Электронно-дырочный p-n переход

Рассмотрим плоскую модель образования p- n- перехода:

Пусть 2 части монокристалла полупроводника i - типа легированы каждая акцепторними и донорными примесями в одинаковых концентрациях.

При этом образовалось 2 области соответственно с p- и n-проводимостями и с четким разделом между ними. Это металлургическая граница- R.

В силу создавшейся разности концентраций начинается диффузия ОНЗ через металлургическую границу, в область с меньшей их концентрацией, где они станут ННЗ. После ухода дырки из р области в ней остается отрицательный ион акцепторной примеси. После ухода электрона и n-области в ней остается положительный йон донорной примеси. Ионы примеси неподвижны, удерживаются силами кристаллической решетки.

По мере диффузии количество разнополярных ионов с обеих сторон R будет увеличиваться и т.о. будет увеличиваться электрическое поле, а значит будут увеличиваться силыа поля. и _, воздействующие соответственно на положительные и отрицательные СНЗ. Силы поля противоположны силам диффузии. В результате количество ОНЗ, способных преодолеть силы поля, с течением времени будет уменьшаться.

. Однако для ННЗ силы поля способствуют их переходу через R, пройдя которое они смогут рекомбинировать, а значит восстановить ион примеси, что вызывает уменьшение количества ионов. С течением времени устанавливаеться термодинамическое равновесие (количество ОНЗ, преодолевших металлургическую границу, в среднем равно количеству ННЗ)

Вблизи R происходит усиленная рекомбинация и там СНЗ оказывается мало. Эта часть монокристалла обладает повышенным R, по сравнению с периферийными.

p- n- переход- это:

Область монокристалла полупроводника с обеих сторон металлургической границы, образованная 2- я слоями разнополярных неподвижных ионов примеси, в которой происходит усиленнная рекомбинация, и обладающяя благодаря усиленной рекомбинации повышенным по сравнению с периферийными областями сопротивлением.

D - ширина p- n перехода

d=d_n+ d_p

Если N_A= N_D , то d_p = d_n

Если N_A> N_D , то d_p < d_n

В целом монокристалл остается нейтральным, а I через R равен 0.

I_L = I_Lp+ I_Ln ток диффузии (ОНЗ)

I_σ = I_{σ p}+I_{σ n} ток дрейфа (ННЗ)

I_L = I_σ или I_L- I_σ = 0

P-N переход в кристалле, на который не подано внешнее U, называется равновесным и напряженность электрического поля в нем обозначают нулем (E₀)

При ↑ tє увеличивается концентрация ННЗ, уменьшается количество ионов, уменьшается d, уменьшается ∆φ₀ (потенциальный барьер), уменьшается E₀ и уменьшается R, ↑ I_σ , а I_L остается приблизительно постоянным.

При дальнейшем ↑tє переход может исчезнуть.

При N_A =N_D , d_p =d_n - несимметричный переход

При N_A=N_D , d_p =d_n -симметричный переход

Если N_A>N_D , то d_p <d_n - несимметричный переход

Влияние внешнего напряжения на p- n- переход

Подача внешнего напряжения на p- n- переход меняет его параметры.

Внешнее напряжение может быть подано в прямом или обратном направлении.

Если к p- области прикладываем более положительный потенциал, чем к n- области, то U_пр.(прямое), и говорят, что переход смещен в прямом направлении.

Иначе- будет U_обр.(обратное), а переход будет обратносмещенным.

П ри U_пр. возникает^- E_вн. (внешнее поле), вектор напряженности у него направлен противоположно E₀ (полю перехода)

E _пр= E₀ - E_вн

E_пр< E₀ → ↑I_L→ ↑I_пр=↑I_L-I_σ, I_σ≈const

I_пр увеличевается значительно, т.к. ОНЗ очень много и увеличилась возможность их диффузии.

I_σ≈остался const, т.к. при t=const концентрация ННЗ практически неизменна.

Ток возрос, а R уменшилось

уменьшаетсяR_{p-n пр.}

d_пр.< φ₀

∆ d_пр.<∆ φ₀

П ри U_обр E_обр=E₀+ E_вн

Поле противодействует движению ОНЗ и это противодействие настолько сильно, что

U_обр≈0,2 В, I_l→0

I_обр= I_L-I_σ ;(I_l→0), I_обр→-I_σ

Ток меняет направление , но его значение мало

R_{p-n обр.}>>R₀

d_обр.> d₀

∆φ_обр.>∆ φ₀

ВАХ p- n- переход и диода

ВАХ идеального p- n- перехода:

Под идеальным p- n- переходом понимают бесконечно тонкий p- n- переход, занимающий весь монокристалл (нет периферийных областей)

Полупроводниковые диоды- это полупроводниковые приборы, выполненные на основе монокристалла полупроводника с несимметричным p- n переходом, снабженные контактами для соединения с внешней цепью и помещенные в защитный корпус.

При изготовлении в одну область добавили больше примесей, чем в другие. Область с более высокой концентрацией примеси называется эмиттером , с меньшей - базой.

Переход образуется в основном за счет тела базы.

R_{тела базы}>>R_{тела эмиттера}

Представим реальный диод схемой замещения с идеальным p- n- переходом

U_p-n = U_пр - I₁ (r_э + R_Б), U_пр=U_1, I₁ (r_э + R_Б)=∆U

↑U_обр=>↑P=U_обрI_обр;(↑U_обр)=> ↑tє=>↑ННЗ (т.к. поле ускоряющее)=>↑I_Б=>↑I_обр