p-n переход: устройство и принцип работы
Полупроводники занимают промежуточное положение по проводимости электрического тока между диэлектриками и проводниками. Для создания полупроводниковых приборов в основном используют германий, кремний, арсенид галлия и селен.
В проводниках носителями зарядов являются электроны. В
полупроводниках кроме электронов еще есть, так называемые, дырки. Даже
при комнатной температуре некоторые электроны приобретают энергию
достаточную для отрыва от атома и пускаются в свободное плавание. Они так
и называются - свободные электроны.
Дырка - это свободное место в атоме потерявшее электрон. Но на место
дырки может перейти электрон из соседнего атома и уже он становится
"дырявым". Поэтому дырка, как и электрон, будет блуждать по кристаллу
полупроводника.
Если при воздействии на кристалл электрического поля свободные электроны являются электронами проводимости и создают в полупроводнике ток, тогда он будет называться полупроводник с электронной проводимостью, или проводимостью n-типа.
Электропроводность полупроводника, получаемая за счет направленного движения дырок, будет с дырочной проводимостью, или проводимостью р-типа.
Работа полупроводниковых приборов основывается на процессах,
происходящих при соединении полупроводников разной проводимости.
Для их изготовления вводят в чистый полупроводник примеси, которые
делают его с электронной или дырочной проводимостью. Границу между
обогащенными примесями областями кристалла р- и n- типа называют p-n
переходом.
В следствии диффузии некоторые дырки из области р-типа будут
переходить в область n-типа, а свободные электроны в область р-типа (рис.a).
В тонком слое p-n перехода электроны и дырки рекомбинируют, т.е.
произойдет взаимная компенсация зарядов, и поэтому слой будет иметь мало
свободных носителей заряда. Его называют обедненным слоем p-n перехода, который
является запирающим слоем для основных носителей зарядов.
Слой p-n перехода похож на конденсатор у которого заряженные
пластины - это заряженные границы перехода , а диэлектрик - обедненный
слой.
В полупроводнике из германия напряжение на p-n переходе Uпер. достигает
0,25-0,3 вольта, а из кремния - 0,4-0,5 вольт. Между границами p-n перехода возникает
электрическое поле Епер., которое называется потенциальным барьером
(рис.а).
Если подать обратное напряжение Uобр. созданное источником напряжения, на контакты полупроводника
как показано на рис.b, тогда внешнее поле Евн.,,созданное источником напряжения, будет направлено в том же
направлении как и поле p-n перехода Епер. которое заставит электроны и дырки устремятся к
контактам с противоположным потенциалом. Это приведет к тому, что
концентрация зарядов у контактов увеличится, а у p-n перехода уменьшится. За
счет этого потенциальный барьер займет освободившееся место обедненное
зарядами и расширится, что приведет к еще большей блокировке носителей
зарядов.
Однако, даже при таких условиях через барьер p-n перехода будет протекать
незначительный обратный ток Iобр., созданный неосновными
носителями.
При подаче прямого напряжения Uпр.(рис.C)
внешнее поле Евн. будет направлено противоположно полю p-n перехода Епер.
Электроны и дырки, получив дополнительную энергию, начинают
целенаправленно двигаться к p-n переходу, компенсируя заряды на нем. А это
значит, что напряжение на переходе будет уменьшаться и запирающий слой
будет сужаться.
При разности Uпр.-Uпер.=0 p-n переход открывается и в полупроводнике
начинает течь прямой ток Iпр.
Следовательно, p-n переход обладает выпрямительным, или вентильным, свойством, который и используется в полупроводниковых приборах.
| << Предыдущая | Cледующая >> |