Электронно-дырочный переход
Электронно-дырочный переход изготавливают в едином монокристалле, в котором получена достаточно резкая граница между областями электронной и дырочной проводимостей.
На рисунке изображены две граничащие области полупроводника, одна из которых содержит донорную примесь (область электронной, то есть n-проводимости), а другая акцепторную примесь (область дырочной проводимости, то есть p-проводимости). Чтобы понять как формируется тот или иной тип полупроводника, рекомендуем прочесть статью — Примесные полупроводники.
При отсутствии приложенного напряжения наблюдается диффузия основных носителей зарядов из одной области в другую. Так как электроны это основные носители заряда, и в области n их концентрация больше они диффундируют в p-область заряжая отрицательно приграничный слой этой области. Но уходя со своего места электроны создают вакантные места – дырки, тем самым заряжая приграничный слой n-области положительно. Таким образом, через достаточно короткий промежуток времени с обеих сторон поверхности раздела образуются противоположные по знаку пространственные заряды.
Электрическое поле, создаваемое пространственными зарядами, препятствует дальнейшей диффузии дырок и электронов. Возникает так называемый потенциальный барьер, высота которого характеризуется разностью потенциалов в пограничном слое.
Электронно-дырочный переход, во внешнем исполнении реализуется в виде полупроводникового диода.
Если к электронно-дырочному переходу приложить внешнее напряжение так, что к области с электронной проводимостью подключён отрицательный полюс источника, а к области с дырочной проводимостью – положительный, то направление напряжения внешнего источника будет противоположно по знаку электрическому полю p-n перехода, это вызовет увеличение тока через p-n переход. Возникнет прямой ток, который будет вызван движение основных носителей зарядов, в нашем случае это движение дырок из p области в n, и движение электронов из n области в p. Следует знать, что дырки движутся противоположно движению электронов, поэтому на самом деле, ток течет в одну сторону. Такое подключение называют прямым . На вольт-амперной характеристике такому подключению будет соответствовать часть графика в первом квандранте.
Но если изменить полярность приложенного к p-n переходу напряжения на противоположное, то электроны из пограничного слоя начнут движение от границы раздела к положительному полюсу источника, а дырки к отрицательному. Следовательно, свободные электроны и дырки будут отдаляться от пограничного слоя, создавая тем самым прослойку, в которой практически отсутствуют носители зарядов. В результате ток в p-n переходе снижается в десятки тысяч раз, его можно считать приближённо равным нулю. Возникает обратный ток, который образован не основными носителями заряда.Такое подключение называют обратным. На вольт-амперной характеристике такому подключению будет соответствовать часть графика в третьем квандранте.
Вольт-амперная характеристика
При прямом подключении электронно-дырочного перехода, ток возрастает с увеличением напряжения. При обратном подключении ток достигает значения Iнас, называемое током насыщения. Если продолжать увеличивать напряжение при обратном включении, то может настать пробой диода. Это свойство также используется в различных стабилитронах и т.д.
Свойства p-n перехода широко применяются в электронике, а именно в диодах, транзисторах и других полупроводниках.
Что такое электронно-дырочный переход p-n-переход
К полупроводникам относятся вещества с удельным сопротивлением от 10 -5 до 10 2 ом х м. По своим электрическим свойствам они занимают промежуточное положение между металлами и изоляторами.
Сопротивление полупроводника подвержено влиянию многих факторов: оно сильно зависит от температуры (с ростом температуры сопротивление уменьшается), зависит от освещения (под действием света сопротивление уменьшается) и т. д.
В зависимости от рода примеси в полупроводнике преобладает одна из проводимостей — электронная ( n-типа ) или дырочная ( р-типа ) .
Основной частью любого полупроводникового прибора (диода, светодиода, транзистора, тиристора и т.д.) является так называемый электронно-дырочный р- n -переход. Он получается, если часть кристалла имеет проводимость n-типа, а другая часть — р-типа. Обе эти области должны быть получены в одном монолитном кристалле с однородной решеткой. P -n-переход нельзя получить механическим соединением двух кристаллов с различными типами проводимости.
Основные носители тока — дырки в р-области и свободные электроны в n- области — диффундируют из одной области в другую. Вследствие рекомбинации (взаимной нейтрализации зарядов) электронов и дырок между областями р и n образуется слой полупроводника, обедненный носителями тока (запирающий слой).
Избыточный заряд создается отрицательными ионами р-области и положительными ионами n -области, причем весь объем полупроводника в целом остается электрически нейтральным. В результате этого в месте р- n -перехода возникает электрическое поле, направленное из n- области к p- области и препятствующее дальнейшей диффузии дырок и электронов.
В р- n -переходе образуется разность электрических потенциалов, т. е. возникает так называемый потенциальный барьер. Распределение потенциала в переходном слое зависит от расстояния. За нуль потенциала условно принимают потенциал в р-области непосредственно вблизи р- n -перехода, где нет объемного заряда.
Можно показать, что р- n -переход обладает выпрямительным свойством. Если к р-области присоединить отрицательный полюс источника постоянного напряжения, то потенциальный барьер возрастет на величину приложенного напряжения и основные носители тока не смогут проходить через р- n -переход. В этом случае полупроводниковый выпрямительный диод будет обладать весьма высоким сопротивлением и так называемый обратный ток будет очень мал.
Если же к р-области присоединить положительный, а к n -обла c ти отрицательный полюс источника, то потенциальный барьер снизится и основные носители тока получат возможность проходить через р- n -переход. В цепи возникнет так называемый прямой ток, который будет расти с увеличением напряжения источника.
Вольт-амперная характеристика диода
Итак, электронно — дырочный переход — переход между двумя областями полупроводников, одна из которых имеет электропроводность n -типа, а другая — р-типа. Электронно — дырочный переход служит основой полупроводниковых приборов. В области перехода образуется слой объемного заряда, обедненный подвижными носителями заряда. Этот слой представляет собой потенциальный барьер для основных и потенциальную яму для неосновных носителей заряда. Основное свойство электронно-дырочного перехода — униполярная проводимость.
Нелинейные полупроводниковые элементы с несимметричной вольт-амперной характеристикой широко применяются для преобразования переменного тока в постоянный. Такие элементы, обладающие односторонней проводимостью, называются выпрямителями или электрическими вентилями.
Телеграмм канал для тех, кто каждый день хочет узнавать новое и интересное: Школа для электрика
Электронно дырочный переход p n переход
В современной электронной технике полупроводниковые приборы играют исключительную роль. За последние три десятилетия они почти полностью вытеснили электровакуумные приборы.
В любом полупроводниковом приборе имеется один или несколько электронно-дырочных переходов. Электронно-дырочный переход (или –-переход) – это область контакта двух полупроводников с разными типами проводимости.
В полупроводнике -типа основными носителями свободного заряда являются электроны; их концентрация значительно превышает концентрацию дырок (). В полупроводнике -типа основными носитялеми являются дырки (). При контакте двух полупроводников — и -типов начинается процесс диффузии: дырки из -области переходят в -область, а электроны, наоборот, из -области в -область. В результате в -области вблизи зоны контакта уменьшается концентрация электронов и возникает положительно заряженный слой. В -области уменьшается концентрация дырок и возникает отрицательно заряженный слой. Таким образом, на границе полупроводников образуется двойной электрический слой, поле которого препятствует процессу диффузии электронов и дырок навстречу друг другу (рис. 1.14.1). Пограничная область раздела полупроводников с разными типами проводимости (так называемый запирающий слой ) обычно достигает толщины порядка десятков и сотен межатомных расстояний. Объемные заряды этого слоя создают между — и -областями запирающее напряжение з, приблизительно равное 0,35В для германиевых –-переходов и 0,6В для кремниевых.
–-переход обладает удивительным свойством односторонней проводимости.
Образование запирающего слоя при контакте полупроводников — и -типов
Если полупроводник с –-переходом подключен к источнику тока так, что положительный полюс источника соединен с -областью, а отрицательный – с -областью, то напряженность поля в запирающем слое возрастает. Дырки в -области и электроны в -области будут смещаться от –-перехода, увеличивая тем самым концентрации неосновных носителей в запирающем слое. Ток через –-переход практически не идет. Напряжение, поданное на –-переход в этом случае называют обратным . Весьма незначительный обратный ток обусловлен только собственной проводимостью полупроводниковых материалов, т. е. наличием небольшой концентрации свободных электронов в -области и дырок в -области.
Если –-переход соединить с источником так, чтобы положительный полюс источника был соединен с -областью, а отрицательный с -областью, то напряженность электрического поля в запирающем слое будет уменьшаться, что облегчает переход основных носителей через контактный слой. Дырки из -области и электроны из -области, двигаясь навстречу друг другу, будут пересекать –-переход, создавая ток в прямом направлении. Сила тока через –-переход в этом случае будет возрастать при увеличении напряжения источника.
Способность –-перехода пропускать ток практически только в одном направлении используется в приборах, которые называются полупроводниковыми диодами . Полупроводниковые диоды изготавливают из кристаллов кремния или германия. При их изготовлении в кристалл c каким-либо типом проводимости вплавляют примесь, обеспечивающую другой тип проводимости.
Полупроводниковые диоды используются в выпрямителях для преобразования переменного тока в постоянный. Типичная вольт-амперная характеристика кремниевого диода приведена на рис. 1.14.2.
Вольт-амперная характеристика кремниевого диода. На графике использованы различные шкалы для положительных и отрицательных напряжений
Полупроводниковые диоды обладают многими преимуществами по сравнению с вакуумными – малыми размерами, длительными сроками службы, механической прочностью. Существенным недостатком полупроводниковых диодов является зависимость их параметров от температуры. Кремниевые диоды, например, могут удовлетворительно работать только в диапозоне температур от –70 °C до 80 °C. У германиевых диодов диапазон рабочих температур несколько шире.
Полупроводниковые приборы не с одним, а с двумя –-переходами называются транзисторами . Название происходит от сочетания английских слов: transfer – переносить и resistor – сопротивление. Обычно для создания транзисторов используют германий и кремний. Транзисторы бывают двух типов: ––-транзисторы и ––-транзисторы. Например, германиевый транзистор ––-типа представляет собой небольшую пластинку из германия с донорной примесью, т. е. из полупроводника -типа. В этой пластинке создаются две области с акцепторной примесью, т. е. области с дырочной проводимостью (рис. 1.14.3). В транзисторе ––-типа основная германиевая пластинка обладает проводимостью -типа, а созданные на ней две области – проводимостью -типа (рис. 1.14.4).
Пластинку транзистора называют базой (Б), одну из областей с противоположным типом проводимости – коллектором (К), а вторую – эмиттером (Э). Обычно объем коллектора превышает объем эмиттера. В условных обозначениях на схемах стрелка эмиттера показывает направление тока через транзистор.
Транзистор структуры ––
Транзистор структуры ––
Оба –-перехода транзистора соединяются с двумя источниками тока. На рис. 1.14.5 показано включение в цепь транзистора ––-структуры. Переход «эмиттер–база» включается в прямом (пропускном) направлении (цепь эмиттера), а переход «коллектор–база» – в запирающем направлении (цепь коллектора).
Пока цепь эмиттера разомкнута, ток в цепи коллектора очень мал, так как для основных носителей свободного заряда – электронов в базе и дырок в коллекторе – переход заперт.
Включение в цепь транзистора ––-структуры
При замыкании цепи эмиттера дырки – основные носители заряда в эмиттере – переходят из него в базу, создавая в этой цепи ток э. Но для дырок, попавших в базу из эмиттера, –-переход в цепи коллектора открыт. Большая часть дырок захватывается полем этого перехода и проникает в коллектор, создавая ток к. Для того, чтобы ток коллектора был практически равен току эмиттера, базу транзистора делают в виде очень тонкого слоя. При изменении тока в цепи эмиттера изменяется сила тока и в цепи коллектора.
Если в цепь эмиттера включен источник переменного напряжения (рис. 1.14.5), то на резисторе , включенном в цепь коллектора, также возникает переменное напряжение, амплитуда которого может во много раз превышать амплитуду входного сигнала. Следовательно, транзистор выполняет роль усилителя переменного напряжения.
Однако такая схема усилителя на транзисторе является неэффективной, так как в ней отсутствует усиление сигнала по току, и через источники входного сигнала протекает весь ток эмиттера э. В реальных схемах усилителей на транзисторах источник переменного напряжения включают так, чтобы через него протекал только небольшой ток базы б = э – к. Малые изменения тока базы вызывают значительные изменения тока коллектора. Усиление по току в таких схемах может составлять несколько сотен.
В настоящее время полупроводниковые приборы находят исключительно широкое применение в радиоэлектронике. Современная технология позволяет производить полупроводниковые приборы – диоды, транзисторы, полупроводниковые фотоприемники и т. д. – размером в несколько микрометров. Качественно новым этапом электронной техники явилось развитие микроэлектроники , которая занимается разработкой интегральных микросхем и принципов их применения.
Интегральной микросхемой называют совокупность большого числа взаимосвязанных элементов – сверхмалых диодов, транзисторов, конденсаторов, резисторов, соединительных проводов, изготовленных в едином технологическом процессе на одном кристалле. Микросхема размером в может содержать несколько сотен тысяч микроэлементов.
Применение микросхем привело к революционным изменениям во многих областях современной электронной техники. Это особенно ярко проявилось в электронной вычислительной технике. На смену громоздким ЭВМ, содержащим десятки тысяч электронных ламп и занимавшим целые здания, пришли персональные компьютеры.
Электронно-дырочный переход
Подавляющее большинство современных полупроводниковых приборов функционируют благодаря тем явлениям, которые происходят на самих границах материалов, имеющих различные типы электропроводности.
Полупроводники бывают двух типов – n и p . Отличительной особенностью полупроводниковых материалов n -типа является то, в них в качестве носителей электрического заряда выступают отрицательно заряженные электроны. В полупроводниковых материалах p -типа эту же роль играют так называемые дырки, которые заряжены положительно. Они появляются после того, как от атома отрывается электрон, и именно поэтому и образуются положительный заряд.
Для изготовления полупроводниковых материалов n -типа и p -типа используются монокристаллы кремния. Их отличительной особенностью является чрезвычайно высокая степень химической чистоты. Существенно изменить электрофизические свойства этого материала можно, внося в него совсем незначительные, на первый взгляд, примеси.
Символ « n », используемый при обозначении полупроводников, происходит от слова «negative» («отрицательный»). Главными носителями заряда в полупроводниковых материалах n -типа являются электроны. Для того чтобы их получить, в кремний вводятся так называемые донорные примеси: мышьяк, сурьму, фосфор.
Символ « p », используемый при обозначении полупроводников, происходит от слова «positive» («положительный»). Главными носителями заряда в них являются дырки. Для того чтобы их получить, в кремний вводятся так называемые акцепторные примеси: бор, алюминий.
Число свободных электронов и число дырок в чистом кристалле полупроводника совершенно одинаково. Поэтому когда полупроводниковый прибор находится в равновесном состоянии, то электрически нейтральной является каждая из его областей.
Возьмем за исходное то, что n -область тесно соединена с p -областью. В таких случаях между ними образуется переходная зона, то есть некое пространство, которое обеднено зарядами. Его ёщё называют «запирающим слоем», где дырки и электроны, подвергаются рекомбинации. Таким образом, в месте соединения двух полупроводников, которые имеют различные типы проводимости, образуется зона, называемая p-n переходом.
В месте контакта полупроводников различных типов дырки из области p -типа частично следуют в область n -типа, а электроны, соответственно, – в обратном направлении. Поэтому полупроводник p -типа заряжается отрицательно, а n -типа – положительно. Эта диффузия, однако, длится только до тех пор, пока возникающее в зоне перехода электрическое поле не начинает ей препятствовать, в результате чего перемещение и электронов, и дырок прекращается.
В выпускаемых промышленностью полупроводниковых приборах для использования p-n перехода к нему необходимо приложить внешнее напряжение. В зависимости от того, какими будет его полярность и величина, зависит поведение перехода и проходящий непосредственно через него электрической ток. Если к p -области подключается положительный полюс источника тока, а к n -области – полюс отрицательный, то имеет место прямое включение p-n перехода. Если же полярность изменить, то возникнет ситуация, называемая обратным включением p-n перехода.
Прямое включение
Когда осуществляется прямое включение p-n перехода, то под воздействием внешнего напряжения в нем создается поле. Его направление по отношению к направлению внутреннего диффузионного электрического поля противоположно. В результате этого происходит падение напряженности результирующего поля, а запирающий слой сужается.
Вследствие такого процесса в соседнюю область переходит немалое количество основных носителей заряда. Это означает, что из области p в область n результирующий электрический ток будет протекать дырками, а в обратном направлении – электронами.
Обратное включение
Когда осуществляется обратное включение p-n перехода, то в образовавшейся цепи сила тока оказывается существенно ниже, чем при прямом включении. Дело в том, что дырки из области n будут следовать в область p , а электроны – из области p в область n . Невысокая сила тока обуславливается тем обстоятельством, что в области p мало электронов, а в области n, соответственно, – дырок.
Таким образом, при обратном включении полупроводникового прибора в цепь, переход через контакт двух областей осуществляется с помощью неосновных носителей заряда, количество которых совсем невелико. Поэтому электрическое сопротивление оказывается достаточно большим, а проводимость – незначительной. Это означает, что возникает запирающий слой.