1.1.2. Полупроводники n — p типа
Чистые i — полупроводники практически не используют. В них специально вводят атомы других элементов (примеси) трехвалентных (алюминий, галлий, индий, бор) или пятивалентных (мышьяк, фосфор, сурьма) элементов или их соединений. При этом на 10 7 …10 8 атомов i — полупроводника вводят один атом примеси. Атомы пятивалентной примеси называются донорами: они увеличивают число свободных электронов. Каждый атом такой примеси добавляет один лишний электрон. При этом лишних дырок не образуется. Примесный атом в структуре полупроводника превращается в неподвижный положительно заряженный ион. Проводимость полупроводника теперь будет определяться в основном числом свободных электронов примеси. В целом такой тип проводимости называют проводимостью n–типа, а сам полупроводник – полупроводником n–типа.
При введении трехвалентной примеси одна из валентных связей полупроводника оказывается незаполненной, что эквивалентно образованию дырки и неподвижного отрицательно заряженного иона примеси. Таким образом, в этом случае увеличивается концентрация дырок. Примеси такого типа называются акцепторами, а проводимость, обусловленная введением акцепторной примеси, называют проводимостью р–типа. Полупроводник данного вида называют полупроводником р–типа.
Преобладающие носители заряда в полупроводнике называются основными. Так в полупроводнике n–типа основными носителями являются электроны, а неосновными – дырки, а в полупроводнике р–типа основными носителями являются дырки, а неосновными – электроны. Как видим, в отличие от проводимости проводников, в которых ток обусловлен направленным движением только электронов, в полупроводниках ток может быть обусловлен двумя типами носителей – электронами и дырками.
© Андреевская Т.М. Кафедра РЭ, МИЭМ, 2005.
Полупроводники p и n типа, p-n переход
Внесение в полупроводник примесей существенно влияет на поведение электронов и энергоуровни спектра кристалла. Валентные электроны примесных атомов создают энергетические уровни в запрещенной зоне спектра. К примеру, если в решетке германия один атом замещен пятивалентным атомом фтора, то энергия дополнительного электрона станет меньше, чем энергия, которая соответствует нижней границе зоны проводимости. Энергетические уровни подобных примесных электронов находятся ниже дна зоны проводимости. Эти уровни заполненные электронами называют донорными. Для перевода электронов с донорных уровней в зону проводимости необходима энергия меньше, чем у чистого полупроводника. После того как электроны переброшены в зону проводимости с донорных уровней, говорят, что в полупроводнике появилась проводимость n-типа. Полупроводники с донорной примесью называют электронными (донорными) или полупроводниками n-типа (negative — отрицательный). Электроны в полупроводниках n — типа служат как основные носители заряда, дырки — неосновными. Энергетическая диаграмма такого полупроводника изображена на рис.1.
Получи помощь с рефератом от ИИ-шки
ИИ ответит за 2 минуты
Полупроводники p типа
В полупроводнике, который содержит акцепторную примесь, электроны довольно легко переходят из валентной зоны на акцепторные уровни. В такой ситуации в валентной зоне появляются свободные дырки. Число дырок в данном случае существенно больше, чем свободных электронов, которые образовались при переходе из валентной зоны в зону проводимости. В данной ситуации дырки — основные носители заряда, электроны — неосновные. Проводимость полупроводника, который включает акцепторную примесь, носит дырочный характер, сам проводник при этом называется дырочным (акцепторным) или полупроводником p-типа (positive — положительный). Энергетическая диаграмма полупроводника p-типа приведена на рис.2.
«Полупроводники p и n типа, p-n переход»
Помощь эксперта по теме работы
Решение задач от ИИ за 2 минуты
Помощь с рефератом от нейросети
p-n переход
p-n переход создают в естественном полупроводнике легированием донорными и акцепторными примесями по разные стороны от границы раздела. При этом область, в которую вводились донорные примеси становится n-областью с электронной проводимостью, область в которую ввели акцепторные примеси — p-областью с преимущественной дырочной проводимостью.
Так как в n- области концентрация электронов больше (в сравнении с концентрацией дырок), а в p- области наоборот, то электроны диффундируют из n- области, в p- область, а дырки в обратном направлении. В результате в n- области возникает положительный заряд, а в p- области отрицательный Появляющаяся таким образом, разность потенциалов и электрическое поле пытаются замедлить диффузию положительных и отрицательных зарядов. При некотором напряжении возникает равновесие. Так как заряд электрона меньше нуля, то рост потенциала ведет к уменьшению потенциальной энергии электронов и росту потенциальной энергии дырок. Как следствие роста потенциала n- области потенциальная энергия электронов в этой области уменьшается, а в p- области увеличивается. С потенциальной энергией дырок дело обстоит наоборот. Характер изменения электрического потенциала совпадает с характером изменения потенциальной энергии дырок.
Итак, возникает потенциальный барьер, который противостоит потоку диффузии электронов и дырок со стороны перехода с их большей концентрацией, то есть напору электронов со стороны n- области и напору дырок из p- области. Этот потенциальный барьер растет до величины, при которой появляющееся на переходе электрическое поле порождает такие токи из носителей заряда, которые полностью компенсируют диффузионные потоки. Так достигается стационарное состояние.
Электроны и дырки в зоне проводимости полупроводников имеют конечное время жизни. Дырки, которые попали из p- области в n- область диффундируют в ней в течение некоторого времени, а затем аннигилируются с электронами. Так же ведут себя электроны, которые попали из n- области в p- область. Следовательно, концентрация избыточных дырок в n- области и концентрация электронов в p- области уменьшается (по экспоненте) при удалении от границы перехода.
[Примечание] Обычно энергия Ферми p и n- областей полупроводников отличается примерно на 1эВ. Значит, разность потенциалов, которая появляется на переходе и выравнивает энергии Ферми по разные стороны перехода, имеет величину порядка 1В.
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.
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.
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).
Задание: Что такое туннельный эффект?
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.
Структура вещества примесных полупроводников, P-N переход его структура и ВАХ
Химические вещества могут быть в трех основных фазах: твердой, жидкой и газообразной. Когда молекулы находятся в твердой фазе, они не могут двигаться, кроме своего среднего положения, что называется тепловым движением. Молекул в жидкой и газообразной фазах могут свободно перемещаться. Некоторые вещества имеют кристаллические структуры, в которых атомы объединены в определенную решетку, которая сохраняется на протяжении всего объема кристалла.
Электрическая проводимость твердых веществ необходима для производства многих электронных устройств. Эта способность зависит от способности материала производить свободные электроны. Структура кристаллических решеток веществ, таких как германий и кремний, напоминает структуру алмаза. Кремний и германий имеют хорошие диэлектрические свойства благодаря своей кристаллической решетке и сильной связи электронов.
Модель кристалла германия
Модель кристаллической структуры германия представляет собой описание, как атомы германия организованы в кристалле. Германий образует кристаллическую решетку, которая может быть описана следующим образом:
- Брусчатая кристаллическая решетка: Германий обычно образует брусчатую (или кубическую) кристаллическую решетку. В этой решетке каждый атом германия находится в угловых точках кубической ячейки и в центре куба.
- Координация атомов: Каждый атом германия имеет четыре ближайших соседа. Это означает, что каждый атом германия связан с четырьмя соседними атомами других германиевых атомов.
- Ордер (порядок): Благодаря регулярному упорядочению атомов в кристаллической решетке, германий имеет хорошо определенную структуру.
- Кристаллическая система: Брусчатая кристаллическая решетка германия относится к кристаллической системе типа «кактус» (cubic).
- Тетраэдральные углы: Атомы германия в кристаллической решетке образуют тетраэдры вокруг каждого атома. Это также важная черта структуры германия.
Состояния вещества
Рассмотрим более подробно различные фазы вещества и их связь с электронными свойствами твердых материалов:
- Твердая фаза: В твердой фазе атомы или молекулы вещества плотно упакованы и находятся в фиксированных положениях в кристаллической решетке. Они могут только совершать колебания около своего равновесного положения. Эти колебания интерпретируются как тепловое движение, и оно влияет на теплоемкость твердых материалов.
- Жидкая фаза: В жидкой фазе атомы или молекулы вещества более подвижны, чем в твердой фазе. Они могут свободно двигаться друг относительно друга, сохраняя близкие контакты. Это обеспечивает текучесть жидкостей. В этой фазе тепловое движение более интенсивное.
- Газообразная фаза: В газообразной фазе молекулы вещества обладают большой энергией и практически не связаны друг с другом. Они свободно двигаются и занимают все доступное пространство. В газах тепловое движение доминирует.
Связь между фазами вещества и его электронными свойствами заключается в том, как атомы или молекулы взаимодействуют между собой в каждой фазе:
- В твердых материалах кристаллическая решетка ограничивает движение электронов, и это может влиять на их проводимость. Многие полупроводники, такие как кремний, образуют кристаллические структуры, где электроны могут свободно передвигаться при предоставлении энергии.
- В жидких и газообразных фазах молекулы более свободно двигаются, и электроны могут легко перемещаться, обеспечивая проводимость.
Примесные полупроводники
Кремний и германий проявляют свойства диэлектриков в чистом виде, что означает, что они плохо проводят электричество. Тем не менее, при добавлении небольшого количества примесей эти материалы обладают уникальными свойствами, которые существенно изменяются. В полупроводниковой индустрии, где используются кремния и германия, этот процесс, называемый допированием, имеет решающее значение.
Модель полупроводника n-типа
Полупроводники n-типа — это особый класс полупроводников, которые обладают свободными электронами и проводят электрический ток в результате процесса допирования. Допирование заключается во введении атомов примесей, имеющих лишние электроны, в структуру полупроводника. Эти лишние электроны становятся свободными и могут перемещаться под воздействием электрического поля.
Основные характеристики полупроводников n-типа:
- Допирование: Допирование — это процесс внесения атомов примесей, которые обеспечивают наличие лишних электронов, в структуру полупроводника.
- Свободные электроны: Атомы примесей вносят свободные электроны, которые могут двигаться под воздействием электрического поля. Эти свободные электроны являются основными носителями заряда в полупроводниках n-типа и делают материал проводящим.
- Тип проводимости: Полупроводники n-типа имеют негативный тип проводимости, их электроны движутся в сторону положительного направления электрического поля.
- Характеристики: Проводимость полупроводников n-типа увеличивается с ростом температуры и концентрации допирующих атомов.
Полупроводники n-типа широко используются в электронике для создания многих различных устройств, таких как диоды, транзисторы и солнечные батареи. Например, транзисторы n-типа используются в усилителях сигнала, микропроцессорах и множестве других устройств, которые используют сигналы для усиления и коммутации.
Структура полупроводников n-типа
Структура полупроводников n-типа определяется допированием определенными атомами примесей, обеспечивающими наличие свободных электронов. Внесенные атомы примесей замещают атомы в кристаллической решетке полупроводника. Эти атомы примесей имеют на внешней орбите лишние электроны, которые становятся свободными и могут участвовать в проводимости материала.
Структура полупроводника n-типа включает в себя следующие ключевые элементы:
- Кристаллическая Решетка: Полупроводники имеют кристаллическую структуру, в которой атомы упорядочены в регулярной решетке.
- Атомы Примесей: В структуру полупроводника вводятся атомы примесей, такие как фосфор или антимон. Эти атомы замещают некоторые из атомов базового материала полупроводника (например, кремния).
- Свободные Электроны: Атомы примесей вносят лишние электроны в структуру. Эти свободные электроны становятся основными носителями заряда и способствуют проводимости полупроводника.
- Электрическое Поле: Под действием внешнего электрического поля свободные электроны начинают двигаться в направлении положительного поля, что обеспечивает проводимость полупроводника.
Модель полупроводника p-типа
Полупроводники P-типа — это особый класс полупроводников, в которых доминируют положительные носители заряда, так называемые «дырки». Дырки возникают из-за допирования полупроводника атомами примесей с лишними электронами, которые создают пустые места в валентной зоне.
Основные характеристики полупроводников P-типа:
- Допирование: Полупроводники P-типа создаются путем допирования материала атомами примесей, которые обладают акцепторными свойствами. Эти атомы замещают атомы в кристаллической решетке полупроводника, создавая так называемые «акцепторные уровни энергии.» Примерами акцепторных атомов могут служить бор (B) или алюминий (Al).
- Положительные носители заряда: Акцепторные атомы создают «дырки» в валентной зоне полупроводника, где обычно находятся электроны. Дырки являются положительными носителями заряда и движутся в направлении положительного электрического поля.
- Тип проводимости: Полупроводники P-типа имеют положительный тип проводимости, так как положительные дырки двигаются в направлении отрицательного электрического поля.
- Проводимость: Полупроводники P-типа обладают низкой проводимостью в отсутствие внешнего воздействия. Однако проводимость увеличивается при наличии дырок и под воздействием внешних факторов, таких как температура и напряжение.
- Температурная зависимость: Проводимость полупроводников P-типа обычно увеличивается с повышением температуры, так как при более высокой температуре дырки получают больше энергии и могут двигаться легче.
Полупроводники P-типа используются в электронных устройствах, таких как биполярные транзисторы, диоды и интегральные схемы. Эти устройства позволяют управлять электрическим током и выполнять различные функции в современной электронике.
Структура полупроводников p-типа
Структура полупроводника P-типа обусловлена процессом допирования атомами примесей с акцепторными свойствами. Этот процесс вносит изменения в кристаллическую решетку полупроводника, создавая дырки, которые являются основными положительными носителями заряда в таких материалах.
Структура полупроводника p-типа включает в себя следующие ключевые элементы:
- Кристаллическая решетка: Полупроводники P-типа, как и другие полупроводники, имеют кристаллическую структуру, в которой атомы упорядочены в определенном порядке. Примерами материалов, используемых для полупроводников P-типа, являются кремний (Si), германий (Ge) и соединения, такие как GaAs (галлиевый арсенид).
- Акцепторные атомы примесей: Для создания полупроводника P-типа в материал вводят акцепторные атомы примесей. Эти атомы имеют больше электронов в своей валентной зоне по сравнению с атомами материала. Примером акцепторной атомной примеси может быть бор.
- Дырки в валентной зоне: Акцепторные атомы примесей замещают атомы материала в кристаллической решетке. Поскольку акцепторы имеют больше электронов, чем материал, они создают «дырки» в валентной зоне, где вместо электронов остаются положительные носители заряда, называемые дырками. Дырки являются основными положительными носителями заряда в полупроводнике P-типа.
- Электрическая проводимость: При наличии дырок полупроводник P-типа становится способным проводить электрический ток. Дырки могут двигаться внутри материала под воздействием электрического поля и участвовать в проводимости.
- Поверхности и контакты: Для создания полупроводниковых устройств, таких как диоды и транзисторы, требуется создать контакты к полупроводнику P-типа. Это обычно делается путем наложения металлических электродов на поверхность полупроводника, что позволяет управлять и мониторить поток электрического тока.
Основные и неосновные носители заряда
Основные и неосновные носители заряда — это два типа заряженных частиц, которые существуют в полупроводниках и могут участвовать в проводимости. В зависимости от конкретных условий и характеристик материала, один из них может доминировать.
Важно отметить, что тип и состав полупроводника, температура, применяемое напряжение и другие факторы влияют на доминирование оcновных или неосновных носителей. Проектирование и анализ полупроводниковых устройств зависят от понимания функций и взаимодействия основных и неосновных носителей заряда.
Основные носители заряда
Основные носители заряда — это заряженные частицы, которые образуются в полупроводнике благодаря допированию или внесению атомов примесей. В полупроводниках P-типа это дырки (положительно заряженные) и электроны (отрицательно заряженные) в полупроводниках N-типа. Основные носители заряда обладают высокой подвижностью и способны перемещаться под воздействием электрического поля. Они играют ключевую роль в проведении электрического тока в полупроводнике.
Неосновные носители заряда
Неосновные носители заряда — это заряженные частицы, которые возникают в полупроводнике благодаря тепловому возбуждению. Эти частицы могут быть как дополнительными электронами (в случае полупроводников P-типа) или дополнительными дырками (в случае полупроводников N-типа), образованными при переходе электронов в зону проводимости под воздействием тепла. Неосновные носители обычно имеют низкую подвижность и обычно не являются ключевыми участниками в проведении тока. Однако при повышенных температурах или других возмущениях они могут внести вклад в проводимость полупроводника.
P-N Переход
P-N переход — это граница между двумя разными типами полупроводников: P-типа (позитивного) и N-типа (негативного). P-тип полупроводника характеризуется преимущественным присутствием дырок (положительно заряженных «дырок» в электронной структуре), а N-тип — преимущественно электронами (отрицательно заряженными).
Основной принцип работы P-N перехода заключается в том, что он создает барьер для движения большинства носителей заряда через него, но при прямом смещении этот барьер преодолевается, позволяя току протекать.
Структура P-N перехода
Структура P-N перехода состоит из двух разных типов полупроводников, P-типа (позитивного) и N-типа (негативного), которые объединены в едином кристалле. Этот P-N переход образуется в результате процесса допирования, при котором атомы примесей вводятся в полупроводник, меняя его химический состав и создавая разные области внутри одного кристалла. Рассмотрим более подробно структуру P-N перехода:
- P-сторона (позитивная сторона):
- В P-стороне полупроводника преобладают дырки как основные носители заряда. Дырки — это положительно заряженные «пустоты» в электронной структуре, оставленные отсутствием электронов в валентной зоне.
- P-сторону обычно создают путем допирования полупроводника атомами, которые обладают меньшим количеством валентных электронов, чем атомы базового материала. Эти атомы называются акцепторами.
- N-сторона (негативная сторона):
- В N-стороне полупроводника преобладают свободные электроны как основные носители заряда. Свободные электроны имеют отрицательный заряд.
- N-сторону обычно создают путем допирования полупроводника атомами, которые обладают большим количеством валентных электронов, чем атомы базового материала. Эти атомы называются донорами.
- P-N граница:
- P-N переход формируется именно там, где P- и N-стороны соединяются. Эта граница — это место, где происходит важное явление рекомбинации. Рекомбинация представляет собой процесс, в котором свободные электроны из N-стороны рекомбинируют с дырками из P-стороны, создавая нейтральные атомы и уменьшая концентрацию основных носителей заряда в этой области.
- Диффузионный слой:
- Вблизи P-N границы может существовать диффузионный слой, где концентрации носителей заряда быстро изменяются. Этот слой играет важную роль в функционировании P-N перехода.
- Область разорванного джункциона (разорванной границы):
- Внутри P-N перехода есть область разорванного джункциона, где концентрации основных носителей заряда резко изменяются. Эта область является ключевой для работы P-N перехода, так как она создает барьер для движения основных носителей заряда в прямом смещении и предотвращает их движение в обратном смещении.
При прямом смещении P-N переxод становится проводящим, и дырки и электроны, основные носители заряда, могут пересекать его, что позволяет току проходить. Барьер рекомбинации увеличивается, что препятствует току, и переход P-N становится непроводящим. Благодаря этому переход P-N идеально подходит для регулирования и выпрямления тока в электронных устройствах.
P-N Переход в качестве выпрямителя
P-N переход может использоваться как выпрямитель в электронных схемах. Рассмотрим его работу при прямом и обратном смещении:
Прямое смещение (Forward Bias)
- При прямом смещении к P-стороне (аноду) подается положительное напряжение, а к N-стороне (катоду) — отрицательное напряжение.
- Это прямое смещение уменьшает барьер потенциала на границе P-N перехода, что позволяет основным носителям заряда (дыркам в P-стороне и электронам в N-стороне) двигаться к переходу.
- Дырки и электроны могут рекомбинировать вблизи P-N границы, и ток может свободно протекать через переход.
- P-N переход в режиме прямого смещения имеет низкое сопротивление и позволяет току легко проходить через себя, выпрямляя переменный ток в постоянный ток. Такой режим работы делает P-N переход хорошим выпрямителем.
Обратное смещение (Reverse Bias)
- При обратном смещении к P-стороне (аноду) подается отрицательное напряжение, а к N-стороне (катоду) — положительное напряжение.
- Это обратное смещение увеличивает барьер потенциала на границе P-N перехода, что делает его более непроницаемым для основных носителей заряда. Барьер предотвращает движение дырок и электронов через переход.
- При обратном смещении P-N переход обычно не проводит ток, за исключением небольшого тока утечки, который вызван минимальной концентрацией неосновных носителей заряда.
Вольт амперная характеристика P-N перехода
Вольт-амперная характеристика (ВАХ) P-N перехода представляет собой график зависимости тока через переход от напряжения, приложенного к нему. ВАХ позволяет оценить, как P-N переход ведет себя при различных режимах работы: прямом смещении и обратном смещении.
Прямое смещение (Forward Bias)
- В начале графика, при нулевом напряжении (или низком напряжении), ток через P-N переход близок к нулю. Это происходит из-за барьера потенциала на P-N границе, который препятствует движению основных носителей заряда через переход.
- При увеличении напряжения в области прямого смещения (напряжение становится положительным на аноде и отрицательным на катоде), барьер потенциала уменьшается, и ток начинает расти. Эта область называется «областью насыщения».
- Далее, при дальнейшем увеличении напряжения, ток растет более линейно, и это соответствует «линейной области».
- В конечном итоге, при высоких напряжениях, ток почти перестает расти, и ВАХ становится горизонтальной. В этой области P-N переход ведет себя как проводник с низким сопротивлением.
Обратное смещение (Reverse Bias)
- При обратном смещении (когда катод подключен к положительному напряжению, а анод к отрицательному), ток через P-N переход обычно остается очень низким (почти нулевым) при нулевом напряжении и начинает медленно увеличиваться при дальнейшем увеличении обратного напряжения.
- Обратное смещение создает барьер потенциала, который затрудняет движение основных носителей заряда в обратном направлении. Таким образом, при обратном смещении P-N переход остается непроводящим или проводит лишь очень небольшой ток утечки.
Следует отметить, что характеристики ВАХ могут различаться в зависимости от различных параметров P-N перехода. Эти параметры включают такие факторы, как типы материалов, концентрацию примесей и размеры перехода. ВАХ P-N перехода имеет решающее значение для понимания его работы в различных режимах и для использования его в электронных устройствах, таких как выпрямители, транзисторы и диоды.
- 15.10.2023
Полупроводники p и n типа: особенности и принцип работы p-n перехода
Статья рассматривает основы полупроводниковой физики, включая типы полупроводников, формирование p- и n-типов полупроводников, а также работу полупроводникового p-n перехода.
Полупроводники p и n типа: особенности и принцип работы p-n перехода обновлено: 30 августа, 2023 автором: Научные Статьи.Ру
Введение
Добро пожаловать на лекцию по полупроводникам! В этой лекции мы рассмотрим основные понятия и свойства полупроводников, а также типы полупроводников и их взаимодействие.
Нужна помощь в написании работы?
Написание учебной работы за 1 день от 100 рублей. Посмотрите отзывы наших клиентов и узнайте стоимость вашей работы.
Полупроводники
Полупроводники – это материалы, которые обладают свойствами проводить электрический ток, но не так хорошо, как металлы, и не так плохо, как изоляторы. Они находят широкое применение в электронике и солнечных батареях.
Основными полупроводниками являются кремний (Si) и германий (Ge). Они обладают четырьмя электронами во внешней оболочке, что позволяет им образовывать кристаллическую структуру.
Полупроводники могут быть разделены на два типа: p-тип и n-тип.
p-тип полупроводников
p-тип полупроводников характеризуется избытком дырок, которые являются положительно заряженными носителями заряда. Дырки образуются, когда электрон из валентной зоны покидает атом, оставляя за собой свободное место. Добавление примеси с трихвалентными атомами, такими как бор (B) или алюминий (Al), в кристаллическую структуру полупроводника создает p-тип полупроводник.
n-тип полупроводников
n-тип полупроводников характеризуется избытком электронов, которые являются отрицательно заряженными носителями заряда. Добавление примеси с пятивалентными атомами, такими как фосфор (P) или арсен (As), в кристаллическую структуру полупроводника создает n-тип полупроводник.
Полупроводниковый p-n переход – это структура, состоящая из p-типа и n-типа полупроводников, которые соединены друг с другом. При таком соединении происходит диффузия носителей заряда через границу между p- и n-типами, что создает электрическое поле и позволяет использовать переход для управления током.
Типы полупроводников
Существует два основных типа полупроводников: p-тип и n-тип. Различие между ними заключается в типе примесей, добавленных в кристаллическую структуру полупроводника.
p-тип полупроводников
p-тип полупроводников характеризуется избытком дырок, которые являются положительно заряженными носителями заряда. Дырки образуются, когда электрон из валентной зоны покидает атом, оставляя за собой свободное место. Добавление примеси с трихвалентными атомами, такими как бор (B) или алюминий (Al), в кристаллическую структуру полупроводника создает p-тип полупроводник.
n-тип полупроводников
n-тип полупроводников характеризуется избытком электронов, которые являются отрицательно заряженными носителями заряда. Добавление примеси с пятивалентными атомами, такими как фосфор (P) или арсен (As), в кристаллическую структуру полупроводника создает n-тип полупроводник.
Важно отметить, что тип полупроводника определяется примесью, добавленной в кристаллическую структуру, а не самим материалом. Например, кремний (Si) может быть использован как основной материал как для p-типа, так и для n-типа полупроводников, в зависимости от добавленной примеси.
Полупроводники p-типа
Полупроводники p-типа – это тип полупроводников, в которых преобладают дырки как основные носители заряда. Дырки – это положительно заряженные носители заряда, которые образуются, когда электрон из валентной зоны покидает атом, оставляя за собой свободное место.
Образование полупроводников p-типа
Для создания полупроводников p-типа в кристаллическую структуру полупроводника добавляют примеси с трихвалентными атомами, такими как бор (B) или алюминий (Al). Эти атомы замещают некоторые атомы в кристаллической решетке полупроводника.
При замещении атома кремния (Si) атомом бора (B), один из электронов валентной зоны кремния переходит на атом бора, создавая дырку в валентной зоне. Таким образом, в полупроводнике p-типа преобладают дырки как основные носители заряда.
Свойства полупроводников p-типа
Полупроводники p-типа обладают следующими свойствами:
- Имеют избыток дырок как основных носителей заряда.
- Дырки движутся в полупроводнике от области с высокой концентрацией дырок к области с низкой концентрацией дырок.
- Полупроводники p-типа обычно имеют положительный заряд.
- Могут использоваться в различных электронных устройствах, таких как транзисторы и диоды.
Полупроводники p-типа играют важную роль в современной электронике и являются основой для создания различных полупроводниковых устройств.
Полупроводники n-типа
Полупроводники n-типа – это тип полупроводников, в которых преобладают электроны как основные носители заряда. Электроны – это отрицательно заряженные носители заряда, которые могут свободно перемещаться в кристаллической решетке полупроводника.
Образование полупроводников n-типа
Для создания полупроводников n-типа в кристаллическую структуру полупроводника добавляют примеси с пятивалентными атомами, такими как фосфор (P) или арсен (As). Эти атомы замещают некоторые атомы в кристаллической решетке полупроводника.
При замещении атома кремния (Si) атомом фосфора (P), пятий электрон фосфора не может полностью участвовать в связи с соседними атомами. Этот свободный электрон становится основным носителем заряда в полупроводнике n-типа.
Свойства полупроводников n-типа
Полупроводники n-типа обладают следующими свойствами:
- Имеют избыток электронов как основных носителей заряда.
- Электроны движутся в полупроводнике от области с высокой концентрацией электронов к области с низкой концентрацией электронов.
- Полупроводники n-типа обычно имеют отрицательный заряд.
- Могут использоваться в различных электронных устройствах, таких как транзисторы и диоды.
Полупроводники n-типа играют важную роль в современной электронике и являются основой для создания различных полупроводниковых устройств.
Полупроводниковый p-n переход
Полупроводниковый p-n переход – это граница между двумя различными типами полупроводников: p-типа и n-типа. Он образуется при соприкосновении полупроводников с разными типами примесей.
Образование полупроводникового p-n перехода
Для создания полупроводникового p-n перехода, в одной части полупроводника добавляют примеси с трехвалентными атомами, такими как бор (B) или галлий (Ga). Эти атомы замещают некоторые атомы в кристаллической решетке полупроводника и создают дефицит электронов.
В другой части полупроводника добавляют примеси с пятивалентными атомами, такими как фосфор (P) или арсен (As). Эти атомы замещают некоторые атомы в кристаллической решетке полупроводника и создают избыток электронов.
При соприкосновении этих двух областей образуется полупроводниковый p-n переход. В этом переходе происходит диффузия электронов из области n-типа в область p-типа и диффузия дырок (дефицит электронов) из области p-типа в область n-типа.
Работа полупроводникового p-n перехода
Полупроводниковый p-n переход имеет важное свойство – он создает барьер потенциала между областями p-типа и n-типа. В области p-типа преобладают дырки, а в области n-типа преобладают электроны.
Когда электроны и дырки диффундируют через переход, они рекомбинируют друг с другом, что приводит к образованию заряженных ионов. Это создает зону без свободных носителей заряда, называемую обедненной зоной или зоной дефицита.
Барьер потенциала в полупроводниковом p-n переходе препятствует дальнейшей диффузии электронов и дырок через переход. Это позволяет использовать полупроводниковый p-n переход в различных электронных устройствах, таких как диоды и транзисторы.
Работа полупроводникового p-n перехода в диоде
В диоде, который является одним из примеров использования полупроводникового p-n перехода, область p-типа называется анодом, а область n-типа – катодом.
Когда на диод подается прямое напряжение (положительный полюс на аноде и отрицательный полюс на катоде), барьер потенциала уменьшается, и электроны и дырки могут свободно диффундировать через переход. Диод становится проводящим и пропускает электрический ток.
Когда на диод подается обратное напряжение (положительный полюс на катоде и отрицательный полюс на аноде), барьер потенциала увеличивается, и диффузия электронов и дырок через переход прекращается. Диод становится непроводящим и не пропускает электрический ток.
Таким образом, полупроводниковый p-n переход в диоде позволяет контролировать поток электрического тока в зависимости от направления поданного напряжения.
Таблица сравнения полупроводников p-типа и n-типа
Свойство | Полупроводники p-типа | Полупроводники n-типа |
---|---|---|
Тип примеси | Акцепторная | Донорная |
Заряд носителей | Дырки | Электроны |
Проводимость | Низкая | Высокая |
Дополнительные электроны/дырки | Мало | Много |
Температурная зависимость | Увеличивается с повышением температуры | Уменьшается с повышением температуры |
Заключение
Полупроводники – это материалы, которые обладают свойствами проводить электрический ток, но не так хорошо, как металлы. Они играют важную роль в современной электронике и технологии. Полупроводники делятся на два типа – p-тип и n-тип, в зависимости от типа примесей, добавленных в материал. При соединении полупроводников p-типа и n-типа образуется полупроводниковый p-n переход, который имеет уникальные свойства и может использоваться в различных устройствах, таких как диоды и транзисторы.
Полупроводники p и n типа: особенности и принцип работы p-n перехода обновлено: 30 августа, 2023 автором: Научные Статьи.Ру