Выпрямляющие свойства p-n перехода





Краткая теория

В полупроводниковых материалах валентные электроны сильно связаны с ядрами атомов и при создании кристаллической решетки участвуют в образовании химических связей. Рассмотрим условия появления носителей заряда в полупроводниках на примере классического полупроводника - кремния.

 

Собственный полупроводник

Рассмотрим кристалл чистого кремния, не содержащего никаких примесей. Каждый атом кремния имеет 4 валентных электрона. При образовании кристаллической решетки валентные

 

Рис.15.1. Двумерное представления расположения связей в кремнии при низкой (а) и высокой (б) температурах

электроны, представленные на рис.15.1,а в виде черных точек, обеспечивают ковалентную связь. При температурах, близких к абсолютному нулю, все электроны находятся в связанном состоянии, и свободных носителей заряда в полупроводнике нет. При подведении энергии (например, за счет теплового нагрева) появляется возможность разрыва ковалентной связи, в результате чего электрон становится свободным (рис.15.1,б). При уходе электрона ковалентная связь оказывается незавершенной (светлый кружок на рисунке).

 

Примесной полупроводник

Изменить концентрацию электронов или дырок в полупроводнике можно его легированием (введением примесей). Допустим, что часть атомов кремния замещена атомами пятивалентного мышьяка (рис.15.2,а).

Рис. 15.2. Схематическое изображение кристаллической решетки примесного полупроводника n- (а) и p-типа (б) проводимости

Четыре валентных электрона атома мышьяка участвуют в образовании ковалентной связи, пятый электрон оказывается «лишним». Он слабо связан с атомами мышьяка. При низких температурах он локализован около своего родного атома, но при повышении температуры способен стать свободным. В этом случае каждый введенный атом мышьяка вносит в кристаллическую решетку свободный электрон. Концентрация электронов будет определяться концентрацией введенной примеси. В таком полупроводнике выполняется условие

. (15.1)

В силу доминирующей роли электронов такие полупроводники называются полупроводниками n-типа проводимости или полупроводниками с электронной проводимостью.

Введем в кристаллическую решетку кремния атомы элемента 3-й группы периодической системы Менделеева (например, алюминий). Поскольку валентность алюминия равна трем, то одна связь атома кремния будет незавершенной (рис. 15.2,б). Следовательно, каждый введенный в кремний элемент 3-й группы будет вносить один положительный заряд – дырку. В таком материале будет выполняться условие

(15.2)

и электропроводность кристалла будет дырочной. Рассмотренные полупроводники называются полупроводниками p-типа проводимости.

Важно отметить, что в примесном полупроводнике существуют основные и неосновные носители заряда. В материале n-типа основными носителями являются электроны, неосновными – дырки. В полупроводниках p-типа основными носителями являются дырки, неосновными – электроны.

 

Выпрямляющие свойства p-n перехода

Контакт двух полупроводников с разным типом проводимости обладает выпрямляющим действием. Это означает, что сопротивление такого контакта зависит от направления тока: в одном направлении оно велико, в другом – мало. Рассмотрим выпрямляющее действие p-n перехода. Приведем в плотный контакт два материала с дырочной и электронной проводимостью (рис.15.3). Различие в концентрациях однотипных носителей заряда приведет к возникновению диффузионного потока электронов из n-области в p-область, а дырок из p-области в n. При этом приконтактная область дырочного полупроводника будет заряжаться отрицательно, а электронного – положительно. Возникает двойной электрический слой разделенных зарядов, которому будет соответствовать внутреннее контактное электрическое поле, направленное от плюса к минусу. Иными словами, на границе p и n областей возникает внутренняя контактная разность потенциалов UK, затрудняющая процессы перехода основных носителей заряда.

Рис.15.3. Образование контактной разности потенциалов

 

Подадим на p-n переход внешнее напряжение. Если положительный потенциал приходится на p-область, а отрицательный на n- область (рис.15.4), то такое включение называется прямым и ему соответствует протекание большого тока через p-n переход.

 

Рис.15.4. P-n переход при прямом смещении

 

Это обусловлено тем, что внешнее электрическое поле будет ослаблять действие внутреннего электрического поля. Величина потенциального барьера для основных носителей заряда по обе стороны от p-n перехода понизится, уменьшится ширина двойного электрического слоя, и, увлекаемые внешним электрическим полем, электроны n-области и дырки p-области будут двигаться через границу через невысокий потенциальный барьер. Таким образом, протекание большого прямого тока обусловлено движением основных носителей заряда.

Если сменить направление внешнего электрического поля, подавая положительный потенциал на n-область, а отрицательный на p (рис.15.5), то такое смещение называется обратным и характеризуется протеканием малых токов.

 

Рис.15.5. Обратное включение p-n перехода

Зависимость силы тока I от внешнего напряжения U, называемая вольтамперной характеристикой (ВАХ), для p-n перехода описывается уравнением:

(15.3)

где знак «+» относится к прямому направлению, знак «-» - к обратному. При прямых смещениях зависимость имеет экспоненциальный характер, поскольку уже при небольших напряжениях единицей в квадратных скобках можно пренебречь. При больших обратных смещениях ток выходит на постоянный уровень, называемый током насыщения IS.

Вольтамперная характеристика реальных промышленных полупроводниковых диодов изображена на рис.15.6 и имеет небольшие отличия от зависимости, описываемой ф.(15.3).

Рис.15.6. ВАХ полупроводникового диода

Эти отличия относятся к области прямых смещений, когда начальный экспоненциальный участок переходит в строгую линейную зависимость. Линейная зависимость обусловлена тем, что при больших прямых смещениях потенциальный барьер для основных носителей полностью исчезает и величину протекающего тока уже определяет электрическое сопротивление p- и n- областей, называемых базовой областью. Сопротивление базовой области RБ определяется по тангенсу угла наклона линейного участка ВАХ:

(15.4)





Читайте также:
Технические характеристики АП«ОМЕГА»: Дыхательным аппаратом со сжатым воздухом называется изоли­рующий резервуарный аппарат, в котором...
Гражданская лирика А. С. Пушкина: Пушкин начал писать стихи очень рано вскоре после...
Виды функций и их графики: Зависимость одной переменной у от другой х, при которой каждому значению...
Отчет по производственной практике по экономической безопасности: К основным функциональным целям на предприятии ООО «ХХХХ» относятся...

Рекомендуемые страницы:



Вам нужно быстро и легко написать вашу работу? Тогда вам сюда...

Поиск по сайту

©2015-2021 poisk-ru.ru
Все права принадлежать их авторам. Данный сайт не претендует на авторства, а предоставляет бесплатное использование.
Дата создания страницы: 2016-04-27 Нарушение авторских прав и Нарушение персональных данных


Поиск по сайту:

Мы поможем в написании ваших работ! Мы поможем в написании ваших работ! Мы поможем в написании ваших работ!
Обратная связь
0.012 с.