Электронно-дырочный переход P-N переход Электронно-дырочный переход p-n переход

Электронно-дырочный переход (P-N переход) Электронно-дырочный переход (p-n переход) – это тонкий приконтактный слой между двумя областями полупроводникового кристалла, одна из которых имеет электропроводность p-типа (дырочную), другая - n-типа (электронную). Переход получают в едином кристалле при легировании донорной или акцепторной примесями. На границе раздела областей образуется переходный слой из противоположных по знаку пространственных зарядов и устанавливается разность потенциалов, которая называется контактной или, иначе сказать, устанавливается потенциальный барьер, который содержит малое количество носителей заряда и обладает высоким электрическим сопротивлением, поэтому называется запирающим слоем. Электрическое поле, препятствуя диффузии ОНЗ, способствует переходу ННЗ в соседние области: электронов из p-области в n-область и дырок из nобласти в p-область.

Процессы, происходящие в p-n переходе Электрический ток, создаваемый ННЗ, называется тепловым и состоит из двух составляющих: электронной Iоn и дырочной Iop : Iо = Iоn + Iоp Так как ННЗ мало, то и образуемый ими ток невелик. Диффузия ОНЗ в переходе вызывает ток диффузии, направление которого совпадает с направлением диффузии дырок: Iдиф = Ipдиф + Inдиф Тепловой ток по своему направлению противоположен току диффузии, поэтому общий ток перехода: Ip-n = Iдиф - Io (Iдиф считается положительным) Так как Iпр >> Iобр, то можно считать, что p-n переход обладает односторонней проводимостью.

Различают прямое (Uпр) и обратное (Uобр) напряжения. Uпр – это такое, при котором к области «р» приложен положительный потенциал, а к области «n» - отрицательный потенциал. Под его действием ОНЗ устремляются вглубь перехода, уменьшая ширину запирающего слоя, а, следовательно, и сопротивление перехода в прямом направлении. При этом во внешней цепи возникает ток, примерно равный току диффузии: Iпр ≈ Iдиф, создаваемый ОНЗ.

Uобр – это такое, при котором к области «р» приложен отрицательный потенциал, а к области «n» - положительный потенциал – при этом поле, создаваемое внешним напряжением, совпадает с полем перехода. Поля складываются, потенциальный барьер возрастет (Uкн + Uобр), ширина запирающего слоя увеличивается, и ток диффузии уменьшается, т. к. ОНЗ оттягиваются от перехода. Сопротивление перехода в обратном направлении Rобр увеличивается, во внешний цепи возникает ток, по величине сравнимый с тепловым. Iобр ≈ Iо, обусловлен ННЗ.

Зависимость тока перехода от внешнего напряжения называется вольтамперной характеристикой (ВАХ) p-n перехода, которая теоретически имеет вид: Основными свойствами p-n перехода являются: - несимметричная (односторонняя) электропроводность; - зависимость проводимости от внешних факторов (температуры, наличия магнитных и электрических полей, излучения…) - наличие зарядной емкости.

Явление, когда при увеличении обратного напряжения, резко возрастает обратный ток, называется пробоем перехода. Различают электрический и тепловой пробои. Электрический пробой может быть: а) туннельный – наблюдается в очень тонких переходах при обратном напряжении Uобр до 10 В. При этом возникает высокая напряженность электрического поля, под действием которой валентные электроны приконтактного слоя p-области отрываются от атомов и перебрасываются в n-область. б) лавинный – наблюдается в широких переходах, также под действием электрического поля, но здесь основная роль принадлежит ННЗ – они разгоняются и ионизируют атомы, а образовавшиеся новые электроны сталкиваются с соседними атомами и процесс лавинообразно нарастает. Оба электрических пробоя обратимы, протекают без разрушения структуры полупроводников.

Тепловой пробой обусловлен ростом количества НЗ при повышении температуры (5% на 10 С). С увеличением обратного напряжения и тока (Uобр, Iобр) возрастает тепловая мощность, выделяющаяся в p-n переходе, P=Uобр∙Iобр и его температура. Под действием теплоты, ослабевают ковалентные связи, увеличивается количество НЗ. Если мощность превысит максимально допустимую мощность (P>Pпред), процесс термогенерации лавинообразно разрастается, переход разрушается и в кристалле происходит необратимая перестройка структуры. У большинства приборов сигнала наступает электрический пробой, который с увеличением обратного тока (Iобр) переходит в тепловой.