Андрей Смирнов
Время чтения: ~19 мин.
Просмотров: 0

P-n переход

Что такое сток, исток и затвор

Полевой транзистор имеет три вывода. Вывод, с которого начинают свой путь электроны (основные носители) называется ИСТОКОМ. От слова “источник”. В разговорной речи мы источником называем родник, из которого бьет чистая вода. Поэтому нетрудно будет запомнить, что ИСТОК – это тот вывод, откуда начинают свой путь основные носители заряда. В данном случае это электроны. Место, куда они стекаются, называются СТОКОМ.

Эти два понятия нетрудно будет запомнить, если вспомнить водосточную систему с крыш ваших домов.

Истоком будет труба, которая собирает всю капли дождя с шифера или профнастила

А стоком будет конец  трубы, из которой вся дождевая вода будет выбегать на землю:

Но опять же, не забывайте, что мы говорим об электронах! А электроны бегут к плюсу. То есть по-нашенски получается что на СТОК мы подаем плюс, а на ИСТОК – минус.

А для чего нужен третий вывод?

Так, а давайте по приколу где-нибудь обрежем нашу водосточную трубу и воткнем туда вот такой прибамбас:

Называется он дисковым затвором. Чего бы мы добились, если бы воткнули этот дисковый затвор в нашу водосточную трубу? Да покрутив за баранку, мы могли бы регулировать поток воды! Мы можем вообще полностью перекрыть трубу, тогда в этом случае на стоке не стоит ждать дождевую водичку. А можем открыть наполовину, и регулировать поток воды со стока, чтобы при ливне у нас поток воды не смыл грядки и не сделал большую яму в земле. Удобно? Удобно.

Так вот, третий вывод полевого транзистора, который соединяется с P полупроводником называется тоже ЗАТВОРОМ и служит как раз для того, чтобы регулировать силу тока в бруске, через который бежит электрический ток 😉 Для этого достаточно подать на него напряжение, чтобы P-N переход был включен в обратном направлении, то есть в нашем случае подать МИНУС относительно ИСТОКА. Вся картина в целом будет выглядеть как-то вот так:

Применение запирающего слоя в JFET транзисторах

Но где же можно применить свойство “изменение толщины диэлектрика под воздействием напряженности электрического поля”? А давайте рассмотрим небольшой пример. Может быть вам потом станет ясно, где можно применить это свойство 😉

Итак, провинциальный городок X. Обычный будний день. Поток людей спешит по своим делам. Около тротуара стоит лавка с хот-догами. Пока что она еще не открылась, так как продавец сладко спит,  поэтому все проходят мимо этой лавки:

Но вот она открывается, и первые зеваки начинают “тусить” возле нее, чтобы отведать позавчерашних холодных протухших хот-догов)).

Продавец видит, что дела идут в гору и начинает еще быстрее обслуживать клиентов. То есть он вкладывает всю свою энергию, чтобы выдержать темп. Он начинает работать напряженнее. Чем напряженнее он обслуживает клиентов, тем их становиться больше. Зевакам ведь интересно, что за тусовка там намечается. А раз все покупают, то и они тоже хотят. Народу становится чуток больше.

Народ тихонько подваливает и продавец, чтобы не упустить выгоду, начинает работать изо всех сил. Наш бедный продавец работает, как белка в колесе. Тут уже не расслабишься, иначе народ уйдет к продавцу пончиков. На лбу у него выступил пот, напряжен так, что вот-вот уже лопнет от усталости! Но гляньте на тротуар… Движение ПЕРЕКРЫЛИ зеваки, которые жить не быть хотят купить эти протухшие хот-доги.

Мораль сей басни такова:

Коль хочешь жрать, готовь с утра).

Теперь давайте представим, что тротуар – это проводник. Люди – это электроны. Продавец – это какой-либо заряд, который если захочет, может работать либо напряженнее, либо вообще закрыть лавку.

Итак, что у нас тогда получается. Пока лавка закрыта, толпа зевак спокойно идет по своим делам в одном направлении. Продавца нет на месте. То есть заряд ноль. Это значит, что в данном направлении у нас спокойно течет электрический ток,  так как упорядоченное движение заряженных частиц – это и есть электрический ток

Как только продавец открыл лавку и стал работать,  некоторые зеваки стали толпиться у лавки. Но эта кучка зевак теперь мешается на тротуаре людям, которые действительно куда-то спешат по делам. То есть эта кучка зевает оказывает сопротивление потоку людей, спешащим по делам. Уже интереснее. Раз мешаются, значит меньше людей сможет пройти ниже толпы зевак за какое-то время. А что у нас значит этот параметр? Не силу тока ли случайно? Вот именно! Сила тока стала меньше!

Итак, теперь главный вопрос: от чего зависит поток людей? Да от продавца, мать его за ногу!

Как только он начинает орать: “Свежие хот-доги, бери, налетай, теще покупай!”, народу стает больше. То есть как только он начинает работать напряженнее, так и толпа зевак начинает больше заграждать тротуар. И все может закончится тем, что движение на тротуаре встанет колом. И да, кстати. Стоящая толпа зевак – это уже не электроны. Это обедненный слой, диэлектрик)

И вот ученые инженеры, которые поняли, что можно менять силу тока, управляя напряженностью электрического поля, создали радиоэлемент, который назвали в честь электрического поля, и имя его полевой транзистор.

1.3.3 Диффузионные переходы

Диффузионные
переходы получают диффузией примесного
вещества в исходную полупроводниковую
пластинку (рис. 1.6.). Это один из наиболее
широко используемых методов получения
p-n-перехода,
он имеет несколько разновидностей.

При планарном
методе диффузии переходы получают,
используя изолирующий слой, препятствующий
диффузии примесей. На поверхности
кремния n-типа выращивается тонкий
(около 3 мкм) слой двуокиси кремния SiO2(рис. 1.6.). Фотолитографическим методом
в определенных местах окисла получают
«окна», через которые диффундирующие
примеси проникают вn-слой,
образуя переход.

Методы диффузии
обеспечивают получение плавных p-nпереходов и используются при изготовлении
интегральных микросхем.

3.1.2. Потенциальный барьер

Нетрудно установить,
что силы диффузии определяются величи­ной
градиента концентрации, т.е. разностью
концентраций носите­лей одного типа
по разные стороны границы (см. рис.3.1).
Значит, величина потенциального барьера
,уравновешивающая диффузию, также
определяется разностью концентраций
носителей одного знака в областяхрип. Количественно величиналегко находится из условия термодинамического
равновесия всего кристалла, при ко­тором
уровень Ферми является общим дляр-ип-областей, как по­казано на
рис.3.2.

Рис.
3.2

Однако уровень
Ферми
в областири уро­вень Фермив областиnсохраняет свое положение,
определяемое концентрацией примеси
согласно (2.13) и (2.15). Поэтому энер­гетические
зоны равновесных областей германия
смещаются на вели­чинуΔW,
которую теперь необходимо преодолеть
носителям, что­бы перейти из одной
области в другую. ВеличинаΔW,
равная сум­ме смещений уровней Фермиp-иn-областей от середины
запрещен­ной зоны (),может быть определена из (2.13) и (2.I5):

.
(3.1)

Используя равенства
(1.2) и (1.4), а также переходя от разно­сти
энергий ΔWк разности потенциалов(величине потен­циального барьера),
можно получить распространенное
выражение для:

, (3.1)

где
называют температурным потенциалом.
Для комнатной температурыTсоставляет 25 мВ, что необходимо хорошо
помнить. Для распространенного
несимметричного германиевогор-nперехо­да сp=0,01Омсм
(см-3,см-3)
иp= 1Омсм
(см-3,см-3),=0,35В
приТ=300К. Максимальное значениеmax,
определяемое шириной запрещенной зоныΔWи предельной
концентрацией примеси (вырождением),
составляет для германия 0,7 В, для кремния
1,1 В. Практически в германиевых переходахне
превышает 0,5 В, а в кремниевых — 0,7 В /2/.
Величина потенциального барье­раво многом определяет работу полупроводниковых
приборов, поэтому величину,
как иT,нужно всегда хорошо знать.

См. также

В Викисловаре есть статья «анод»

  • Катод
  • Катодная защита
  • Электролиз
  • запоминания знака анода

1.3.4 Эпитаксиальные переходы

Эпитаксиальные
переходы образуются ориентированным
направлением слоя монокристаллического
полупроводника на исходном
монокристалле-подложке (рис. 1.7.).

1 – p-n-переход;
2 – p-область; 3 – слой
высокоомного полупроводника; 4 –
подложка.

Рисунок
1.8 — Эпитаксиальный переход, образованный
по планарно-эпитаксиальному методу.

Для проведения
эпитаксии необходимо создавать условия
для конденсации атомов осаждаемого
вещества на поверхности подложки.
Конденсация происходит перенасыщением
пара или жидкого раствора, а также при
испарении осаждаемого вещества в вакууме
в специальных реакторах. При наращивании
плёнки с проводимостью противоположной
подложке, образуется p-n-переход.

При изготовлении
интегральных схем широко используют
планарно-эпитаксиальный метод. Особенность
такого технологического процесса
заключается в том, что путём наращивания
на подложку 4 из низкоомного кремния
наносят тонкий слой 3 высокоомного
полупроводника, повторяющего структуру
подложки. Этот слой, называемый
эпитаксиальным, покрывают плотной
защитной пленкой SiO2
толщиной
1 мкм (рис. 1.8.). В плёнке протравливают
«окно», через которое путем диффузии
бора или алюминия создается p-n-переход,
выход которого на поверхность оказывается
сразу же надежно защищенным пленкой
окисла.

Следует отметить,
что в последние годы широкое распространение
получили такие методы формирования
p-n-переходов,
как ионное легирование и молекулярно-лучевая
эпитаксия.

Характеристики полевого МОП транзистора

Для того, чтобы узнать характеристики транзистора, нам надо открыть на него даташит и рассмотреть небольшую табличку на первой странице даташита. Будем рассматривать транзистор, который мы использовали в своих опытах: IRFZ44N.

Напряжение VGS   – это напряжение между Затвором и Истоком. Смотрим на даташит и видим, что максимальное напряжение, которое можно подать на Затвор это +-20 Вольт. Более 20 Вольт в обе стороны пробьет тончайший слой диэлектрика, и транзистор придет в негодное состояние.

Максимальная сила тока ID , которая может течь через канал Сток-Исток.

Как мы видим, транзистор в легкую может протащить через себя 49 Ампер!!!

Но это при температуре кристалла 25 градусов по Цельсию. А так номинальная сила тока 35 Ампер при температуре кристалла 100 градусов, что чаще всего и происходит на практике.

RDS(on) – сопротивление полностью открытого канала Стока-Истока. В режиме насыщения, сопротивление канала транзистора достигает ну очень малого значения. Как вы видите, у нашего подопечного сопротивление канала достигает 17,5 мОм (при условии, что напряжение на Затворе = 10 Вольт, а ток Стока  = 25 Ампер).

Максимальная рассеиваемая мощность P – это мощность, которую транзистор может рассеять на себе, превращая эту мощность в тепло. В нашем случае это 94 Ватта. Но здесь также должны быть соблюдены различные условия – это температура окружающей среды, а также есть ли у транзистора радиатор.

Также различные зависимости одних параметров от других можно увидеть в даташите на последних страницах.

Например, ниже на графике приводится зависимость тока Стока от напряжения Стока-Истока при каких-то фиксированных значениях напряжения на Затворе при температуре кристалла (подложки) 25 градусов Цельсия (комнатная температура). Верхняя линия графика приводится для напряжения 15 Вольт на Затворе. Другие линии в порядке очереди по табличке вверху слева:

Также есть интересная зависимость сопротивления канала  полностью открытого транзистора от температуры кристалла:

Если посмотреть на график, то можно увидеть, что при температуре кристалла в 140 градусов по Цельсию у нас сопротивление канала увеличивается вдвое. А при отрицательных температурах наоборот уменьшается.

Проводимость кристаллической решетки с примесями

Свободных электронов в чистом полупроводнике мало, и это объясняет низкую проводимость материала.

Однако, при повышении температуры электроны на валентном уровне получают большую энергию, и могут быстрее покидать свои орбиты. Поэтому материал становится более проводимым при повышении температуры.

Донорская примесь и n-тип

Если добавить в кристаллическую решетку кремния атом, у которого 5 валентных электронов, то из-за него в кристалле появятся свободные электроны.

Например, есть атом мышьяка (As) и атомы кремния (Si).
4 валентных электрона мышьяка образуют валентную связь с другими атомами кремния. А вот один электрон будет находится в зоне проводимости. То есть, он станет свободным электроном.

А вот атом мышьяка, который непреднамеренно отдал свой электрон, станет положительным ионом. И несмотря на это, кристаллическая решетка остается стабильной.

Примеси добавляют при помощи легирования. Оно может быть, как металлургическим (повышением температуры, изготовление сплавов), так химическим (ионное и диффузное).

Если подать ток по такому материалу, то свободные электроны из примеси притягиваются положительным потенциалом. А с отрицательного потенциала приходят «новые» электроны, взамен старым, которые ушли к положительному потенциалу.

Акцепторная примесь и p-тип

А что будет, если в полупроводник добавить атом с тремя валентными электронам, например бор (B)?
Тогда три валентных электрона атома бора создадут связь с другими атомами кремния. Однако теперь в кристалле с такой примесью будет не хватать одного электрона.

Это отсутствие электрона называется дыркой. По сути, это положительный потенциал, но для простоты понимания его принято называть дыркой.

Это не ион и не элементарная частица. Это дефицит электрона у атомов. И тот атом, у которого будет не хватать электрона на своей орбите, будет притягивать к себе и свободные электроны, которые оказались в кристалле, и электроны от соседних атомов.

Такая примесь в кристалле также повышает его проводимость. И эта примесь называется акцепторной. То есть, примесные атомы создают дефицит электронов в кристаллической решетке.

Поэтому, такой полупроводник с акцепторной примесью называются p-типом. Его основные носители заряда – дырки. А неосновные – электроны.

Если пустить ток по такому материалу, то к отрицательному потенциалу будет притягиваться дырка к новому поступающему электрону из источника тока. А вот к положительному потенциалу будут уходить электроны, которые находились в кристалле.

Ток неосновных зарядов

Как уже было сказано выше, у p-типа основные носители заряда — это дырки, а у n-типа — это электроны. Неосновные носители соответственно, наоборот. И неосновные носители зарядов тоже участвуют при прохождении тока.

Конечно, неосновных носителей зарядов намного меньше, чем основных, но не стоит их полностью игнорировать, особенно когда речь идет о p-n переходе.

Пробой p-n-перехода

В зависимости от характеристик физических
процессов, обуславливающих резкое
возрастание обратного тока, различают
четыре основных типа пробоя: туннельный,
лавинный
, тепловой и поверхностный.

Тепловой пробой.

При протекании обратного тока в
p-n-переходе выделяется теплота и его
температура повышается. Увеличение
температуры определяется качеством
теплоотвода. Увеличение температуры
вызывает увеличение обратного тока,
что, в свою очередь, приводит к новому
росту температуры и обратного тока и
т. д. Ток начинает нарастать лавинообразно
и наступает тепловой пробой p-n-перехода.

Лавинный пробой.

В достаточно широких p-n-переходах при
высоких обратных смещениях неосновные
носители могут приобретать в поле
перехода настолько большую кинетическую
энергию, что оказываются способными
вызвать ударную ионизацию полупроводника.
В результате ударной ионизации могут
образовываться дополнительные носители
заряда (электрон-дырочные пары),
растаскиваемые полем объемного заряда
в направлении тока дрейфа (обратного
тока). Дополнительные носители также
могут вызвать ударную ионизацию, что
приведет к образованию лавинного пробоя
и резкому увеличению обратного тока.

Диоды, предназначенные для работы в
таком режиме, называют стабилитронами.
Их изготавливают из кремния, так как
кремниевые диоды имеют весьма крутую
ветвь ВАХ в области пробоя и в широком
диапазоне рабочих токов у них не возникает
теплового пробоя.

Туннельный пробой.

При приложении к p-n-переходу достаточно
высокого обратного смещения возможен
прямой туннельный переход электронов
из валентной зоны p-области в зону
проводимости n-области. С увеличением
обратного смещения толщина барьера
уменьшается (речь идет именно о
потенциальном барьере на пути электронов
из валентной зоны p-области в зону
проводимости n-области, а не о ширине
области объемного заряда). Если p-n-переход
достаточно тонок, то при невысоких
значениях обратного смещения можно
наблюдать туннелирование электронов
через p-n-переход и его пробой.

Поверхностный пробой.

Заряд, локализующийся на поверхности
полупроводника в месте выхода p-n-перехода,
может вызвать сильное изменение
напряженности поля в переходе и его
ширины. В этом случае более вероятным
может отказаться пробой поверхностной
области p-n-перехода.

1.3. Вольт-амперная характеристика p-n-перехода

Зависимость тока через p-n-переход
от приложенного к нему напряженияI
=
f(U)называют вольтамперной характеристикойp-n-перехода, рисунок 4.

Рисунок 4 –
Теоретическая и реальная ВАХ
р-n-перехода

Вольтамперная характеристика
электронно-дырочного перехода описывается
уравнением Эберса-Молла:

, (1)

где I– ток через
переход при напряженииU;

IS– ток насыщения, создаваемый неосновными
носителями заряда.IS
называется также тепловым током,
так как концентрация неосновных носителей
зависит от температуры;

qe
– заряд электрона;

k– постоянная
Больцмана;

Т– абсолютная температура;

– температурный потенциал перехода,
примерно равный при комнатной температуре
0,025 В = 25 мВ.

Если р-n-переход включен в прямом
направлении, напряжениеUберут со знаком плюс, если в обратном
– со знаком минус.

При прямом приложенном напряжении
можно пренебречь единицей по сравнению
со слагаемым,
и ВАХ будет иметь чисто экспоненциальный
характер.

При обратном (отрицательном) напряжении
слагаемымможно пренебречь по сравнению с единицей,
и ток оказывается равным.

Однако уравнение Эберса-Моллавесьма приблизительно совпадает с
реальными вольтамперными характеристиками,
так как не учитывает целого ряда
физических процессов, происходящих в
полупроводниках. К таким процессам
относятся: генерация и рекомбинация
носителей в запирающем слое, поверхностные
токи утечки, падение напряжения на
сопротивлении нейтральных областей,
явления теплового, лавинного и туннельного
пробоев.

Если ток, протекающий через переход,
незначителен, то падением напряжения
на сопротивлении нейтральных областей
можно пренебречь. Однако при увеличении
тока этот процесс оказывает все большее
влияние на ВАХ прибора, т.е. его реальная
характеристика идет под меньшим углом
и вырождается в прямую линию, когда
напряжение на запирающем слое становится
равным контактной разности потенциалов.

При некотором обратном напряжении
наблюдается резкое возрастание обратного
тока. Это явление называют пробоем
перехода. Существует три вида пробоев:
туннельный, лавинный и тепловой.
Туннельный и лавинный пробои представляют
собой разновидности электрического
пробоя и связаны с увеличением
напряженности электрического поля в
переходе. Тепловой пробой определяется
перегревом перехода.

Туннельный эффект (эффект Зенера)
заключается в прямом переходе валентных
электронов из одного полупроводника в
другой (где они уже будут являться
свободными носителями заряда), что
становится возможным при высокой
напряженности электрического поля на
переходе. Такая большая напряженность
электрического поля на переходе может
быть достигнута при высокой концентрации
примесей в p— иn-областях, когда
толщина перехода становится очень
маленькой.

В широких p-n-переходах, образованных
полупроводниками со средней либо малой
концентрациями примесей, вероятность
туннельного просачивания электронов
уменьшается и более вероятным становится
лавинный пробой.

Лавинный пробой возникает, когда длина
свободного пробега электрона в
полупроводнике значительно меньше
толщины перехода. Если за время свободного
пробега электроны накапливают кинетическую
энергию, достаточную для ионизации
атомов в переходе, то наступает ударная
ионизация, сопровождающаяся лавинным
размножением носителей зарядов.
Образовавшиеся в результате ударной
ионизации свободные носители зарядов
увеличивают обратный ток перехода.

Тепловой пробой обусловлен значительным
ростом количества носителей зарядов в
p-n-переходе за счет нарушения
теплового режима. Подводимая к переходу
мощностьPобр=IобрUобррасходуется на его нагрев. Выделяющаяся
в запирающем слое теплота отводится
преимущественно за счет теплопроводности
кристаллической решетки. При плохих
условиях отвода теплоты от перехода, а
также при повышении обратного напряжения
на переходе выше критического значения,
возможен его разогрев до температуры,
при которой происходит тепловая ионизация
атомов. Образующиеся при этом носители
зарядов увеличивают обратный ток через
переход, что приводит к его дальнейшему
разогреву. В результате такого нарастающего
процесса переход недопустимо разогревается
и возникает тепловой пробой,
характеризующийся разрушением кристалла.

Увеличение числа носителей зарядов при
нагреве перехода приводит к уменьшению
его сопротивления и выделяемого на нем
напряжения. Вследствие этого на обратной
ветви ВАХ при тепловом пробое появляется
участок с отрицательным дифференциальным
сопротивлением.

Ёмкости p-n перехода

При
прямом смещении потенциальный барьер
понижается и через него перемещаются
основные носители заряда в смежную
область, где они являются неосновными.
Это явление называется инжекцией
(впрыскиванием). Область, из которой
инжектируются носители заряда, называется
эмиттером,
а область, в которую они инжектируются
базой.

В
полупроводниковых приборах концентрации
примесей в разных областях кристалла
разные, а следовательно, отличаются и
концентрации основных носителей заряда.
Различают низкоомную и высокоомную
области. В этом случае преобладает
инжекция из низкоомной области, и эту
область называют эмиттером, а высокоомную
– базой.

Под
действием поля перехода неосновные для
данной области носители заряда
перемещаются через p-n
переход в соседнюю область. Процесс
выведения неосновных носителей заряда
через переход под воздействием поля
этого перехода при подключении p-n
перехода к источнику внешнего напряжения
называется экстракцией
(извлечением).

По
обе стороны от металлургической границы
p-n
перехода находятся ионизированные
атомы донорной и акцепторной примесей,
образующие соответствующие отрицательный
и положительный пространственные
заряды. При изменении напряжения,
приложенного к переходу, изменяется
его ширина, а следовательно, и
пространственный заряд. Поэтому переход
можно рассматривать как две пластины
конденсатора с равными по значению, но
противоположными по знаку зарядами,
т.е. p-n
переход обладает ёмкостью. Ёмкость,
обусловленная перераспределением
зарядов в переходе, называется барьерной.
Заряд Q
зависит от напряжения, но не пропорционален
ему, и барьерная ёмкость определяется
как отношение приращения пространственных
зарядов к вызвавшему это приращение
изменению напряжения.

При
подключении к переходу прямого напряжения
из каждой области полупроводника в
смежную инжектируются не основные для
неё носители заряда (вследствие диффузии
при понизившемся потенциальном барьере).
В тонких слоях около границы p-n
перехода возникает избыточная концентрация
неосновных носителей. Для нейтрализации
этого избыточного заряда из прилегающих
слоёв отсасываются основные носители,
число которых пополняется за счёт
источника напряжения. Таким образом, в
каждой области у границы перехода
возникают равные по значению, но
противоположные по знаку заряды Qдиф.
Существенно наличие зарядов в базе
вследствие большей концентрации
носителей в эмиттере, чем в базе. При
изменении напряжения изменяется число
инжектированных носителей, а следовательно,
и Qдиф.
Ёмкость, связанную с изменением числа
инжектированных носителей при изменении
напряжения, называют диффузионной
и определяют
как отношение приращения инжектированного
заряда в базе к вызвавшему его приращению
напряжения.

Диффузионная
ёмкость увеличивается с увеличением
прямого тока. Кроме того, она тем больше,
чем больше время жизни неосновных
инжектированных носителей заряда, так
как при этом меньше рекомбинация и
больше носителей накапливается у границы
p-n
перехода.

При
подключении к переходу обратного
напряжения перераспределение зарядов
вследствие экстракции незначительно,
поэтому диффузионная ёмкость мала. При
прямом напряжении диффузионная ёмкость
значительно больше барьерной, а при
обратном напряжении – наоборот. Наличие
ёмкости перехода является одной из
причин ухудшения его выпрямляющих
свойств с повышением частоты приложенного
напряжения.

Электрический ток, через p-n переход

Допустим, что напряжение приложено так, что у n- области потенциал имеет знак минус, со стороны p- области — плюс. Потенциальный барьер в таком случае, для основных носителей тока уменьшатся. Следовательно, сила тока основных носителей растет. Сила тока неосновных носителей почти не изменяется, так как диффузионный ток определен концентрацией носителей заряда и не зависит от приложенной разности потенциалов.

Если внешнее напряжение приложено так, что у n- области потенциал больше нуля, а со стороны p- области меньше нуля, то для основных носителей тока потенциальные барьеры увеличиваются. Тогда ток основных носителей почти равен 0. Ток неосновных носителей не изменяется. Если ток в направлении от n- области к p-области не течет, то такое направление называют запорным. Обратное направление называют проходным.

Переход металл — полупроводник имеет способность пропускать ток в одном направлении и не пропускать в другом. Причем, полупроводник может быть любого типа. Это явление связано с тем, что любой полупроводник по отношению к металлу очень беден свободными электронами. В случае перехода металл — проводник, проходным направлением будет направление от полупроводника к металлу.

p-n переход действует как диод, так как имеет одностороннюю проводимость. Наиболее часто применяемыми материалами для создания p-n переходов служат германий и кремний. У германия концентрация основных носителей больше, чем у кремния, больше их подвижность. Из-за этого проводимость p-n переходов в германии в проходном направлении существенно больше, чем у кремния, но соответственно больше обратный ток. Кремний же можно использовать в широком спектре температур.

Пример 1

Задание: Вольт — амперная характеристика для p-n перехода в кремний изображена на рис. 3. p-n перехода для германия на рис. 4. Сравните их, объясните различия.

Рисунок 3.

Рисунок 4.

Решение:

Вольтамперная характеристика p-n перехода показывает, переход имеет одностороннюю проводимость, а именно проводит ток в направлении из области p в область n. (Положительные значения напряжение U соответствуют изменению потенциала на переходе от p области к n области).

Возможной причиной отличий вольтамперной характеристики кремния (рис.3) от вольт — амперной характеристики германия служит низкая концентрация неосновных носителей в кремнии. Получается при небольших приложенных напряжениях плотность тока (j) неосновных носителей очень мала и только при U=0,6B сила тока начинает расти по экспоненте (у германия это происходит при U=0 B).

Пример 2

Задание: Что такое туннельный эффект?

Решение:

При большой концентрации атомов примеси в полупроводниках происходит расширение примесных уровней. Уровни перекрывают границу между зонами. Как результат — уровень Ферми попадает внутрь либо проводящей, либо валентной зоны. При отсутствии внешнего напряжения энергии Ферми по разные стороны перехода одинаковы. При сильном легировании переход становится узким, концентрация неосновных носителей мала.

Если приложить внешнее напряжение в проходном направлении, то появляется небольшой диодный ток. Но, так как по разные стороны перехода, который делится потенциальным барьером энергии носителей равны, возникает так называемый туннельный эффект Носители проходят через потенциальный барьер без изменения энергии. Из-за этого через потенциальный барьер течет значительный ток. При увеличении напряжения энергия электронов в n-области растет, в p —области уменьшатся, при этом область перекрытия примесных уровней становится меньше. Как следствие, уменьшается сила тока. (Максимум тока достигается, когда зоны перекрывают друг друга наибольшим образом). В тот момент, когда примесные зоны сдвигаются относительно друг друга настолько, что каждой из них на другой стороне перехода противостоит запрещенная зона, туннелированние прекращается. При этом сила тока через переход уменьшается. При высоких напряжениях зоны проводимости n и p областей оказываются на одном уровне, возникает обычный диодный ток. Сила тока снова растет. В интервале от первого максимума тока до следующего за ним минимума туннельный диод проявляет эффект отрицательного сопротивления, когда увеличение напряжения ведет к уменьшению силы тока. Рис.5 Вольт — амперная характеристика туннельного диода.

Рисунок 5.

Рейтинг автора
5
Материал подготовил
Максим Иванов
Наш эксперт
Написано статей
129
Ссылка на основную публикацию
Похожие публикации