательное сопротивление не ограничивает ток. Рекомендую брать диод с более высоким номинальным обратным напряжением, чем любое приложенное напряжение, чтобы предотвратить подобные эксцессы. Кремниевые диоды обычно доступны с номиналами обратного пробоя 50, 100, 200, 400, 800 В и выше. Можно изготавливать диоды и с более низким номиналом всего в несколько вольт для использования в качестве эталонов напряжения.

Ранее упоминалось, что обратный ток утечки менее мкА для кремниевых диодов обусловлен проводимостью собственного полупроводника. Это утечка, которую можно объяснить теоретически. Тепловая энергия производит несколько электронно-«дырочных» пар, которые проводят ток утечки до рекомбинации. На самом деле этот предсказанный ток является лишь частью тока утечки. Большая часть тока утечки происходит из-за поверхностной проводимости, связанной с недостаточной чистотой поверхности полупроводника. Оба тока утечки увеличиваются с повышением температуры, приближаясь к мкА для небольших кремниевых диодов.

Для германия ток утечки на порядки больше. Поскольку германиевые полупроводники сегодня используются редко, с практической точки зрения это не составляет проблемы.

Итог

• P-N-переходы изготавливаются из полупроводникового монокристалла с областями P-типа и N-типа в непосредственной близости от перехода.
• Перенос электронов со стороны N-перехода к «дыркам», что приводит к взаимной аннигиляции на стороне P-перехода, что создаёт барьерное напряжение. Это значение составляет от 0,6 до 0,7 В для кремния и зависит от наличия других полупроводников.
• Прямом включение P-N-перехода проводит ток после преодоления барьерного напряжения. Внешний приложенный потенциал вынуждает основные носители заряда мигрировать к переходу, где происходит рекомбинация, позволяющая течь току.
• P-N-переход с обратным включением почти не проводит тока. Обратное включение оттягивает большинство носителей заряда от перехода. Это увеличивает непроводящую обеднённую область.
• Обратно-включенные P-N-переходы показывают зависящий от температуры обратный ток утечки. В небольших кремниевых диодах это меньше мкА.