Что такое p n переход

P-N переход: подробно простым языком

P-N переход — точка в полупроводниковом приборе, где материал N-типа и материал P-типа соприкасаются друг с другом. Материал N-типа обычно упоминается как катодная часть полупроводника, а материал P-типа — как анодная часть.

Обратите внимание на основы электричества и на приборы электроники.

Когда между этими двумя материалами возникает контакт, то электроны из материала n-типа перетекают в материал p-типа и соединяются с имеющимися в нем отверстиями. Небольшая область с каждой стороны линии физического соприкосновения этих материалов почти лишена электронов и отверстий. Эта область в полупроводниковом приборе называется обедненной областью.

Эта обедненная область является ключевым звеном в работе любого прибора, в котором есть P-N переход. Ширина этой обедненной области определяет сопротивление протеканию тока через P-N переход, поэтому сопротивление прибора, имеющего такой P-N переход, зависит от размеров этой обедненной области. Ее ширина может изменяться при прохождении какого-либо напряжения через этот P-N переход. В зависимости от полярности приложенного потенциала P-N переход может иметь либо прямое смещение, либо обратное смещение. Ширина обедненной области, или сопротивление полупроводникового прибора, зависит как от полярности, так и от величины поданного напряжения смещения.

Прямой P-N переход

Когда P-N переход прямой (с прямым смещением), то тогда на анод подается положительный потенциал, а на катод — отрицательный. Результатом этого процесса является сужение обедненной области, что уменьшает сопротивление движению тока через P-N переход.

Если потенциал увеличивается, то обедненная область будет продолжать уменьшаться, тем самым еще больше понижая сопротивление протеканию тока. В конце концов, если подаваемое напряжение окажется достаточно велико, то обедненная область сузится до точки минимального сопротивления и через P-N переход, а вместе с ним и через весь прибор, будет проходить максимальный ток. Когда P-N переход имеет соответствующее прямое смещение, то он обеспечивает минимальное сопротивление проходящему через него потоку тока.

Обратный P-N переход

Когда P-N переход обратный (с обратным смещением), то отрицательный потенциал подается на анод, а положительный — на катод.

Это приводит к тому, что в результате обедненная область расширяется, а это вызывает увеличение сопротивления протеканию тока. Когда на P-N переходе создается обратное смещение, то имеет место максимальное сопротивление протеканию тока, а данный переход действует в основном как разомкнутая цепь.

При определенном критическом значении напряжения обратного смещения сопротивление протеканию тока, которое возникает в обедненной области, оказывается преодоленным и происходит стремительное нарастание тока. Значение напряжения обратного смещения, при котором ток быстро нарастает, называется пробивным напряжением.

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

Что такое PN переход, свойства и принцип работы

В этой статье мы поговорим об одной из самых важных концепций в полупроводниковой электронике — о PN-переходе. Когда мы говорим о полупроводниковых устройствах, таких как диоды, транзисторы и другие, основой их работы является PN-переход.

Некоторые полупроводниковые устройства, такие как фотопроводники, обычно создаются путем добавления примесей одного типа. Однако, это ограниченный сценарий, и для большинства полупроводниковых устройств требуются оба типа примесей.

PN-переход создается путем добавления (так называемого легирования) акцепторных примесей на одной стороне полупроводникового кристалла, в то время как другая сторона легируется донорными примесями. Граница между этими двумя областями называется PN-переходом.

Полезные статьи:

Основы полупроводниковой электроники

Электропроводность полупроводника зависит от концентрации электрических носителей в зоне проводимости. Свойства проводимости зависят от количества примесей, присутствующих в процессе легирования.

Проводимость кремния увеличивается в 10 3 раз при комнатной температуре за счет добавления 1 атома бора на 10 5 атомов кремния.

Полупроводник N-типа создается путем легирования кристалла кремния пятивалентной примесью, такой как сурьма, а полупроводник P-типа формируется путем легирования кристалла кремния трехвалентной примесью, такой как бор, в крошечной концентрации.

И сурьма, и бор являются основными полупроводниковыми примесями, используемыми в процессе легирования; поэтому их называют «металлоидами». По отдельности полупроводники N-типа и P-типа электрически нейтральны.

Принцип работы PN-перехода

PN-переход создается в отдельном кристалле полупроводника путем легирования одной стороны кристалла атомами акцепторной примеси, создавая его как P-тип, и атомами донорной примеси, создавая его как N-тип. Область, где сходятся P-тип и N-тип, называется PN-переходом.

В этой области электроны в материале N-типа рассеивают переход и объединяются с дырками в материале P-типа. Область материала P-типа, которая находится рядом с переходом в полупроводнике, принимает отрицательный заряд по той причине, что электроны притягиваются дырками.

Когда электроны уходят из области N-типа, она принимает положительный заряд. Следовательно, на стыке существует склонность свободных электронов диффундировать в область P-типа, а дырок — в область N-типа, и этот процесс называется диффузией.

Тонкий слой, зажатый между этими двумя областями, обедненный основными носителями, называется областью истощения. Состояние равновесия PN-перехода определяется как состояние, в котором PN-переход остается без приложенного к нему внешнего электрического потенциала.

Это также может быть дополнительно определено как состояние смещения нулевого напряжения. Ширина обедненной области невероятно мала, обычно несколько тысяч миллиметров, ток через диод может не течь.

PN-переход при приложении потенциала

В зависимости от ширины области истощения, наблюдаются различные свойства. Если на таком расстоянии приложен положительный потенциал, область типа P становится положительной, и, следовательно, тип N становится отрицательным. Дырки перемещаются в сторону отрицательного напряжения.

В равной степени, электроны движутся к положительному напряжению и перепрыгивают через слой обеднения. Плотность заряда P-типа в обедненной области укомплектована отрицательно заряженными акцепторными ионами, в результате чего плотность заряда N-типа становится положительной.

Потенциальный барьер представляет собой перегородку носителей заряда в середине PN-перехода. Этот потенциальный барьер должен преодолеваться за счет внешнего источника электрического потенциала, чтобы PN-переход проводил электрический ток.

Формирование перехода и потенциального барьера в полупроводниковом диоде происходит на протяжении всего производственного процесса полупроводникового диода с PN переходом. Степень потенциального барьера может зависеть от материалов, используемых при производстве диодов с PN переходом.

Полупроводниковый диод с кремниевым PN переходом имеет превосходную величину потенциального барьера, чем германиевые диоды.

PN переход

PN-переход создается путем вставки P-типа и N-типа в один полупроводниковый кристалл. Большинство носителей заряда в P-типе — это положительно заряженные дырки, а в N-типе — отрицательно заряженные электроны.

Общий заряд с обеих сторон PN-перехода должен быть одинаковым и противоположным, чтобы поддерживать состояние нейтрального заряда вокруг перехода из-за пары электрон-дырка. Область между P-типом и N-типом, где носители заряда дублируются несколько раз, называется областью истощения.

В состоянии равновесия на PN-переходе отсутствует проводимость. Проводимость PN-перехода включает диффузию основных носителей заряда и дрейф неосновных носителей заряда. Проведение электрического тока в PN-переходе связано как с зоной проводимости, так и с валентной зоной.

После подключения внешней батареи поток электронов происходит в зоне проводимости, а поток дырок — в валентной.

В состоянии равновесия смещения при нулевом напряжении меньшая концентрация дырок и электронов будет дрейфовать просто под влиянием электрического поля E. Диффузия основных носителей заряда должна пересечь потенциальный барьер PN-перехода, образованный в результате истощения.

Это означает, что основные носители заряда N-типа и P-типа должны достичь энергии qVB электрон-вольт (эВ), прежде чем преодолеют барьер и диффундируют в область P-типа или N-типа.

Сдвиг электронов от N-стороны PN-перехода к дыркам, аннигилированным на P-стороне PN-перехода, создает напряжение потенциального барьера. Значение барьера близко к 0,6-0,7 В в кремнии, 0,3 В в германии и варьируется в зависимости от уровней легирования в различных полупроводниках.

Блоки полупроводников P-типа и N-типа в контакте друг с другом не обладают эксплуатационными свойствами. Внешний источник напряжения должен преодолеть потенциальный барьер, чтобы PN-переход стал проводником электричества. Если источник потенциала подключен таким образом, что положительный вывод подключен к стороне P, а отрицательный вывод — к стороне N, то это называется прямым смещением PN-перехода.

Отрицательный вывод обеспечивает диффузию электронов N-типа в направлении обедненного слоя. Положительный вывод в равной степени удаляет электроны в P-типе, создавая дырки, которые диффундируют к области истощения.

Если аккумуляторная батарея имеет достаточную мощность, чтобы преодолеть барьерное напряжение, тогда большинство носителей заряда от N-типа и P-типа объединяются и истощают переход. В результате большее количество носителей заряда воспроизводится и течет в сторону обедненной области, пока приложенный потенциал превышает потенциальный барьер.

Таким образом, основной ток заряда проходит по направлению к переходу. Во время этого подхода, когда ток проходит благодаря основным носителям заряда, PN-переход считается смещенным в прямом направлении.

Если клеммы батареи перевернуты, то большинство носителей заряда N-типа притягиваются к положительной клемме от PN-перехода, а отверстия притягиваются к отрицательной клемме вдали от PN-перехода. Ширина обедненного слоя увеличивается с приложенным потенциалом, в результате рекомбинация носителей заряда в обедненном слое не происходит. Следовательно, не происходит проведения электрического тока. При таком подходе считается, что PN-переход имеет обратное смещение.

Встроенный потенциал соединения PN

Основные носители заряда в области N-типа (электроны) могут пересекать переход, чтобы рекомбинировать с основными носителями заряда в области P-типа (дырками). В результате в области P-типа накапливается отрицательный статический объемный заряд, так как атомы трехвалентной примеси бора имеют отрицательный статический заряд. Они высвобождают положительно заряженную дырку в валентной зоне.

А в области N-типа по схожим причинам образуется положительный объемный заряд, который называется зоной объемного заряда или зоной истощения. Поскольку в этом небольшом объеме имеется мощное электрическое поле, плотность свободных носителей заряда незначительна в состоянии теплового равновесия.

Если полупроводники P-типа и N-типа приближаются, возможный потенциальный барьер возникает в обедненном слое. Фактически, статические объемные заряды накапливаются на границах PN-перехода, положительные заряды в области N-типа и отрицательные заряды в области P-типа. Они создают электрическое поле в диапазоне от N-типа до P-типа, что предотвращает диффузию и добавленная рекомбинация электронов и дырок.

Диффузия останавливается образованием внутреннего электрического поля. В результате существования этого двойного слоя зарядов по обе стороны от PN-перехода, потенциальный барьер резко меняется в пределах зоны истощения, и разность потенциалов Vd, называемая диффузионным потенциалом или встроенным потенциалом, достигает значимых значений.

Электростатический потенциал постоянен по всему кристаллу вместе с зоной пространственного заряда, поскольку учитывает не только электрическое поле, но и концентрацию носителей заряда. Встроенный потенциал из-за концентрации носителей заряда точно компенсирует электростатический потенциал.

Встроенный потенциал (диффузионный) пропорционален разнице энергий Ферми двух неограниченных полупроводников:

• E — напряжение перехода нулевого смещения
• (kT / q) тепловое напряжение 26 мВ при комнатной температуре.
• N _A и N _B — примесные концентрации акцепторных и донорных атомов.
• n — собственная концентрация.

Встроенный потенциал или потенциал перехода полупроводника равен потенциалу в обедненной области в состоянии теплового равновесия. Поскольку тепловое равновесие подразумевает постоянство энергии Ферми во всем устройстве PN-диода.

Таким образом, энергии Ферми зоны проводимости и валентной зоны смещены вверх или вниз и демонстрируют плавное отклонение в области обедненного слоя. В результате, существует разность электростатической потенциальной энергии между областями P-типа и N-типа, равная qV d.

Внешний потенциал, необходимый для преодоления потенциала перехода, зависит от рабочей температуры, а также от типа полупроводника. Даже если к полупроводнику не приложен внешний потенциал, существует некоторый барьерный потенциал из-за электронно-дырочной пары.

PN-переход формируется на отдельном полупроводнике, а электрические контакты прокладываются вокруг поверхности полупроводника, чтобы обеспечить электрическое соединение для внешнего источника питания. В результате, конечное устройство называется диодом с PN-переходом или сигнальным диодом.

Устройство полупроводникового диода, p-n переход.

Возвращаемся к рубрике «Основы электроники» и в этой статье мы разберем очень важное, основополагающее понятие, а именно p-n переход. И, конечно, же разберем работу устройства, сердцем которого является уже упомянутый p-n переход, то есть полупроводникового диода. И первым делом мы подробно рассмотрим устройство p-n перехода и химические процессы, протекающие в нем, которые, собственно, и определяют то, как он работает. Основными понятиями, которыми мы будем сегодня оперировать являются «электроны» и «дырки». И если с электроном все понятно, то на физическом смысле дырок стоит остановиться поподробнее. Полупроводниковые материалы, которые являются основой p-n перехода, характеризуются тем, что они объединяют в себе как свойства проводников, так и свойства диэлектриков. В кристаллической структуре проводников есть много свободных носителей заряда, которые под воздействием электрического поля начинают перемещаться, что и обуславливает способность проводника проводить ток. В диэлектриках связь частиц с атомами очень сильная, поэтому свободные носители заряда отсутствуют (все частицы жестко закреплены на своем месте в кристаллической решетке). Поэтому диэлектрики не пропускают электрический ток. В полупроводниках же все не так однозначно. В целом, для того, чтобы электрон покинул свое место, то есть высвободился от атома ему необходим определенный уровень внутренней энергии. Эта энергия может появиться, например, в результате повышения температуры. И величина этой внутренней энергии для полупроводников намного меньше, чем для диэлектриков. В этом и состоит ключевой момент! При низкой температуре большинство электронов полупроводника «сидят» на своих местах, и поэтому проводимость тока очень низкая. А, соответственно, с ростом температуры способность полупроводника проводить ток улучшается. С этим процессом разобрались: итак, с ростом температуры в полупроводнике число свободных электронов увеличивается. Во время разрыва связи электрона с ядром атома в электронной оболочке атома появляется свободное место. Атом при этом получает положительный заряд, ведь изначально заряд был нейтральным, а электрон, имеющий отрицательный заряд, атом покинул. Но свободное место не долго остается пустым, так как на него переходит электрон из соседнего атома. И этот процесс повторяется снова и снова. Таким образом, происходит перемещение положительного заряда. И вот именно этот условный(!) положительный заряд и называют дыркой:

• донорные, то есть отдающие
• акцепторные, принимающие

Разберем классический пример — кремний и мышьяк. У кремния на внешней оболочке атома 4 электрона (валентные электроны). У мышьяка таких электронов 5. Атом мышьяка отдает 4 из своих электронов на образование связей с 4-мя электронами атома кремния. При этом один из 5-ти валентных электронов не участвует в образовании связей.

У мышьяка энергия отрыва этого 5-го электрона от атома достаточно невелика. Настолько, что уже при небольшой температуре атомы мышьяка теряют свои незанятые в связях с кремнием электроны. Но при этом, поскольку в соседних атомах нет свободных мест, то дырок не возникает, и «дырочная» проводимость практически отсутствует. Так мы получили полупроводник с электронной проводимостью, то есть полупроводник n-типа.

Если же мы возьмем в качестве примеси 3-х валентный элемент (3 электрона на внешней оболочке атома), то в случае с добавлением примеси к кремнию (4 электрона), одно место останется свободным. На это место «придет» электрон соседнего атома и так далее, то есть возникнет процесс перемещения дырки. Так мы получим полупроводник p-типа.

Вот мы разобрались и с этим, двигаемся непосредственно к рассмотрению p-n перехода.

Итак, p-n переход (электронно-дырочный переход) — это область, в которой соприкасаются два полупроводника, имеющие разный тип проводимости (p-тип и n-тип):

Причем обе области электрически нейтральны. Только одна из них содержит свободно перемещающиеся дырки, а вторая — электроны.

При соприкосновении полупроводников разного типа возникает диффузионный ток. Это связано с тем, что свободные носители (электроны и дырки) стремятся перейти из той области, где их много, в ту область, где их мало. При прохождении через переход частицы рекомбинируют друг с другом. В результате этого вблизи границы перехода образуются избыточные заряды:

На рисунке изображены только свободные носители заряда в каждой из областей.

Давайте чуть подробнее разберем этот процесс. Один из электронов переходит из области n-типа и «занимает» свободное место, то есть дырку в области p-типа. На первоначальном месте этого электрона в области n-типа появляется дырка (ведь электрона там больше нет). И в итоге получается, что в p-области вблизи перехода скапливаются электроны, а в n-области наоборот дырки. Не забываем, что дырка — это не реально существующая частица, а условный(!) положительный заряд.

Но этот процесс не продолжается бесконечно по одной простой причине. Из-за того, что на границе формируются два новых слоя, возникает дополнительное электрическое поле, которое они порождают. Под действием этого поля возникает так называемый дрейфовый ток, направленный противоположно диффузионному току. И при определенной концентрации частиц около границы перехода между этими токами возникает равновесие и процесс останавливается:

Строго говоря, p-n переход — это именно область, в которой практически отсутствуют свободные носители заряда (обедненная область). Для того, чтобы выйти из этого положения равновесия, мы можем приложить к переходу внешнее напряжения. Различают прямое и обратное смещение.

При прямом смещении положительный потенциал подается на область p-типа, а отрицательный, соответственно, на область n-типа:

В этом случае внешнее электрическое поле (от источника напряжения) направлено противоположно тому полю, которое существует внутри перехода. В результате диффузионный ток начинает преобладать над дрейфовым, поскольку такое внешнее поле приводит к движению дырок из p-области в n-область и электронов в обратном направлении.

Вот так и возникает прямой ток, направление которого противоположно движению электронов. Обратное же смещение выглядит так:

Такое подключение приводит лишь к увеличению областей, в которых отсутствуют свободные носители заряда. Действительно, под действием электрического поля при обратном смещении свободные электроны и дырки будут удаляться от границы слоев.

В результате диффузионный ток будет максимально уменьшен и преобладать будет ток дрейфовый. В таком случае протекающий ток называют обратным (его величина очень мала по сравнению с прямым током).

Полупроводниковое устройство, внутри которого сформирован один такой p-n переход, и называют диодом. А его выводы (электроды) получили названия анод и катод. На принципиальных электрических схемах полупроводниковый диод обозначается следующим образом:

Ключевой характеристикой диода является вольт-амперная характеристика (ВАХ). Она представляет из себя зависимость протекающего через диод тока от приложенного к нему напряжения:

Как видите, здесь все в точности соответствует тому, что мы обсудили при разборе p-n перехода. Правая ветвь графика относится к прямому смещению перехода. При увеличении напряжения увеличивается и протекающий прямой ток. Обратите внимание, что при прямом включении напряжение должно достигнуть определенного значения для того, чтобы диод стал хорошо пропускать ток. Если напряжение меньше этого значения (пусть и создает прямое смещение), то способность диода пропускать ток будет низкой.

При обратном смещении (левая ветвь характеристики) ток достигает некоторого значения и перестает увеличиваться. Это процесс протекания незначительного обратного тока. Если продолжать увеличивать напряжение, то произойдет пробой p-n перехода (про ситуацию пробоя мы еще обязательно поговорим в статье, посвященной стабилитронам).

Таким образом, можно сказать, что диод пропускает ток в одном направлении и препятствует протеканию тока в обратном направлении.

И на этом, пожалуй, закончим, сегодня мы по итогу рассмотрели все основные процессы, протекающие в p-n переходе и полупроводниковом диоде. Совсем скоро, буквально в одной из следующих статей, разберем основные примеры использования диодов. Будем рады видеть вас на нашем сайте снова!