Что такое p–n или электронно-дырочный переход: принцип работы простыми словами в 2022 году

↑ Структура и энергетические диаграммы чистого полупроводника

К полупроводниковым относят вещества, которые по своему удельному сопротивлению занимают промежуточное положение между проводниками и диэлектриками. Характерной чертой полупроводников, отличающей их от других веществ, является сильная зависимость их сопротивления от температуры и концентрации примесей. В производстве полупроводниковых приборов наибольшее распространение получили такие материалы, как германий и кремний. Они имеют кристаллическую структуру и расположены в IV группе таблицы Менделеева.

Все вещества состоят из атомов. Атом включает положительно заряженное ядро и электроны, вращающиеся вокруг него по орбитам с определенным радиусом.

Энергию электронов атома можно представить в виде диаграммы (рис. 3.1, а). Как видно из рисунка, электроны в атоме могут обладать лишь значениями энергий, равными W1

,W2 ,W3 ,W4 , и не могут иметь промежуточных уровней.

Электроны, вращающиеся на внешних оболочках, называются валентными. Установлено, что в атоме любого вещества одинаковая энергия может быть не более чем у двух электронов. Иными словами, на одном энергетическом уровне может находиться не более двух электронов. Поскольку в веществе содержится большое количество атомов, вследствие их взаимодействия энергетические уровни электронов, вращающихся по одинаковым орбитам, смещаются относительно энергетических уровней этих же электронов в отдельном «изолированном» атоме. В результате образуются целые энергетические зоны, состоящие из близко расположенных энергетических уровней. Энергетические уровни, образованные валентными электронами, называют валентной зоной

(рис. 3.1,б).

Что такое удельная электропроводимость

Удельная проводимость (или удельная электролитическая проводимость) определяется, как способность вещества проводить электрический ток

Это величина, обратная удельному сопротивлению.
При химическом очищении воды очень важно измерить удельную проводимость воды, зависящую от растворенных в воде ионных соединений.
Удельная проводимость легко может быть измерена электронными приборами. Широкий спектр соответствующего оборудования позволяет сейчас измерять проводимость практически любой воды, от сверхчистой (очень низкая проводимость) до насыщенной химическими соединениями (высокая проводимость).

↑ Образование свободных электронов и дырок в полупроводнике

При абсолютном нуле (абсолютный нуль — наиболее низкая возможная температура —273,16 °С; в настоящее время достигнуты температуры, отличающиеся от абсолютного нуля на ничтожные доли градуса) все валентные электроны находятся на орбитах и прочно связаны с атомами. Поэтому в таком полупроводнике нет свободных электронов и он представляет собой идеальный изолятор (диэлектрик). С ростом температуры валентные электроны получают дополнительную энергию и могут оторваться от атома. Оторвавшийся электрон становится «свободным». Энергетические уровни свободных электронов образуют зону проводимости, расположенную над валентной зоной и отделенную от нее запрещенной зоной шириной ΔW (рис. 3.1, в). Свободные электроны могут перемещаться по полупроводнику и участвовать таким образом в образовании электрического тока. Чем больше свободных электронов в единице объема вещества, тем меньше его сопротивление.

Между атомами в кристалле полупроводника существуют ковалентные связи. Ковалентная связь образуется за счет вращения двух электронов, принадлежащих двум рядом расположенным атомам, по одной общей орбите (рис. 3.2, а). Германий и кремний являются четырехвалентными элементами, и их атомы имеют по 4 валентных электрона. В результате образования парных ковалентных связей все атомы германия и кремния оказываются взаимосвязанными. Плоские модели кристаллических решеток чистого германия Ge и кремния Si изображены на рис. 3.2, б. На этом рисунке парные ковалентпые связи показаны двумя параллельными линиями, соединяющими два соседних атома, а электроны, образующие эти связи,— в виде черных точек.

При сообщении электрону дополнительной энергии ковалентная связь может нарушиться и он станет свободным. Место на внешней орбите атома, где ранее находился электрон, называют дыркой. На энергетической диаграмме дырке соответствует свободный энергетический уровень в валентной зоне, с которого электрон перешел в зону проводимости (рис. 3.2, г).

Образование свободных электронов в зоне проводимости и дырок в валентной зоне называют генерацией подвижных носителей заряда, или генерацией пар электрон — дырка, поскольку появление свободного электрона в зоне проводимости обязательно сопровождается появлением дырки в валентной зоне.

Свободный электрон может, теряя часть своей энергии, из зоны проводимости перейти в валентную зону, заполнив собой одну из имеющихся в ней дырок. При этом восстанавливается ковалентная связь. Этот процесс называют рекомбинацией. Таким образом, рекомбинация всегда сопровождается потерей пары электрон—дырка.

Природа электрического тока в полупроводниках. Собственная и примесная проводимость.

24>

Полупроводники — это вещества, удельное сопротивление которых убывает с повышением температуры, наличием примесей, изменением освещенности. По этим свойствам они разительно отличаются от металлов. Обычно к полупроводникам относятся кристаллы, в которых для освобождения электрона требуется энергия не более 1,5—2 эВ. Типичными полупроводниками являются кристаллы германия и кремния, в которых атомы объединены ковалентной связью. Природа этой связи позволяет объяснить указанные выше характерные свойства. При нагревании полупроводников их атомы ионизируются. Освободившиеся электроны не могут быть захвачены соседними атомами, так как все их валентные связи насыщены. Свободные электроны под действием внешнего электрического поля могут перемещаться в кристалле, создавая электронный ток проводимости. Удаление электрона с внешней оболочки одного из атомов в кристаллической решетке приводит к образованию положительного иона. Этот ион может нейтрализоваться, захватив электрон. Далее, в результате переходов электронов от атомов к положительным ионам происходит процесс хаотического перемещения в кристалле места с недостающим электроном — «дырки». Внешне этот процесс хаотического перемещения воспринимается как перемещение положительного заряда. При помещении кристалла в электрическое поле возникает упорядоченное движение «дырок» — дырочный ток проводимости. В идеальном кристалле ток создается равным количеством электронов и «дырок». Такой тип проводимости называют собственной проводимостью полупроводников. При повышении температуры (или освещенности) собственная проводимость проводников увеличивается. На проводимость полупроводников большое влияние оказывают примеси. Примеси бывают донорные и акцепторные. Допорная примесь — это примесь с большей валентностью. При добавлении донорной примеси в полупроводнике образуются липшие электроны. Проводимость станет электронной, а полупроводник называют полупроводником n-типа. Например, для кремния с валентностью n — 4 донорной примесью является мышьяк с валентностью n = 5. Каждый атом примеси мышьяка приведет к образованию одного электрона проводимости. Акцепторная примесь — это примесь с меньшей валентностью. При добавлении такой примеси в полупроводнике образуется лишнее количество «дырок». Проводимость будет «дырочной», а полупроводник называют полупроводником р-типа. Например, для кремния акцепторной примесью является индий с валентностью п = 3. Каждый атом индия приведет к образованию лишней «дырки». Принцип действия большинства полупроводниковых приборов основан на свойствах р—n-перехода.

Билет№21

24>

Дата добавления: 2016-07-18; просмотров: 5543; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ

Выпрямительные диоды

Конструктивно выпрямительные диоды делятся на плоскостные и точечные, а по технологии изготовления на сплавные, диффузионные и эпитаксиальные. Плоскостные диоды благодаря большой площади p-n-перехода используют для выпрямления больших токов. Точечные диоды имеют малую площадь перехода и, соответственно, предназначены для выпрямления малых токов. Для увеличения напряжения лавинного пробоя используют выпрямительные столбы, состоящие из ряда последовательно включенных диодов.

Выпрямительные диоды большой мощности называют силовыми. Материалом для таких диодов обычно служит кремний или арсенид галлия. Кремниевые сплавные диоды используют для выпрямления переменного тока с частотой до 5 кГц. Кремниевые диффузионные диоды могут работать на повышенной частоте, до 100 кГц. Кремниевые эпитаксиальные диоды с металлической подложкой (с барьером Шотки) могут использоваться на частотах до 500 кГц. Арсенидгалиевые диоды способны работать в диапазоне частот до нескольких МГц.

Силовые диоды обычно характеризуются набором статических и динамических параметров. К статическим параметрам диода относятся:

падение напряжения U_пр на диоде при некотором значении прямого тока;
обратный ток I_обр при некотором значении обратного напряжения;
среднее значение прямого тока I_пр.ср.;
импульсное обратное напряжение U_обр.и.;

К динамическим параметрам диода относятся его временные и частотные характеристики. К таким параметрам относятся:

время восстановления t_вос обратного напряжения;
время нарастания прямого тока I_нар.;
предельная частота без снижения режимов диода f_max.

Статические параметры можно установить по вольт-амперной характеристике диода.

Время обратного восстановления диода t_вос является основным параметром выпрямительных диодов, характеризующим их инерционные свойства. Оно определяется при переключении диода с заданного прямого тока I_пр на заданное обратное напряжение U_обр. Во время переключения напряжение на диоде приобретает обратное значение. Из-за инерционности диффузионного процесса ток в диоде прекращается не мгновенно, а в течении времени t_нар. По существу, происходит рассасывание зарядов на границе p-n-перехода (т. е. разряд эквивалентной емкости). Из этого следует, что мощность потерь в диоде резко повышается при его включении, особенно, при выключении. Следовательно, потери в диоде растут с повышением частоты выпрямляемого напряжения.

При изменении температуры диода изменяются его параметры. Наиболее сильно от температуры зависят прямое напряжение на диоде и его обратный ток. Приблизительно можно считать, что ТКН (температурный коэффициент напряжения) Uпр = -2 мВ/К, а обратный ток диодаимеет положительный коэффициент. Так при увеличении температуры на каждые 10 °С обратный ток германиевых диодов увеличивается в 2 раза, а кремниевых – 2,5 раз.

Полупроводниковые приборы

Термисторы

Электрическое сопротивление полупроводников в значительной степени зависит от температуры. Это свойство используют для измерения температуры по силе тока в цепи с полупроводником. Такие приборы называют терморезисторами

илитермисторами . Полупроводниковое вещество помещается в металлический защитный чехол, в котором имеются изолированные выводы для включения терморезистора в электрическую цепь.

Изменение сопротивления терморезисторов при нагревании или охлаждении позволяет использовать их в приборах для измерения температуры, для поддержания постоянной температуры в автоматических устройствах — в закрытых камерах-термостатах, для обеспечения противопожарной сигнализации и т.д. Существуют термисторы для измерения как очень высоких (Т

≈ 1300 К), так и очень низких (Т ≈ 4 — 80 К) температур.

Схематическое изображение (рис. а) и фотография (рис. б) термистора приведено на рисунке 14.

Рис. 14

Фоторезисторы

Электрическая проводимость полупроводников повышается не только при нагревании, но и при освещении. Электрическая проводимость возрастает вследствие разрыва связей и образования свободных электронов и дырок за счет энергии света, падающего на полупроводник.

Приборы, в которых учитывается зависимость электрической проводимости полупроводников от освещения, называют фоторезисторами

Материалами для изготовления фоторезисторов служат соединения типа CdS, CdSe, PbS и ряд других.

Миниатюрность и высокая чувствительность фоторезисторов позволяют использовать их для регистрации и измерения слабых световых потоков. С помощью фоторезисторов определяют качество поверхностей, контролируют размеры изделий и т.д.

Схематическое изображение (рис. а) и фотография (рис. б) фоторезистора приведено на рисунке 15.

Рис. 15

Полупроводниковый диод

Способность p-n-перехода пропускать ток в одном направлении используется в полупроводниковых приборах, называемых диодами

Полупроводниковые диоды изготавливают из германия, кремния, селена и других веществ.

Для предотвращения вредных воздействий воздуха и света кристалл германия помещают в герметический металлический корпус. Полупроводниковые диоды являются основными элементами выпрямителей переменного тока (если точнее, служат для преобразования переменного тока в пульсирующий ток постоянного направления.)

Схематическое изображение (рис. а) и фотография (рис. б) полупроводникового диода приведено на рисунке 16.

Рис. 16

Светодиоды

Светодиод

илисветоизлучающий диод — полупроводниковый прибор с p-n-переходом, создающий оптическое излучение при пропускании через него электрического тока.

Излучаемый свет лежит в узком диапазоне спектра, его спектральные характеристики зависят в том числе от химического состава использованных в нём полупроводников.

Применение светодиодов

: в освещении, в качестве индикаторов (индикатор включения на панели прибора, буквенно-цифровое табло), как источник света в фонарях и светофорах, в качестве источников оптического излучения (пульты ДУ, светотелефоны), в подсветке ЖК-экранов (мобильные телефоны, мониторы, телевизоры) и т. д.

Схематическое изображение (рис. а) и фотография (рис. б) светодиода приведено на рисунке 17.

Рис. 17

Что это такое

В электронике используются диэлектрики и проводники, но, кроме них, есть так называемые полупроводники, то есть промежуточные материалы. Изначально люди не знали, как и с какой целью их можно применять в электронике или радиотехнике. Однако было установлено, что, при добавлении в состав промежуточного материала некоторых элементов, полупроводник обретает особые свойства.

Самый распространенный промежуточный материал – кремний. Из него состоит примерно треть земной коры. Также в полупроводниковых приборах применяют селен, арсенид галлия и германий. Ученые установили, что, если кремний пролегировать мышьяком (то есть добавить его в состав), то промежуточный материал насыщается свободными электронами и становится проводником. А если кремний обогатить индием, то полупроводник наполняется свободными положительными зарядами.

Интересно то, что свободных частиц с положительным зарядом нет. Протон (положительно заряженная частица) связан с нейтроном, образуя часть атомного ядра. Переносить положительный заряд они не могут. То есть получается, что заряд есть, а электронов, переносящих его, нет. Такие частицы называют положительно заряженными «дырами». Полупроводник, в составе которого много подобных «дыр», называется положительным (Р-тип).

Сам промежуточный материал как Р, так и N типов малополезен, но, если пластинки из указанных элементов плотно прижать друг к другу, то в месте их соприкосновения и появляется электронно-дырочный переход, совершивший прорыв в мире электроники.

Единицы проводимости

Основная единица измерения сопротивления – Ом. Удельная проводимость – величина обратная сопротивлению, она измеряется в Сименсах, ранее называвшихся mho. Применительно к сыпучим веществам удобнее говорить об особой проводимости, обычно называемой удельной проводимостью.

Удельная проводимость – это проводимость, измеренная между противоположными сторонами куба вещества со стороной 1 см. Единицей данного типа измерений является Сименс/см. При измерении проводимости воды чаще используются более точные мкС/см (микросименс) и мС/см (миллисименс).

Соответствующие единицы измерения сопротивления (или удельного сопротивления) – Ом/см, МегаОм/см и килоОм/см. При измерении сверхчистой воды чаще используют МегаОм/см, так как это дает более точные результаты. Сопротивление менее чистой воды, как например, водопроводной, измеряют в килоОм/см.

Большинство из нас, работая с практически чистой водой, используют единицы мкС/см и мС/см во время исследования воды с высокой концентрацией растворенных химических веществ. Использование удельной проводимости в данном приложении имеет преимущество почти прямой связи с примесями, особенно при низких концентрациях ионов, как, например, в системах охлаждения и бойлерах. Таким образом, рост удельной проводимости указывает на рост примесей, и можно установить критический уровень для контроля максимального уровня примесей.

Удельная проводимость некоторых растворов 1000 мг. в л.:

Состав	мкСм/см @ 25 C°	мСм/см
Бикарбонат натрия	870	0,87
Сульфат натрия	1300	1,30
Хлорид натрия	1990	1,99
Карбонат натрия	1600	1,60
Гидроксид натрия	5820	5,82
Гидроксид аммония	189	0,19
Соляная кислота	11000	11,10
Фтористоводородная кислота	2420	2,42
Азотная кислота	6380	6,38
Фосфорная кислота	2250	2,25
Серная кислота	6350	6,35

Характеристика полупроводников

Из 104 элементов таблицы Менделеева 79 являются металлами, 25 – неметаллами, из которых 13 химических элементов обладают полупроводниковыми свойствами и 12 – диэлектрическими. Основное отличие полупроводников состоит в том, что их электропроводность значительно возрастает при повышении температуры. При низких температурах они ведут себя подобно диэлектрикам, а при высоких — как проводники. Этим полупроводники отличаются от металлов: сопротивление металла растёт пропорционально увеличению температуры.

Другим отличием полупроводника от металла является то, что сопротивление полупроводника падает под действием света, в то время как на металл последний не влияет. Также меняется проводимость полупроводников при введении незначительного количества примеси.

Полупроводники встречаются среди химических соединений с разнообразными кристаллическими структурами. Это могут быть такие элементы, как кремний и селен, или двойные соединения, как арсенид галлия. Многие органические соединения, например полиацетилен (СН)n, – полупроводниковые материалы. Некоторые полупроводники проявляют магнитные (Cd1-xMnxTe) или сегнетоэлектрические свойства (SbSI). Другие при достаточном легировании становятся сверхпроводниками (GeTe и SrTiO3). Многие из недавно открытых высокотемпературных сверхпроводников имеют неметаллические полупроводящие фазы. Например, La2CuO4 является полупроводником, но при образовании сплава с Sr становится сверхроводником (La1-xSrx)2CuO4.

Учебники физики дают полупроводнику определение как материалу с электрическим сопротивлением от 10-4 до 107 Ом·м. Возможно и альтернативное определение. Ширина запрещённой зоны полупроводника — от 0 до 3 эВ. Металлы и полуметаллы – это материалы с нулевым энергетическим разрывом, а вещества, у которых она превышает З эВ, называют изоляторами. Есть и исключения. Например, полупроводниковый алмаз имеет запрещённую зону шириной 6 эВ, полуизолирующий GaAs – 1,5 эВ. GaN, материал для оптоэлектронных приборов в синей области, имеет запрещённую зону шириной 3,5 эВ.

Презентация на тему: » Полупроводники Электронно-дырочный переход. Полупроводники Полупроводники – элементы IV группы таблицы Менделеева Наиболее часто используются Ge,Si При.» — Транскрипт:

Полупроводники Электронно-дырочный переход

Полупроводники Полупроводники – элементы IV группы таблицы Менделеева Наиболее часто используются Ge,Si При нагревании полупроводников их электрическое сопротивление падает, а не возрастает, как у металлов R T T R Проводники Полупроводники

Строение полупроводников При небольшой температуре все атомы полупроводника жестко связаны ковалентной парноэлектронной связью. Свободные носители заряда отсутствуют, и сопротивление полупроводника бесконечно высоко Si

Строение полупроводников При нагревании часть связей разрывается и некоторые электроны становятся свободными. На том месте, где были электроны, появляются положительные заряды — дырки Si ++ + Свободные электроны Дырки

Строение полупроводников Под действием электрического поля электроны начинают двигаться в одну сторону, а дырки – в противоположную, и через полупроводник течет ток. Si

Строение полупроводников Для обогащения полупроводника свободными электронами используют донорные примеси – пятивалентный мышьяк As. Полупроводники с избыточными электронами называются полупроводниками n-типа AsSi

Строение полупроводников Для обогащения полупроводника свободными дырками используют акцепторные примеси – трехвалентный индий In. Полупроводники с избыточными дырками называются полупроводниками P-типа InSi +

Примесная проводимость InSi + AsSi «Лишние электроны в полупроводниках n-типа и «лишние» дырки в полупроводниках р-типа обеспечивают ПРИМЕСНУЮ ПРОВОДИМОСТЬ

Электронно-дырочный переход При сплаве двух полупроводников разного типа на их границе возникает электронно- дырочный переход (p-n – переход) При отсутствии напряжения на краях полупроводника в месте перехода существует собственное поле Е, зона перехода обеднена носителями заряда и имеет большое сопротивление pn pn Е Запирающий слой

Электронно-дырочный переход При подключении к краям полупроводника напряжения таким образом (прямое подключение), через зону перехода течет ток, она сужается и ее сопротивление резко падает. Через полупроводник идет большой ток. При обратном включении внешнее поле усиливает поле запирающего слоя, запирающий слой увеличивается в размерах. Через полупроводник ток почти не идет. pn + — I pn +-

Односторонняя проводимость p-n — перехода Как видно, p-n – переход проводит ток только в одном – прямом направлении. Это свойство перехода лежит в основе полупроводниковых диодов – устройств, проводящих ток только в одном направлении. I U Вольт-амерная характеристика полупроводникового диода

Проводимость полупроводника

Главное свойство полупроводников, результатом которого является широчайшее их распространение в современной электронике, является возможность легкого управления проводимостью. Это дает возможность использовать полупроводники для усиления и преобразования самых разных электрических сигналов.

Изначально полупроводниковые приборы строились в основном на основе германия. В настоящее время самое широкое применение находит кремний.

Строение кристалла полупроводника

Для понимания природы проводимости полупроводника следует рассмотреть его атомное строение. Кремний – четырехвалентный элемент. В его кристалле каждый атом связан ковалентными связями с четырьмя соседями. Ковалентная химическая связь – это связь, при которой электроны двух атомов «обобществляются», и становятся общими. То есть каждая связь в кремнии содержит два «обобществленных» электрона.

Рис. 1. Структура связей в кристалле кремния.

Электронная проводимость

Чем выше температура кристалла, тем больше энергии имеют валентные электроны, и тем легче им переходить между соседними атомами. Удалившись от одного атома, он может начать двигаться по связи с другим атомом (там, где в это время другой электрон «освободит место»).

Дырочная проводимость

Заметим, что электрон, ставший свободным – покинул свой атом, в результате чего у атома образовался избыточный положительный заряд, «вакантное место» в одной из четырех связей. Такой атом называется «дыркой». Поскольку в ковалентных связях электроны могут переходить от связи к связи – образовавшееся «вакантное место» может быть заполнено электроном из соседнего атома, таким образом дырка образуется в этом соседнем атоме.

В отсутствие электрического поля дырки образуются и исчезают хаотично. Однако, если такое поле появляется, дырка будет заполняться электронами из соседних атомов в основном под действием этого поля. То есть, под действием поля дырка начинает движение – в полупроводнике возникает дырочная проводимость.

Таким образом, кратко электрический ток в полупроводниках можно представить в виде движения электронов и дырок.

Собственная и примесная проводимость

Собственная проводимость чистого полупроводника, как правило, невелика, существенно меньше, чем проводимость металлов. Для работы в электронных схемах это большой недостаток. Для увеличения проводимости в полупроводник вводят специальные примеси.

Атомы примеси подбираются так, чтобы они легко встраивались в кристаллическую структуру полупроводника, и при этом значительно влияли на его проводимость, несмотря на небольшое количество примеси. Такой результат можно получить, если валентность примеси будет немного отличаться (на единицу) от валентности вещества полупроводника.

Донорная и акцепторная проводимость

Валентность примеси может быть равна пяти (например, у мышьяка). В этом случае у каждого атома примеси кроме четырех электронов, участвующих в связи с соседними атомами кремния, будет один «лишний» электрон, который сможет легко покидать атом мышьяка, и двигаться в полупроводнике. Проводимость кристалла резко возрастает за счет появляющихся свободных электронов. Примесь, которая легко увеличивает число свободных электронов, называется донорной, а кристалл полупроводника с донорной примесью называется n-типом (от «negative»). Основными носителями в таком полупроводнике являются электроны.

Рис. 2. Электронная проводимость полупроводника.

Валентность примеси может быть равна трем (например, у индия). В этом случае у каждого атома примеси в четырех связях с соседними атомами кремния всегда будет одно «вакантное» место, которое будет легко заполняться электронами соседних атомов. Проводимость кристалла в этом случае также возрастает, за счет увеличенного числа дырок. Примесь, увеличивающая число дырок, называется акцепторной, а полупроводник с такой примесью называется полупроводником p-типа (от «positive»). Основными носителями в нем являются дырки.

Рис. 3. Дырочная проводимость полупроводника.

Изменяя концентрацию примесей, можно значительно менять как электронную, так и дырочную проводимость. Эта возможность широко используется в электронике.

Электронно-дырочный переход

Электронно-дырочный переход (сокращенно р-n-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 слева находится область полупроводника с дырочной (p-типа), а справа — с электронной (n-типа) проводимостью (рис. 10). 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.

Рис. 10

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.

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 Ei

. Электрическое поле электронно-дырочного перехода (р-n-переход) препятствует дальнейшему переходу электронов и дырок через границу раздела двух полупроводников. Запирающий слой имеет повышенное сопротивление по сравнению с остальными объемами полупроводников.

Внешнее электрическое поле с напряженностью E

влияет на сопротивление запирающего электрического поля. Если n-полупроводник подключен к отрицательному полюсу источника, а плюс источника соединен с p-полупроводником, то под действием электрического поля электроны в n-полупроводнике и дырки в p-полупроводнике будут двигаться навстречу друг другу к границе раздела полупроводников (рис. 11). Электроны, переходя границу, «заполняют» дырки. При таком прямом направлении внешнего электрического поля толщина запирающего слоя и его сопротивление непрерывно уменьшаются. В этом направлении электрический ток проходит через р-n-переход.

Рис. 11

Рассмотренное направление p-n-перехода называют прямым

. Зависимость силы тока от напряжения, т.е.вольт-амперная характеристика прямого перехода, изображена на рис. 12 сплошной линией.

Рис. 12

Если n-полупроводник соединен с положительным полюсом источника, а p-полупроводник — с отрицательным, то электроны в n-полупроводнике и дырки в p-полупроводнике под действием электрического поля будут перемещаться от границы раздела в противоположные стороны (рис. 13). Это приводит к утолщению запирающего слоя и увеличению его сопротивления. Направление внешнего электрического поля, расширяющее запирающий слой, называется запирающим

(обратным ). При таком направлении внешнего поля электрический ток основных носителей заряда через контакт двух п- и p-полупроводников не проходит.

Рис. 13

Ток через p-n-переход теперь обусловлен электронами, которые есть в полупроводнике p-типа, и дырками из полупроводника n-типа. Но неосновными носителей заряда очень мало, поэтому проводимость перехода оказывается незначительной, а его сопротивление — большим. Рассмотренное направление p-n-перехода называют обратным

, его вольт-амперная характеристика изображена на рис. 12 штриховой линией.

Обратите внимание, что масштаб измерения силы тока при прямом и обратном переходах отличаются в тысячу раз. Заметим, что при определенном напряжении, приложенном в обратном направлении, происходит пробой. Заметим, что при определенном напряжении, приложенном в обратном направлении, происходит пробой

Заметим, что при определенном напряжении, приложенном в обратном направлении, происходит пробой

(т.е. разрушение) p-n-перехода.

Полупроводниковые приборы и их классификация.

В современной электронике на основе полупроводников производят активные элементы. То есть те, которые способны менять свои электрические характеристики в зависимости от подаваемого на них напряжения. Скажем, тот же транзистор является активным элементом, поскольку его значение внутреннего сопротивления будет меняться в зависимости от разных условий в электронной цепи. А вот, например обычный резистор относиться к категории пассивных элементов, так как его сопротивление будет всегда одинаковым. К пассивным электронным компонентам относятся также конденсаторы и катушки. Их создают из других материалов.

Фундаментальными активными элементами являются транзисторы и диоды. Другие полупроводниковые приборы, такие как варикапы, тиристоры и симисторы — это модификации и тех же транзисторов и диодов. Приборы с одним элементом называются дискретными. Соединив множество полупроводниковых элементов на одном кристалле, получают интегральную схему. Например, процессор и память компьютера являются интегральными схемами, состоящими из сотен миллионов транзисторов.

Электрический ток в полупроводниках

В любом кристалле атомы расположены в определенном порядке, образуя так называемую кристаллическую решетку. Связь между отдельными атомами создается за счет электронов, слабо связанных с ядрами атомов. Такая связь получила название валентной или электронной. Именно она удерживает атомы в определенных местах кристаллической решетки.

Наиболее широкое применение в полупроводниковой технике нашли германий и кремний. Оба эти элемента имеют по четыре валентных электрона, которые и создают связи с соседними атомами. Каждый атом, например, в кристалле германия связан с четырьмя соседними атомами. Заметим, что электронную связь создают обязательно два электрона (один от данного и другой от соседнего атома). Условно электронные связи в кристалле германия можно показать так, как это сделано на рис. 1.

Рисунок 1. Условное изображение электронных связей в кристале германия.

При нагревании, под действием света, радиоактивного излучения и других факторов электронные связи в полупроводнике нарушаются. Если полупроводник поместить в электрическое поле, то образовавшиеся при нарушении электронных связей свободные электроны начнут перемещаться в одну сторону под действием сил поля. В полупроводнике возникнет электрический ток.

Рисунок 2. Протекание электрического тока в кристале германия.

Так как этот ток представляет собой, как и в металле, движение свободных электронов, то принято говорить, что полупроводник обладает электронной проводимостью.

Если из электронной связи вырван электрон, то образуется так называемая дырка. Эту дырку может заполнить электрон с соседнего атома, в котором в свою очередь образуется дырка. Дырка соседнего атома будет заполнена электроном следующего атома и т. д.

Если полупроводник находится в электрическом поле, то дырки как бы перемещаются навстречу движению электронов. В этом случае говорят, что полупроводник обладает дырочной проводимостью.

Для создания свободных носителей заряда (электронов или дырок) в полупроводник вводят примеси.

Наличие двух видов проводимости — характерная особенность полупроводников.

Что такое p–n переход простыми словами в 2022 году