Обедненный слой в p n переходе

ОБЕДНЁННЫЙ СЛОЙ

Физическая энциклопедия. В 5-ти томах. — М.: Советская энциклопедия . Главный редактор А. М. Прохоров . 1988 .

НЬЮТОНА ЗАКОН ТРЕНИЯ
ОБОБЩЁННАЯ ВОСПРИИМЧИВОСТЬ

Смотреть что такое «ОБЕДНЁННЫЙ СЛОЙ» в других словарях:

обеднённый слой — — [Я.Н.Лугинский, М.С.Фези Жилинская, Ю.С.Кабиров. Англо русский словарь по электротехнике и электроэнергетике, Москва, 1999] Тематики электротехника, основные понятия EN barrier layerblocking layerdepletion layerswept out layer … Справочник технического переводчика
обеднённый слой — nuskurdintasis sluoksnis statusas T sritis fizika atitikmenys: angl. depletion layer vok. Verarmungsrandschicht, f; Verarmungsschicht, f; Verarmungszone, f rus. истощённый слой, m; обеднённый слой, m pranc. couche de déplétion, f; couche… … Fizikos terminų žodynas
истощённый слой — nuskurdintasis sluoksnis statusas T sritis fizika atitikmenys: angl. depletion layer vok. Verarmungsrandschicht, f; Verarmungsschicht, f; Verarmungszone, f rus. истощённый слой, m; обеднённый слой, m pranc. couche de déplétion, f; couche… … Fizikos terminų žodynas
ЗАПОРНЫЙ СЛОЙ — (обеднённый слой) слой полупроводника с пониженной концентрацией осн. носителей заряда. Образуется около контакта с металлом, гетероперехода, моноперехода ( р п перехода),свободной поверхности. Из за ухода осн. носителей в 3. с. возникает заряд,… … Физическая энциклопедия
КОНТАКТНЫЕ ЯВЛЕНИЯ В ПОЛУПРОВОДНИКАХ — неравновесные электронные явления, возникающие при прохождении электрич. тока через контакт полупроводника с металлом или электролитом или через контакт двух различных полупроводников (гетеропереход )либо через границу двух областей одного и того … Физическая энциклопедия
ПОЛЕВОЙ ТРАНЗИСТОР — транзистор, в к ром управление протекающим через него током осуществляется электрич. полем, перпендикулярным направлению тока. Принцип работы П. т., сформулированный в 1920 х гг., поясняется на рис. 1. Тонкая пластинка полупроводника (канал)… … Физическая энциклопедия
МДП-СТРУКТУРА — (металл диэлектрик полупроводник) структура, образованная пластиной полупроводника П, слоем диэлектрика Д на одной из её поверхностей и металлич. электродом (затвором M, рис. 1). При подаче на МДП с. напряжения V в полупроводнике вблизи границы с … Физическая энциклопедия
p — n-ПЕРЕХОД — (электронно дырочный переход) слой с пониженной электропроводностью, образующийся на границе полупроводниковых областей с электронной (n область) и дырочной ( р область) проводимостью. Различают гомопереход, получающийся в результате… … Физическая энциклопедия
ПЬЕЗОПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ — электроакустич. преобразователи, действие к рых основано на свойствах обеднённого носителями заряда тонкого слоя пьезополупроводника. Обычно П. п. являются вибраторами, работающими на резонансной частоте (в диапазоне частот от 10 МГц до 75 ГГц).… … Физическая энциклопедия
P — n-переход — (n negative отрицательный, электронный, p positive положительный, дырочный), или электронно дырочный переход разновидность гомопереходов, Зоной p n перехода называется область полупроводника, в которой имеет место… … Википедия

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.

Физические основы полупроводников

p-n переход при прямом напряжении

При подключении к p-n переходу внешнего электрического поля динамическое равновесие токов нарушается. Поведение перехода зависит при этом от полярности приложенного напряжения. Если внешнее напряжение приложено навстречу контактной разности потенциалов, иначе говоря, «плюс» приложен к p-области, а «минус» — к n-области, то такое включение p-n перехода называют прямым. Внешнее (прямое) напряжение почти полностью падает на p-n переходе, сопротивление которого во много раз выше сопротивления p- и n-областей. С увеличением прямого напряжения высота потенциального барьера уменьшается: U₁ = U_к – U_пр. Основные носители областей полупроводника, приближаясь к p-n переходу, частично компенсируют объемные пространственные заряды, уменьшая тем самым ширину запирающего слоя и его сопротивление. В цепи протекает электрический ток, при этом диффузионная составляющая тока через переход увеличивается, а дрейфовая — уменьшается.

При |U_к| = |U_пр| толщина p-n перехода стремится к нулю и при дальнейшем увеличении U_пр запирающий слой исчезает. Вследствие этого электроны и дырки (основные носители заряда в n- и p-областях) начинают свободно диффундировать в смежные области полупроводника. Увеличение диффузионной составляющей тока через p-n переход при неизменной дрейфовой составляющей приводит к нарушению термодинамического равновесия:

$j={{j}_{dif}}+{{j}_{drift}}\ne 0.$

Через переход протекает ток, который называется прямым.

Процесс переноса носителей заряда через прямосмещенный электронно-дырочный переход в область полупроводника, где они становятся неосновными носителями, называется инжекцией. Часто прямой ток называют током инжекции.

В несимметричном p-n переходе, когда концентрация электронов в n-области во много раз больше концентрации дырок в p-области, диффузионный поток электронов во много раз превышает поток дырок и ими можно пренебречь. В данном случае имеет место односторонняя инжекция электронов. Область, из которой происходит инжекция, называют эмиттером, а область, в которую инжектируются носители, — базой.

Неравновесные неосновные носители зарядов диффундируют вглубь полупроводника и нарушают его электронейтральность. Восстановление электронейтральности происходит за счет поступления носителей заряда от внешнего источника взамен ушедших к p-n переходу и исчезнувших в результате рекомбинации. Это приводит к появлению электрического тока во внешней цепи — прямого тока.

p-n переход при обратном напряжении

При обратном включении p-n перехода внешнее напряжение приложено знаком «плюс» к n-области, а «минус» — к p-области. Создаваемое им электрическое поле совпадает по направлению с внутренним полем перехода, увеличивая высоту потенциального барьера: U₁ = U_к + U_обр.

Под действием обратного напряжения основные носители будут отталкиваться от граничного слоя, и дрейфовать вглубь полупроводника. При этом ширина слоя, обедненного основными носителями, увеличивается по сравнению с равновесным состоянием. Сопротивление p-n перехода для прохождения тока основных носителей увеличивается. Происходит изменение в соотношении токов через p-n переход. Диффузионный ток уменьшается и в предельном случае с ростом потенциального барьера стремится к нулю. Для неосновных носителей заряда поле в p-n переходе остается ускоряющим, они захватываются им и переносятся через p-n переход. Процесс переноса неосновных носителей заряда через обратносмещённый p-n переход в область полупроводника, где они становятся основными носителями, называется экстракцией.

Дрейфовый ток, создаваемый неосновными носителями, называется тепловым током I_т. Так как концентрация неосновных носителей относительно мала, то и ток, образуемый ими, не может быть большим. Кроме того, он практически не зависит от напряженности поля в p-n переходе, т.е. является током насыщения неосновных носителей. Все неосновные носители, которые подходят к p-n переходу, совершают переход через него под действием поля независимо от его напряженности. Поэтому ток I_т определяется только концентрацией неосновных носителей и их подвижностью. Концентрация неосновных носителей, а, следовательно, и тепловой ток сильно зависят от температуры.

По своему направлению тепловой ток противоположен току диффузии и поэтому результирующий ток p-n перехода равен:

${{I}_{reverse}}={{I}_{dif}}-{{I}_{thermal}}\text{.}$

При |U_обр| ≫ U_к током основных носителей заряда можно пренебречь. Поэтому тепловой ток I_т в этом случае называют током насыщения.

Таким образом, p-n переход обладает вентильными свойствами, т.е. односторонней проводимостью:

1) при приложении прямого напряжения (прямое смещение) через переход протекает электрический ток, значение которого при повышении напряжения увеличивается по экспоненциальному закону. Сопротивление перехода минимально;

2) при смещении p-n перехода в обратном направлении, его сопротивление возрастает и через переход протекает малый тепловой ток.

Обратный ток I_обр возрастает при уменьшении ширины запрещенной зоны полупроводника, из которой выполнен p-n переход. У германиевых p-n переходов I_обр обычно на два-четыре порядка выше, чем у кремниевых.

Переход металл – полупроводник и его особенности

Для повышения быстродействия в импульсных приборах используются переходы, выполненные на основе контакта металл — полупроводник путем нанесения металла на кремниевую пластинку n-типа. Электроны из полупроводника n-типа переходят в металл, образуя на их границе отрицательный заряд в металле и положительный в полупроводнике. Возникающее при этом электрическое поле препятствует дальнейшему переходу электронов и в области перехода формируется обедненная область. При подаче на металлический контакт положительного напряжения приток избыточных электронов восстанавливается и через переход протекает прямой ток. При подаче отрицательного потенциала на область металла увеличивается потенциальный барьер перехода металл — полупроводник, ток через переход не протекает. Такие переходы называют барьерами Шоттки.

39.Зависимость толщины обедненного слоя p-n перехода и барьерной емкости от приложенного напряжения.

В высокоомном обедненном слое p—n перехода по обе стороны от его границы существуют равные по значению и противоположные по знаку объемные заряды: отрицательный в p –области, положительный — в n-области. Эти заряды обусловлены наличием ионов примесей и(рис. 4.7), а при подаче прямого смещения на переход – дополнительными зарядами, возникшими в процессе инжекции неосновных носителей заряда. В зависимости от приложенного напряжения изменяется толщина обедненного слоя и, следовательно, значения зарядовQ. Это указывает на то, чтоp—n переход обладает электрической емкостью , гдеU – контактная разность потенциалов в p—n переходе. В общем случае емкость p—n перехода складывается из двух составляющих:

где С_бар – барьерная емкость p—n перехода при подаче на него обратного напряжения U_обр; С_дф – диффузионная емкость, возникает при подаче на p—n переход прямого напряжения U_пр.

Зависимость емкости от напряжения называется вольт-фарадной характеристикой. Из соотношений (4.16) и (4.17) следует, что с ростом обратного смещения на p-n переходе барьерная емкость довольно быстро снижается. Это свойство используется при изготовлении конденсаторов переменной емкости с электрическим управлением величиной емкости, называемых варикапами. , Емкость при прямом напряжении. В данном случае существуют две физические причины, определяющие емкость p—n перехода. Первая из них – та же, что и для обратного напряжения: это изменение зарядов в обедненном слое. Вторая заключается в том, что с увеличением напряжения, приложенного к p—n переходу, возрастает концентрация инжектированных носителей в нейтральных областях вблизи границ перехода и, соответственно, значение накопленного заряда, обусловленного этими носителями. Следовательно, возрастает значение накопленного заряда Q_дф, обусловленного этими носителями. Барьерная емкость резкого p—n перехода С_бар уменьшается с ростом абсолютной величины обратного напряжения по закону (4.16). Диффузионная емкость С_дф увеличивается с ростом прямого напряжения по экспоненциальному закону (4.18). Поэтому диффузионная емкость меньше барьерной вплоть до напряжения отпирания p—n перехода (UU>0,6 В, начинает превышать барьерную емкость.

40. Физиеские процессы, определяющие частотные свойства диодов: Эффект накопления и рассасывания неосновных носителей заряда в базе диода при высоком уровне инжекции

при низких частотаХ: при высоких частотах:постоянная времени равна:

41. Устройство и принцип действия биполярного транзистора

Биполярный транзистор — трехэлектродный полупроводниковый прибор с двумя, расположенными на близком расстоянии параллельными pn — переходами.транзистор состоит из трех основных областей: эмиттерной, базовой и коллекторной. К каждой из областей имеется омический контакт. Для того, чтобы транзистор обладал усилительными свойствами толщина базовой области должна быть меньше диффузионной длины неосновных носителей заряда, т.е. большая часть носителей инжектированных эмиттером должна не должна рекомбинировать по дороге к коллектору.На границах между p и n областям возникает область пространственного заряда, причем электрические поля в эмиттерном и коллекторном переходе направлены так, что для p- n-p транзистора базовая область создает энергетический барьер для дырок в эмиттерной p – области, для n-p-n транзистора базовая область создает аналогичный барьер для электронов эмиттерной n –области. При отсутствии внешнего смещения на переходах потоки носителей заряда через переходы скомпенсированы и токи через электроды транзистора отсутствуют.

Для того, чтобы транзистор работал в режиме усиления входного сигнала, эмиттерный переход смещают в прямом направлении, коллекторный в обратном

Структура и обозначения pnp и npn биполярных транзисторов

Диаграммы, поясняющие работу биполярных транзисторов: (а) смещение на переходах отсутствует; (б) эмиттерный переход смещен в прямом направлении, коллекторный в обратном.

Приложенное к эмиттерному переходу смещение уменьшает потенциальный барьер из эмиттера в базу инжектируются дырки (в p-n-p транзисторе) или электроны (в n-p-n транзисторе) инжектированные носители проходят и достигают коллектора. Между базой и коллектором барьера нет, поэтому все дошедшие до коллектора носители заряда переходят через коллекторный переход и создают коллекторный ток.