P-n переход, структура, работа.

Рис.4. Структура p-n перехода.

Основой построения большинства полупроводниковых элементов является p-n переход. Структура перехода условно показана на рис.4. Сущность перехода состоит в том, что полупроводниковый кристалл составлен из двух слоёв, один из которых имеет высокую концентрацию электронов, а концентрация дырок мала. Другой слой имеет обратные концентрации носителей зарядов, т.е. концентрация дырок велика а концентрация электронов мала. Слой, имеющий высокую концентрацию электронов называют n-слой, а другой слой называют p-слой. Крайние поверхности кристалла металлизируют и к ним приваривают выводы. Вывод p-слоя называют анод, а вывод приваренный к n-слою называют катод. Подключение внешнего источника напряжения к выводам диода (p-n перехода) организует его работу.

Если внешний источник напряжения подключить отрицательным полюсом (минусом) к аноду, а положительным полюсом (плюсом) к катоду, то правая обкладка получит отрицательный заряд а левая — положительный. Основные носители зарядов в слоях за счёт электростатической индукции отойдут от границы между слоями (гальванической границы) и сконцентрируются около обкладок. Неосновные носители будут отталкиваться от обкладок, и концентрироваться в области гальванической границы, где будет происходить их аннигилиция (взаимное уничтожение). Таким образом, при таком подключении источника питания в области гальванической границы создается высокоомная зона, и проводимость в p-n переходе отсутствует. Подобное состояние p-n перехода называют обратным смещением, которое характеризуется отсутствием тока образованного основными носителями. Однако часть неосновных носителей в электростатическом поле получает достаточно большую кинетическую энергию, т.е. разгоняется до высокой скорости, которая позволяет им перескочить потенциальный барьер образованный в районе гальванической границы. Эти носители образуют обратный ток, т.е. ток при обратном смещении p-n перехода. Величина этого тока зависит от подвижности неосновных носителей, которая существенно определяется температурой кристалла. Поэтому обратный ток называют тепловым током.

Другое подключение источника напряжения (плюс к аноду и минус к катоду) приводит к следующим процессам. Основные носители зарядов, отталкиваясь от обкладок имеющих обратные по знаку заряды начинают разгоняться, т.е. приобретают кинетическую энергию. Чем длительнее пробег, тем больше энергия. Часть носителей скапливаются в области гальванической границы и образуют объёмный заряд, в котором носители аннигилируют. Большая часть носителей приобретает настолько большую энергию, что преодолевает потенциальный барьер и проходит в противоположную зону. Такой механизм движения носителей зарядов приводит к образованию электрического тока большой величины. Рассмотренное подключение источника напряжения называют прямым смещением p-n перехода.

Какое либо конструктивное оформление p-nперехода называют полупроводниковымдиодом. Для многих маломощных диодов при токе прямого смещения (прямой ток) сотни миллиампер обратный ток не превышает 1мКа.

Таким образом, полупроводниковый диод, представляющий собой p-n переход, обладает односторонней проводимостью. Изображение диода используемое на принципиальных электрических схемах электронных устройств приведено на рис.2 — это стилизованная стрелка, обращённая остриём к n слою (к катоду).