Р-п перехода является границей или интерфейса между двумя типами полупроводниковых материалов , р-типа и N-типа , внутри одного кристалла полупроводника. Сторона «p» (положительная) содержит избыток дырок , в то время как сторона «n» (отрицательная) содержит избыток электронов на внешних оболочках электрически нейтральных атомов . Это позволяет электрическому току проходить через соединение только в одном направлении. Дырочный переход создается путем легирования , например , путем ионной имплантации , диффузии из легирующих примесей , либо путем эпитаксии(выращивание слоя кристалла, легированного одним типом легирующей примеси, поверх слоя кристалла, легированного другим типом легирующей примеси). Если бы использовались два отдельных куска материала, это привело бы к появлению границы зерен между полупроводниками, которая сильно помешала бы его полезности из-за рассеивания электронов и дырок . [ необходима цитата ]
p – n-переходы являются элементарными «строительными блоками» полупроводниковых электронных устройств, таких как диоды , транзисторы , солнечные элементы , светодиоды и интегральные схемы ; они являются активными сайтами, где происходит электронное действие устройства. Например, обычный тип транзистора , транзистор с биполярным переходом , состоит из двух последовательно соединенных p – n переходов в форме n – p – n или p – n – p; в то время как диод может быть сделан из одного pn перехода. Шотки является частным случаем ап-п - перехода, где металл служит роль п-типа полупроводника.
Характеристики
P − n-переход обладает существенными свойствами для современной электроники. Полупроводник, легированный p-примесью, относительно проводящий . То же самое относится и к п-легированный полупроводник, но соединение между ними может стать истощены из носителей заряда , а следовательно , непроводящий, в зависимости от относительных напряжений двух полупроводниковых областей. Управляя этим непроводящим слоем, p – n-переходы обычно используются как диоды : элементы схемы, которые пропускают электрический ток в одном направлении, но не в другом (противоположном) направлении. Смещение - это приложение напряжения к переходу p – n; прямое смещение направлено в направлении легкого протекания тока, а обратное смещение - в направлении небольшого или нулевого тока.
Свойства прямого и обратного смещения p – n перехода предполагают, что он может использоваться в качестве диода . Диод с p – n переходом позволяет электрическим зарядам течь в одном направлении, но не в противоположном; отрицательные заряды (электроны) могут легко проходить через переход от n к p, но не от p к n, и обратное верно для дырок. Когда p − n-переход смещен в прямом направлении, электрический заряд течет свободно из-за пониженного сопротивления p − n-перехода. Однако, когда p – n-переход смещен в обратном направлении, барьер перехода (и, следовательно, сопротивление) становится больше, а поток заряда минимален.
Равновесие (нулевое смещение)
В p-n-переходе без внешнего приложенного напряжения достигается состояние равновесия, при котором на переходе образуется разность потенциалов . Эта разность потенциалов называется встроенным потенциалом. .
На стыке свободные электроны n-типа притягиваются к положительным дыркам p-типа. Они переходят в p-тип, соединяются с отверстиями и нейтрализуют друг друга. Аналогичным образом положительные дырки p-типа притягиваются к свободным электронам n-типа. Дырки диффундируют в n-тип, объединяются со свободными электронами и нейтрализуют друг друга. Положительно заряженные донорные легирующие атомы n-типа являются частью кристалла и не могут двигаться. Таким образом, в n-типе область возле перехода становится положительно заряженной. Отрицательно заряженные акцепторные атомы примеси p-типа являются частью кристалла и не могут двигаться. Таким образом, в p-типе область вблизи перехода становится отрицательно заряженной. В результате появляется область рядом с переходом, которая отталкивает мобильные заряды от перехода через электрическое поле, создаваемое этими заряженными областями. Области вблизи p-n-интерфейса теряют свою нейтральность и большую часть своих мобильных носителей, образуя область пространственного заряда или обедненный слой (см. Рисунок A ).
Электрическое поле , созданное область пространственного заряда противостоит процессу диффузии для электронов и дырок. Есть два параллельных явления: процесс диффузии, который имеет тенденцию генерировать больший объемный заряд, и электрическое поле, создаваемое пространственным зарядом, которое стремится противодействовать диффузии. Профиль концентрации носителей в состоянии равновесия показан на рисунке A синими и красными линиями. Также показаны два уравновешивающих явления, которые устанавливают равновесие.
Область пространственного заряда - это зона с чистым зарядом, обеспечиваемым фиксированными ионами ( донорами или акцепторами ), которые остались незакрытыми из- за диффузии основных носителей заряда . Когда равновесие достигнуто, плотность заряда аппроксимируется отображаемой ступенчатой функцией. Фактически, поскольку ось Y на рисунке A имеет логарифмический масштаб, область почти полностью обеднена основными носителями (оставляя плотность заряда равной чистому уровню легирования), а граница между областью пространственного заряда и нейтральной областью довольно точный (см. рисунок B , график Q (x)). Область пространственного заряда имеет одинаковую величину заряда по обе стороны от p – n-границ раздела, поэтому в этом примере она простирается дальше на менее легированной стороне (n-сторона на рисунках A и B).
Прямое смещение
При прямом смещении p-тип соединен с положительной клеммой, а n-тип подключен к отрицательной клемме.
Эта установка заставляет дырки в области p-типа и электроны в области n-типа подталкиваться к переходу и начинают нейтрализовать зону обеднения, уменьшая ее ширину. Положительный потенциал, приложенный к материалу p-типа, отталкивает дырки, в то время как отрицательный потенциал, приложенный к материалу n-типа, отталкивает электроны. Изменение потенциала между стороной p и стороной n уменьшается или меняет знак. С увеличением напряжения прямого смещения зона обеднения в конечном итоге становится достаточно тонкой, чтобы электрическое поле зоны не могло противодействовать движению носителей заряда через p − n-переход, что, как следствие, снижает электрическое сопротивление. Электроны, которые пересекают p – n-переход в материал p-типа (или дырки, которые проникают в материал n-типа), диффундируют в ближайшую нейтральную область. Величина неосновной диффузии в зонах, близких к нейтральной, определяет количество тока, который может протекать через диод.
Только основные носители (электроны в материале n-типа или дырки в материале p-типа) могут протекать через полупроводник на макроскопическую длину. Имея это в виду, рассмотрим поток электронов через переход. Прямое смещение вызывает силу на электронах, толкающую их со стороны N в сторону P. При прямом смещении область обеднения достаточно узкая, чтобы электроны могли пересекать переход и инжектироваться в материал p-типа. Однако они не продолжают течь через материал p-типа бесконечно, потому что для них энергетически выгодно рекомбинировать с дырками. Средняя длина, которую электрон проходит через материал p-типа до рекомбинации, называется диффузионной длиной , и обычно она составляет порядка микрометров . [1]
Хотя электроны проникают в материал p-типа только на короткое расстояние, электрический ток не прерывается, потому что дырки (основные носители) начинают течь в противоположном направлении. Полный ток (сумма токов электронов и дырок) постоянен в пространстве, потому что любое изменение вызовет накопление заряда с течением времени (это текущий закон Кирхгофа ). Поток дырок из области p-типа в область n-типа в точности аналогичен потоку электронов от N к P (электроны и дырки меняются ролями, и знаки всех токов и напряжений меняются местами).
Следовательно, макроскопическая картина протекания тока через диод включает в себя электроны, текущие через область n-типа к переходу, дырки, протекающие через область p-типа в противоположном направлении к переходу, и два вида носителей, постоянно рекомбинирующие в близость к перекрестку. Электроны и дырки движутся в противоположных направлениях, но они также имеют противоположные заряды, поэтому общий ток идет в одном направлении с обеих сторон диода, как и требуется.
Уравнение диода Шокли моделирует рабочие характеристики p – n-перехода при прямом смещении вне области лавины (проводимости с обратным смещением).
Обратное смещение
Подключение области p-типа к отрицательному выводу источника напряжения и области n-типа к положительному выводу соответствует обратному смещению. Если диод смещен в обратном направлении, напряжение на катоде сравнительно выше, чем на аноде . Поэтому до выхода из строя диода протекает очень небольшой ток. Подключения показаны на схеме рядом.
Поскольку материал p-типа теперь подключен к отрицательному выводу источника питания, « дыры » в материале p-типа отодвигаются от перехода, оставляя заряженные ионы и вызывая увеличение ширины обедненной области . Точно так же, поскольку область n-типа подключена к положительному выводу, электроны отводятся от перехода с аналогичным эффектом. Это увеличивает барьер напряжения, вызывая высокое сопротивление потоку носителей заряда, таким образом позволяя минимальному электрическому току проходить через p – n переход. Увеличение сопротивления p − n-перехода приводит к тому, что переход ведет себя как изолятор.
Напряженность электрического поля зоны обеднения увеличивается с увеличением напряжения обратного смещения. Как только напряженность электрического поля превышает критический уровень, зона истощения p – n-перехода разрушается, и начинает течь ток, обычно в результате процессов стабилизации или лавинного пробоя . Оба этих процесса пробоя являются неразрушающими и обратимыми, пока величина протекающего тока не достигает уровней, которые вызывают перегрев полупроводникового материала и вызывают термическое повреждение.
Этот эффект используется в схемах стабилизаторов на стабилитронах . Стабилитроны имеют низкое напряжение пробоя . Стандартное значение напряжения пробоя составляет, например, 5,6 В. Это означает, что напряжение на катоде не может быть более чем примерно на 5,6 В выше, чем напряжение на аноде (хотя есть небольшое повышение с током), потому что диод выходит из строя. , и, следовательно, проводят, если напряжение становится выше. Это, по сути, ограничивает напряжение на диоде.
Другое применение обратного смещения - это варикап- диоды, где ширина зоны истощения (управляемая напряжением обратного смещения) изменяет емкость диода.
Основные уравнения
Размер области истощения
Для p – n-перехода пусть - концентрация отрицательно заряженных акцепторных атомов и - концентрации положительно заряженных донорных атомов. Позволять а также - равновесные концентрации электронов и дырок соответственно. Таким образом, по уравнению Пуассона:
где это электрический потенциал ,- плотность заряда ,является диэлектрическая проницаемость и - величина заряда электрона.
В общем случае легирующие примеси имеют профиль концентрации, который изменяется с глубиной x, но для простого случая резкого перехода можно считать постоянным на стороне p соединения и нулем на стороне n, и можно считать постоянным на стороне n соединения и равным нулю на стороне p. Позволять - ширина обедненной области на p-стороне и ширина обедненной области на n-стороне. Тогда, поскольку в области истощения должно быть, что
потому что общий заряд на стороне p и n области истощения в сумме равен нулю. Следовательно, позволяя а также представляют всю область истощения и разность потенциалов на ней,
Таким образом, позволяя - полная ширина обедненной области, получаем
можно записать как , где мы разделили разность напряжений на равновесие плюс внешние компоненты. Равновесный потенциал является результатом диффузионных сил, поэтому мы можем вычислитьреализуя соотношение Эйнштейна и предполагая, что полупроводник невырожденный ( т. е. продуктне зависит от энергии Ферми ):
где T - температура полупроводника, а k - постоянная Больцмана . [2]
Ток по региону истощения
Уравнение идеального диода Шокли характеризует ток через p – n переход как функцию внешнего напряжения и условий окружающей среды (температуры, выбора полупроводника и т. Д.). Чтобы увидеть, как это можно вывести, мы должны изучить различные причины тока. По соглашению прямое (+) направление должно быть направлено против встроенного градиента потенциала диода в состоянии равновесия.
- Ток в прямом направлении ()
- Диффузионный ток: ток из-за локального дисбаланса концентрации носителей , через уравнение
- Обратный ток ()
- Ток поля
- Ток генерации
Не выпрямляющие соединения
На приведенных выше диаграммах контакт между металлическими проводами и полупроводниковым материалом также создает переходы металл-полупроводник, называемые диодами Шоттки . В упрощенной идеальной ситуации полупроводниковый диод никогда не будет работать, так как он будет состоять из нескольких диодов, соединенных последовательно спереди назад. Но на практике поверхностные примеси в той части полупроводника, которая касается металлических выводов, значительно уменьшает ширину этих обедненных слоев до такой степени, что переходы металл-полупроводник не действуют как диоды. Эти не выпрямляющие переходы ведут себя как омические контакты независимо от полярности приложенного напряжения.
Производство
Дырочный переход создается путем легирования , например , путем ионной имплантации , диффузии из легирующих примесей , либо путем эпитаксии (выращивание слоя кристалла легированного с одним типом легирующей примеси на верхней части слоя кристалла , допированного другого типа легирующей примеси). Если бы использовались два отдельных куска материала, это привело бы к появлению границы зерен между полупроводниками, которая сильно помешала бы его полезности из-за рассеивания электронов и дырок . [ необходима цитата ]
История
Изобретение p − n-перехода обычно приписывают американскому физику Расселу Олу из Bell Laboratories в 1939 году. [3] Два года спустя (1941) Вадим Лашкарев сообщил об открытии p − n-переходов в фотоэлементах из Cu 2 O и сульфида серебра и селеновые выпрямители. [4]
Смотрите также
- Транзистор с переходом из сплава
- Емкостное профилирование напряжения
- Переходная спектроскопия глубокого уровня
- Делокализованный электрон
- Диодное моделирование
- Полевой транзистор
- n – p – n транзистор
- p – n – p транзистор
- Полупроводниковый детектор
- Полупроводниковый прибор
- Транзисторно-транзисторная логика
Рекомендации
- ^ Крюк, младший; HE Холл (2001). Физика твердого тела . Джон Вили и сыновья. ISBN 978-0-471-92805-8.
- ^ Луке, Антонио; Стивен Хегедус (29 марта 2011 г.). Справочник по фотоэлектрической науке и технике . Джон Вили и сыновья. ISBN 978-0-470-97612-8.
- ^ Риордан, Майкл; Ходдсон, Лилиан (1988). Хрустальный огонь: изобретение транзистора и рождение информационного века . США: WW Norton & Company. С. 88–97. ISBN 978-0-393-31851-7.
- ^ Лашкарев, В.Е. (2008) [1941]. «Исследование барьерного слоя термозондовым методом» (PDF) . Укр. J. Phys . 53 (специальное издание): 53–56. ISSN 2071-0194 . Архивировано из оригинального (PDF) 28 сентября 2015 года.
дальнейшее чтение
- Шокли, Уильям (1949). «Теория pn-переходов в полупроводниках и транзисторы pn-перехода». Технический журнал Bell System . 28 (3): 435–489. DOI : 10.1002 / j.1538-7305.1949.tb03645.x .
Внешние ссылки
- https://www.youtube.com/watch?v=JBtEckh3L9Q Обучающее видео о развязке PN.
- «PN Junction» - PowerGuru, август 2012 г.
- Олав Торхейм, Элементарная физика PN-переходов , 2007.
- Калькулятор свойств PN-перехода
- PN Junction Lab, которую можно бесплатно использовать на сайте nanoHUB.org, позволяет моделировать и изучать диоды с p – n переходом с различными легирующими добавками и материалами. Пользователи также могут рассчитывать выходы вольт-амперные (IV) и емкостные-напряжения (CV).