В полупроводниках с различными типами электропроводности

до соприкосновения (а); после соприкосновения (б)

При соприкосновении полупроводников в пограничном слое происходит рекомбинация (воссоединение) электронов и дырок. Свободные электроны из зоны полупроводника n-типа занимают свободные уровни в валентной зоне полупроводника р-типа. В результате вблизи границы двух полупроводников образуется слой, лишенный подвижных носителей заряда и поэтому обладающий высоким удельным сопротивлением, - так называемый запирающий слой (рис. 2 б). Толщина запирающего слоя l обычно не превышает нескольких микрометров.

Расширению запирающего слоя препятствуют неподвижные ионы донорных и акцепторных примесей, которые образуют на границе полупроводников двойной электрический слой. Этот слой определяет контактную разность потенциалов ∆ φ _к на границе полупроводников (рис. 3). Возникшая разность потенциалов создает в запирающем слое электрическое поле напряженностью Е_зап, препятствующее как переходу электронов из полупроводника n-типа в полупроводник р-типа, так и переходу дырок в полупроводник n-типа. В то же время электроны могут свободно двигаться из полупроводника р-типа в полупроводник n-типа, как и дырки из полупроводника n-типа в полупроводник р-типа. Таким образом, контактная разность потенциалов препятствует движению основных носителей заряда и не препятствует движению неосновных носителей заряда. Однако при движении через р-п-переход неосновных носителей {дрейфовый ток I_др) происходит снижение контактной разности потенциалов, что позволяет некоторой части основных носителей, обладающих достаточной энергией, преодолеть потенциальный барьер, обусловленный контактной разностью потенциалов. Появляется диффузионный ток 1_диф, который направлен навстречу дрейфовому току 1_др, то есть возникает динамическое равновесие, при котором 1_др= 1_диф.

Если к p-n-переходу приложить внешнее напряжение U_обр, которое создает в запирающем слое электрическое поле напряженностью Е_вн, совпадающее по направлению с полем неподвижных ионов напряженностью Е_зап (рис. 4 а), то это приведет к расширению запирающего слоя, так как носители заряда уйдут от контактной зоны. При этом сопротивление p-n-перехода велико, ток через него мал, так как обусловлен движением неосновных носителей заряда. В этом случае ток называют обратным I_обр а р-п-переход - закрытым.

При противоположной полярности источника напряжения (рис. 4 б) внешнее поле направлено навстречу полю двойного электрического слоя, толщина запирающего слоя уменьшается. Сопротивление р-п-перехода резко снижается и возникает сравнительно большой ток. В этом случае ток называют прямым 1_пр, а р-п-переход - открытым.

Рис.3. Образование контактной разности потенциалов на границе полупроводников разных типов электропроводимости

Рис. 4. p-n-переход во внешнем электрическом поле:

а) к p-n-переходу приложено обратное напряжение;

б) к p-n-переходу приложено прямое напряжение

На рис. 5 показана вольт-амперная характеристика p-n-перехода. Пробой p-n-перехода связан с тем, что при движении через p-n-переход под действием электрического поля неосновные носители заряда приобретают энергию, достаточную для ударной ионизации атомов полупроводника. В переходе начинается лавинообразное размножение носителей заряда, что приводит к резкому увеличению обратного тока через p-n-переход при почти неизменном обратном напряжении. Этот вид электрического пробоя называют лавинным. Обычно он развивается в относительно широких p-n-переходах, которые образуются в слаболегированных полупроводниках

В сильнолегированных полупроводниках ширина запирающего слоя меньше, что препятствует возникновению лавинного пробоя, так как движущиеся носители не приобретают энергии, достаточной для ударной ионизации. В таких полупроводниках возможно возникновение эффекта Зенера, когда при достижении критической напряженности электрического поля в p-n-переходе за счет энергии поля появляются пары носителей электрон - дырка, и существенно возрастает обратный ток р-п-перехода.

Для электрического пробоя характерна обратимость, заключающаяся в том, что первоначальные свойства p-n-перехода полностью восстанавливаются, если снизить напряжение на p-n-переходе. Благодаря этому электрический пробой используют в качестве рабочего режима в полупроводниковых диодах.

Если температура p-n-перехода возрастает в результате его нагрева обратным током и недостаточного теплоотвода, то усиливается процесс генерации пар носителей заряда. Это приводит к дальнейшему увеличению обратного тока и нагреву p-n-перехода, что может вызвать разрушение перехода. Такой процесс называют тепловым пробоем. Тепловой пробой разрушает р-п-переход.

Рис. 5. Вольт-амперная характеристика р-п-перехода

В сильнолегированных полупроводниках может возникать квантово-механический туннельный эффект, который состоит в том, что при очень малой толщине запирающего слоя основные носители могут преодолевать запирающий слой без изменения энергии, что приводит к возрастанию тока на этих участках.

Закрытый p-n-переход обладает -электрической емкостью, которая зависит от его площади и ширины, а также от диэлектрической проницаемости запирающего слоя.

Свойства p-n-перехода широко используются в полупроводниковых приборах.

Полупроводниковые диоды

Полупроводниковым диодом называют двухэлектродный полупроводниковый прибор, содержащий один электронно-дырочный р-п переход.

По конструктивному исполнению полупроводниковые диоды разделяются на плоскостные и точечные. Плоскостные диоды представляют собой p-n-переход с двумя металлическими контактами, присоединенными к р- и n-областям. В точечном диоде вместо плоской используется конструкция, состоящая из пластины полупроводника и металлического проводника в виде острия. При сплавлении острия с пластиной образуется микропереход. По сравнению с плоскостным диодом падение напряжения на точечном в прямом направлении очень мало, ток в обратном направлении значительно меняется в зависимости от напряжения. Точечные диоды обладают малой межэлектродной емкостью.

Рассмотрим некоторые группы полупроводниковых диодов.

Выпрямительный полупроводниковый диод используется для выпрямления переменного тока.

Типичная вольт-амперная характеристика выпрямительного диода подобна характеристике, представленной на рис. 5. Основным свойством выпрямительного диода является большое различие сопротивлений в прямом и обратном направлениях, что обуславливает вентильные свойства выпрямительного диода, т.е. способность пропускать ток преимущественно в одном (прямом) направлении. Электрические параметры выпрямительного диода: прямое напряжение U_np, которое нормируется при определенном прямом токе 1_пр; максимально допустимый прямой ток 1_пр _тах максимально допустимое обратное напряжение Uобр таx, обратный ток 1_обр, который нормируется при определенном обратном напряжении Uo6_P, межэлектродная емкость, сопротивление постоянному и переменному току.

Полупроводниковый стабилитрон - полупроводниковый диод, напряжение на котором в области электрического пробоя слабо зависит от тока.

Вольт-амперная характеристика стабилитрона приведена на рис. 6.

Как видно, в области пробоя напряжение на стабилитроне U_cm лишь незначительно изменяется при больших изменениях тока стабилизации 1_ст.

Рис. 6. Вольтамперная характеристика стабилитрона

Основные параметры стабилитрона: напряжение на участке стабилизации U_cm; динамическое сопротивление на участке стабилизации R_д= dU_cm/dI_cm; минимальный ток стабилизации 1_ст_min, максимальный ток стабилизации f_cm _max, температурный коэффициент напряжения на участке стабилизации TKU=(dU_cm/dT)·100.

Стабилитроны используются для стабилизации и ограничения напряжения, а также в качестве источника опорного (эталонного) напряжения в прецизионной измерительной технике.

Туннельный диод - это полупроводниковый диод, в котором благодаря использованию высокой концентрации примесей возникает очень узкий барьер и наблюдается туннельный механизм переноса зарядов через р-п-переход. Характеристика туннельного диода имеет область отрицательного сопротивления, т. е. область, в которой положительному приращению напряжения соответствует отрицательное приращение тока (пунктирная линия на рис. 83).

Варикап - полупроводниковый диод, в котором используется зависимость емкости p-n-перехода от обратного напряжения, который предназначен для применения в качестве элемента с электрически управляемой емкостью.

Фотодиод - полупроводниковый диод, в котором в результате освещения p-n-перехода повышается обратный ток.

Светодиод - полупроводниковый диод, в котором в режиме прямого тока в зоне p-n-перехода возникает видимое или инфракрасное излучение.

Фотодиоды используются в солнечных батареях, применяемых на космических кораблях и в южных районах земного шара. Светодиоды находят применение для индикации в измерительных приборах, в наручных часах, микрокалькуляторах и других приборах.

⇐ Предыдущая 1 23