p-n-ПЕРЕХО́Д
Рис. 1. Схема p–n-перехода: чёрные кружки – электроны; светлые кружки – дырки.
p — n -ПЕРЕХО́Д (электронно-дырочный переход), область полупроводника, в которой имеет место пространственное изменение типа электрич. проводимости (от электронной n к дырочной p ). Поскольку в р -области p — n -П. концентрация дырок гораздо выше, чем в n -области, дырки из р -области стремятся диффундировать в n -область, а электроны – в р -область. После ухода дырок из р -области в ней остаются отрицательно заряженные акцепторные атомы, а после ухода электронов в n -области остаются положительно заряженные донорные атомы. Т. к. акцепторные и донорные атомы неподвижны, то в области p — n -П. образуется двойной слой пространственного заряда – отрицательные заряды в р -области и положительные заряды в n -области (рис. 1). Возникающее при этом контактное электрич. поле противодействует диффузии свободных носителей заряда через p — n -П. В условиях теплового равновесия при отсутствии внешнего электрич. напряжения полный ток через p — n -П. равен нулю, т. к. в p — n -П. существует динамич. равновесие, при котором небольшой ток, создаваемый неосновными носителями (электронами в р -области и дырками в n -области), течёт к p–n -П. и проходит через него под действием контактного поля; равный по величине ток, создаваемый диффузией осн. носителей (электронов в n -области и дырок в р -области), протекает через p — n -П. в обратном направлении. При этом осн. носителям заряда приходится преодолевать контактное поле (потенциальный барьер). Разность потенциалов, возникающая между p — и n -областями из-за наличия контактного поля ( контактная разность потенциалов , или высота потенциального барьера), обычно составляет десятые доли вольта.
P-N переход в полупроводниках
Существует три вида материалов, подразделяющихся на проводники, диэлектрики и полупроводники. Все эти вещества состоят из атомов. В свою очередь, атом состоит из положительно заряженного ядра и вращающихся вокруг него отрицательно заряженных электронов. Электроны вращаются вокруг ядра по орбитам и сгруппированы в слои. Каждому слою соответствует энергетический уровень.
Содержание скрыть
Модель идеального атома
Если представить изолированный атом, то каждый электрон занимает определенный энергетический уровень. Все атомы одного и того же элемента находятся на большом расстоянии друг от друга и имеют одинаково доступные энергетические уровни. Более подробно о структуре строения атома, образования P-N перехода и работе полупроводниковых приборов можно изучить на курсе электроники .
Модель идеального атома
Взаимодействие атомов в физическом теле
При соединении нескольких атомом вместе образуется твердое тело, и дальние электроны испытывают воздействие не только своего ядра, но и соседнего, а также всех остальных ядер, находящихся рядом. То есть их энергетические уровни смещаются, а чтобы быть одинаковыми, начинают превращаться в ряды близко расположенных, но отдельных энергетических уровней. Таким образом образуются энергетические уровни.
Взаимодействие атомов в твердом теле
Энергетические зоны
Самые отдаленные энергетические уровни от атомов – называются валентными, в них находятся свободные электроны. А уровень более близкий к атому – проводимости. В проводниках валентная зона заполнена частично. Поэтому при небольшом количестве тепловой энергии электроны могут переходить на свободные места.
А при наличии электрического поля переходить с одного энергетического уровня на другой и проводить ток через материал. У проводников валентная зона и зона проводимости перекрывают друг друга, и валентные электроны легко переходят на уровень проводимости.
В диэлектриках валентная зона полностью заполнена. Поэтому при приложении электрического поля электроны не могут перемещаться. Между валентной зоной и зоной проводимости возникает запрещенная зона за счет разницы между энергиями зон валентной и проводимости. У них ширина запрещенной зоны составляет более 6 эВ. Из-за наличия запрещенной зоны электроны не могут перейти на уровень проводимости.
В полупроводниках имеется запрещенная зона, но она сравнительно мала и составляет от 0,5 до 3,0 эВ. Поэтому при обычной температуре у электронов достаточно энергии чтобы перейти на уровень проводимости. Они могут занимать свободные места, которые могут перемещаться и проводить электрический ток.
Энергетические уровни
Структура кристаллической решетки
Чистые полупроводники не используются для создания электронных приборов за счет строения кристаллической решетки. Для достижения функциональности добавляют в их кристаллическую решетку атомы примеси, на котором в дальнейшем будет формироваться P-N переход.
Кристаллическая решетка кремния
Основным полупроводником в электронике является 4-х валентный кремний (Si), имеющий в своей структуре четыре валентных электрона. Кремний используется для создания P-N перехода в современных полупроводниковых приборах.
В кремний добавляют мышьяк (As) в небольшом количестве, имеющий похожую кристаллическую решетку. Такой процесс называется – легированием. Он легко вписывается в структуру кремния, при этом принося один дополнительный электрон на донорский уровень под зоной проводимости.
Структура кремния с донорной примесью
При небольшом количестве тепловой энергии он может переходить в зону проводимости и проводить электрический ток. Данный проводник называется N-типом и он нейтрален. Большинство носителей заряда здесь электроны.
Существует другой тип полупроводников, называемый P-типа. В нем носители заряда положительные “дырки”. Для получения данного типа проводимости в кремний добавляют небольшое количество атомов индия (In). Индий хорошо вписывается в решетку кремния, при этом имеет на один валентный электрон меньше. Поэтому создает пустой акцепторный уровень расположенный выше валентной зоны.
Структура кремния с акцепторной примесью
При небольшом количестве тепловой энергии электроны покидают валентную зону оставляя после себя дырки. Они отвечают за проведение тока в полупроводниках P-типа. Сам материал не имеет заряда.
P-N переход
Если соединить P и N проводники между собой возникает процесс диффузии (проникновение одного вещества в другое). На границе соединения – проводник P-типа становится частично отрицательно заряженным, а проводник N-типа частично положительно заряженным.
В результате чего внутри нейтрального материала возникает электрическое поле. Электроны продолжают диффундировать до тех пор, пока электрическое поле не станет настолько большим, что не позволит им пересекать его. В результате этого создается слой обеднения подвижными носителями заряда (нет электронов в зоне проводимости и дырок в валентной зоне).
Дырки подошедшие к границе P-N перехода со стороны p-области отталкиваются назад положительным зарядом, а электроны из n-области отталкиваются отрицательным зарядом.
Таким образов образуется P-N переход, имеющий слой полупроводника с пониженным содержанием носителей и обедненный слой с высоким электрическим сопротивлением. P-N переход обладает барьерной и диффузионной емкостью.
P-N переход прямое и обратное включение
Если к структуре P-N перехода приложить внешнее напряжение к p-области плюс, а к n-области минус, то дырки отталкиваясь от положительного потенциала внешнего источника, приближаются к границе P-N перехода, сужая его ширину со стороны p-области. Аналогично происходит в n-области.
Потенциальный барьер сужается и через P-N переход начинает протекать электрический ток. С увеличением напряжения величина тока возрастает в P-N переходе, так как он создается основными носителями, а концентрация носителей пополняется внешним источником напряжения. В этом случае P-N переход открывается.
Прямое смещение P-N перехода
При приложении к структуре P-N перехода обратной полярности – к p-области минус, а к n-области плюс; под действием внешнего электрического поля, дырки p-области смещаются к отрицательному потенциалу, а электроны к положительному. Ширина P-N перехода увеличивается, а свободные носители заряда в ней отсутствуют. P-N переход закрывается.
Обратное смещение P-N перехода
Выводы
- P-N переход в полупроводниках образуется при помощи различных примесных веществ, донорного и акцепторного типа.
- Основное свойство P-N перехода заключается в прохождении тока в одном направлении.
- На основании свойств P-N перехода построено множество полупроводниковых приборов, таких как: диод, светодиод, транзистор, стабилитрон, варикап, тиристор, симистор, интегральные микросхемы
- Более подробно о принципе P-N перехода, необходимое напряжение открытия и других характеристиках, вы можете изучить на курсе электроники и схемотехники.
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!
Уроки электроники
Изучение электронной техники полупроводниковых приборов является важным и необходимым условием для успешного ремонта. Успешно освоив уроки электроники, вы научитесь понимать процессы происходящие в полупроводниках. На основании транзисторов построены подавляющее большинство электронных устройств
Содержание скрыть
Полупроводниковые приборы
Для построения электронных схем совместно с пассивными элементами используются полупроводниковые приборы, изготавливаемые из материалов занимающих промежуточные положения между металлами и диэлектриками. Металл проводит электрический ток, а диэлектрик не проводит. Это связано с их химическими свойствами – расположением валентной зоны и зоны проводимости.
Проводимостью элементов является способность вещества пропускать через себя электрический ток. Обозначается буквой G, измеряется в См (сименс), данная величина обратно пропорциональна величине электрического сопротивления.
Полупроводников в природе значительно больше, чем металлов и диэлектриков. К ним относятся Si (кремний), Ge (германий), GaS (арсенид галлия) и др. Полупроводники меняют свои свойства под действием внешних факторов – нагрев, охлаждение, введение различных примесей. Эти свойства используются для изготовления полупроводниковых приборов.
P-N переход
Наиболее распространенным элементом полупроводника является кремний. На уроках электроники изучим кристаллическое строение материалов, подробно разберем что такое P-N переход. Также он называется “электронно-дырочным” переходом. Для работы в полупроводник вводятся примеси.
Существует два вида P-N переходов:
Примесные атомы замещают основные атомы кристаллической решетки.
Граничный слой между двумя областями материалов с разными примесями образуют электрический переход, благодаря диффузии. Этот переход называется P-N переходом. Таким образом, P-N переход – это переход между двумя областями полупроводника, имеющих разный тип проводимости.
При приложении напряжения к P-N переходу “+” к P-области, а “-” к N-области электрический ток будет протекать. В обратном приложении напряжения ток протекать не будет. Это связано с технологией изготовления, а также свойствами полупроводника. На основании работы P-N перехода был изобретен полупроводниковый элемент – Диод. Для полного открытия диода кремниевой структуры необходимо приложить напряжение в прямом смещении 0,65 – 0,7 вольта.
Диод
Уроки электроники направлены на изучение полупроводникового прибора с одним P-N переходом и двумя выводами, который называется диодом. Описанные выше свойства P-N перехода относятся к диоду. Вольт-амперная характеристика диода имеет не линейную зависимость тока от напряжения. Наиболее широкое распространение получили германиевые и кремниевые полупроводниковые приборы.
Диоды классифицируются по:
- назначению
- конструкции
- току
- напряжению
- частоте
- другим параметрам
Существуют различные виды диодов: импульсные, туннельные, выпрямительные и множество других. Выпрямительные используются для выпрямления переменного тока в постоянный. Импульсные применяются для работы в импульсных цепях, обладают низкой емкостью P-N перехода. Туннельные нашли применение в генераторах высокой частоты.
Помимо диодов существуют их разновидности: фотодиоды, светодиоды, стабилитроны.
Стабилитрон – диод Зенера, где напряжение в области электрического пробоя не зависит от тока. Применяются данные приборы для стабилизации напряжения. Светодиоды и фотодиоды имеют эффект оптического излучения в зоне видимого или инфракрасного спектра, применяются для индикации или в системах дистанционного управления.
Диодный мост
Диодный мост состоит из четырех диодов. В диагональ моста подается переменное напряжение. Он предназначен для выпрямления переменного напряжения в постоянное. На выходе моста после выпрямления появляются полупериоды выпрямленного напряжения. Они имеют форму обрезанных синусоид.
На вход подается переменное напряжение положительной полу волны. В этот момент открывается диод VD1, ток через нагрузку протекает в определенном направлении и выходит через диод VD4 в линию сети. При поступлении отрицательной полу волны открывается VD2 и ток через нагрузку протекает в том же направлении как и в первом случае. Уходит в линию через VD3.
Из этого следует, что ток в нагрузке всегда течет в одном направлении. А напряжение на выходе имеет форму, изображенную на графике ниже (U выхода (t)).
Транзистор
Транзистор – полупроводниковый прибор имеющий два и более P-N перехода. Имеет три вывода, предназначен для работы усиления сигналов (аналоговые схемы), ключевых режимах (цифровые схемы), генерирования и преобразования сигналов. Существуют биполярные и полевые транзисторы.
Обозначение выводов биполярных транзисторов:
- База (B)
- Коллектор
- Эмиттер (E)
Обозначение выводов полевых транзисторов:
- Затвор (G)
- Сток (D)
- Исток (S)
Биполярные транзисторы имеют разные структуры проводимости P-N-P и N-P-N.
Данный вид полупроводниковых приборов имеют различные схемы включения в электронных цепях:
- с общей базой (ОБ)
- с общим эмиттером (ОЭ)
- с общим коллектором (ОК)
Названия включения происходит от того электрода биполярного транзистора, который является общим для входной и выходной цепи. Часто встречающаяся схема включения является схема с общим эмиттером.
Полевой транзистор – полупроводниковый прибор. Его работа обусловлена током основных носителей заряда – зарядов одного знака электронов или “дырок”. Данный вид транзисторов имеет следующие преимущества перед биполярными:
- входное высокое сопротивление
- невысокая мощность управления
- низкое сопротивление канала в открытом состоянии (Rds)
- работа при низких температурах
- могут отлично работать на высоких частотах
Данный вид транзисторов делится на транзисторы с управляющим P-N переходом и с изолирующим затвором.
Транзисторы с изолирующим затвором существуют двух видов:
- со встроенным каналом (канал создается в процессе изготовления)
- индуцированным каналом который создается под действием напряжения приложенного к электродам транзистора.
Данный вид транзисторов нашел широкое применение в электронной технике (блоки питания майнеров, сварочные аппараты, LED-подсветка, различные виды памяти и т.д.).
Транзистор с индуцированным каналом
Транзистор с индуцированным каналом имеет следующее строение:
- подложка – пластина слабо легированное кремния. В подложке создаются сильно легированные области с полупроводником.
- сток (D)
- истоком(S)
- затвор (G)
Тиристоры (симисторы) имеют следующие выводы:
- анод
- катод
- управляющий электрод
В настоящее время тиристоры используются преимущественно в силовой электронике, как мощные управляемые коммутаторы силовых электрических цепей.
Тиристоры имеют допустимые значения токов и напряжений, время включения и выключения.
Оптоэлектронные приборы
Уроки электроники посвящены изучению различных элементов полупроводников. Можно заметить, что многие из них могут зависеть от внешних явлений окружающей среды, например – света. Этот раздел изучает оптоэлектроника, т.е. взаимодействие электромагнитных волн с электронами, а также метод создания оптоэлектронных приборов.
Основными элементами оптоэлектроники являются:
- лазеры
- ИК-диоды
- УФ-диоды
- фотодиоды
- фототранзисторы
- оптоволоконные системы
Светодиоды
Светодиоды – диоды содержащие P-N переход. Где при прохождении электрического тока, генерируется оптическое излучение, сопровождающее рекомбинацией носителей. Цвет свечения зависит от примеси полупроводника.
Фоторезисторы – изменяют сопротивление под действием излучения.
Фотодиод – обладает свойством односторонней проводимости, возникшей при воздействии на него оптического излучения. Он используется для преобразования оптического сигнала в электрический.
Фототранзистор – обычно биполярный, управление током коллектора осуществляется на основе фотоэффекта и служит для преобразования световых сигналов в электрические.
Оптрон – прибор состоящий из излучателя света и фотоприемника, взаимодействующих друг с другом, помещенных в одном корпусе.С помощью оптрона осуществляется гальваническая развязка, разделения цепей. Широкое применение нашли в автоматике, блоках питания, в частотных преобразователях и многих других электронных устройствах.
Выводы
- Уроки электроники способствуют пониманию работы элементной базы, что позволяет с уверенностью ремонтировать электронные устройства.
- Принцип действия и алгоритмы диагностики транзисторов и других полупроводниковых приборов изучаем на занятиях по радиотехнике и схемотехнике.
- Читать схемы и разрабатывать электронику возможно, только с уверенным понимаем конструкции полупроводников.