Перекресток P-N

Если блок полупроводника P-типа находится в контакте с блоком полупроводника N-типа на рисунке ниже (а), результат не имеет значения. У нас есть два токопроводящих блока, контактирующих друг с другом, не проявляющих уникальных свойств. Проблема в двух отдельных и разных кристаллических телах. Количество электронов уравновешивается количеством протонов в обоих блоках. Таким образом, ни один блок не имеет чистой платы.

Однако один полупроводниковый кристалл, изготовленный из материала P-типа на одном конце и материала N-типа на другом на рисунке ниже (b), обладает некоторыми уникальными свойствами. Материал P-типа имеет основные положительные носители заряда, дырки, которые могут свободно перемещаться по кристаллической решетке. Материал N-типа имеет подвижные основные отрицательные носители - электроны. Вблизи перехода электроны материала N-типа диффундируют через переход, объединяясь с дырками в материале P-типа. Область материала P-типа рядом с переходом приобретает чистый отрицательный заряд из-за притяжения электронов. Поскольку электроны покидают область N-типа, она принимает локализованный положительный заряд. Тонкий слой кристаллической решетки между этими зарядами был обеднен основными носителями, поэтому он известен как обедненная область . Он становится непроводящим внутренним полупроводниковым материалом. Фактически, мы имеем почти изолятор, разделяющий проводящие области, легированные P и N.

(a) Блоки P и N полупроводников в контакте не имеют эксплуатационных свойств. (б) Монокристалл, легированный примесями P- и N-типа, создает потенциальный барьер.

Это разделение зарядов на PN-переходе представляет собой потенциальный барьер. Этот потенциальный барьер должен быть преодолен внешним источником напряжения, чтобы соединение стало проводящим. Образование стыка и потенциального барьера происходит в процессе производства. Величина потенциального барьера зависит от материалов, используемых в производстве. Кремниевые PN-переходы имеют более высокий потенциальный барьер, чем германиевые переходы.

Смещение PN-перехода

На рисунке ниже (а) батарея расположена так, что отрицательная клемма подает электроны к материалу N-типа. Эти электроны диффундируют к переходу. Положительный вывод удаляет электроны из полупроводника P-типа, создавая дырки, которые диффундируют к переходу. Если напряжение батареи достаточно велико, чтобы преодолеть потенциал перехода (0,6 В в Si), электроны N-типа и P-дырки объединяются, аннигилируя друг друга. Это освобождает пространство внутри решетки, чтобы больше носителей могло течь к стыку. Таким образом, токи основных носителей N-типа и P-типа текут в сторону перехода. Рекомбинация на переходе позволяет току батареи течь через диод PN перехода. Такое соединение называется смещенным вперед . .

(a) Прямое смещение батареи отталкивает носители к стыку, где рекомбинация приводит к току батареи. (b) Обратное смещение батареи привлекает носителей к клеммам батареи, вдали от соединения. Толщина обедненной области увеличивается. Аккумулятор не протекает постоянно.

Если полярность батареи изменена, как показано на рисунке выше (b), большинство носителей притягиваются от соединения к клеммам батареи. Положительный полюс батареи притягивает основные носители N-типа, электроны, от перехода. Отрицательный вывод притягивает основные носители P-типа, дырки, в сторону от соединения. Это увеличивает толщину непроводящей обедненной области. Нет рекомбинации основных носителей; таким образом, нет проводимости. Такое расположение батарейки называется обратным смещением . .

Диод

Условное обозначение диода показано на рисунке ниже (b), что соответствует полосе из легированного полупроводника в точке (a). Диод однонаправленный устройство. Ток течет только в одном направлении, вдоль стрелки, что соответствует прямому смещению. Катод (полоса) символа диода соответствует полупроводнику N-типа. Анод (стрелка) соответствует полупроводнику P-типа. Чтобы запомнить эту связь, N ot-указатель (полоса) на символе соответствует N полупроводник -типа. P ointing (стрелка) соответствует P -тип.

(a) Прямо смещенный PN-переход, (b) Соответствующее схематическое обозначение диода (c) Характеристическая кривая зависимости I от кремниевого диода.

Если диод смещен в прямом направлении, как показано на рисунке выше (a), ток будет немного увеличиваться при увеличении напряжения с 0 В. В случае кремниевого диода измеряемый ток течет, когда напряжение приближается к 0,6 В на рисунке выше (c ). Когда напряжение превышает 0,6 В, ток значительно увеличивается после перегиба. Повышение напряжения значительно выше 0,7 В может привести к появлению достаточно большого тока, чтобы разрушить диод. Прямое напряжение VF является характеристикой полупроводника:от 0,6 до 0,7 В для кремния, 0,2 В для германия, несколько вольт для светоизлучающих диодов (LED). Прямой ток колеблется от нескольких мА для точечных диодов до 100 мА для слабосигнальных диодов и до десятков и тысяч ампер для силовых диодов.

Если диод смещен в обратном направлении, течет только ток утечки собственного полупроводника. Это нанесено слева от начала координат на рисунке выше (c). Для кремниевых малосигнальных диодов в самых экстремальных условиях этот ток будет всего лишь 1 мкА. Этот ток не увеличивается заметно с увеличением обратного смещения до тех пор, пока диод не сломается. При пробое ток возрастает настолько сильно, что диод выйдет из строя, если только высокое последовательное сопротивление не ограничивает ток. Обычно мы выбираем диод с более высоким номинальным обратным напряжением, чем любое приложенное напряжение, чтобы предотвратить это. Кремниевые диоды обычно доступны с номиналами обратного пробоя 50, 100, 200, 400, 800 В и выше. Можно изготавливать диоды с более низким номиналом в несколько вольт для использования в качестве эталонов напряжения.

Ранее мы упоминали, что обратный ток утечки менее мкА для кремниевых диодов был обусловлен проводимостью собственного полупроводника. Это утечка, которую можно объяснить теоретически. Тепловая энергия производит несколько электронно-дырочных пар, которые проводят ток утечки до рекомбинации. На практике этот предсказуемый ток является только частью тока утечки. Большая часть тока утечки происходит из-за поверхностной проводимости, связанной с недостаточной чистотой поверхности полупроводника. Оба тока утечки увеличиваются с повышением температуры, приближаясь к мкА для небольших кремниевых диодов.

Для германия ток утечки на порядки больше. Поскольку германиевые полупроводники сегодня используются редко, на практике это не проблема.

ОБЗОР:

• PN-переходы изготавливаются из монокристаллического куска полупроводника с областями как P-типа, так и N-типа в непосредственной близости от перехода.
• Перенос электронов от N-стороны перехода к дыркам, аннигилированным на P-стороне перехода, создает барьерное напряжение. Это напряжение составляет от 0,6 до 0,7 В в кремнии и зависит от других полупроводников.
• Смещенный в прямом направлении PN-переход проводит ток после преодоления барьерного напряжения. Внешний приложенный потенциал вынуждает основные носители заряда к переходу, где происходит рекомбинация, позволяя току течь.
• PN-переход с обратным смещением почти не проводит тока. Применяемое обратное смещение привлекает большинство носителей заряда от перехода. Это увеличивает толщину непроводящей обедненной области.
• Обратно-смещенные PN-переходы показывают зависящий от температуры обратный ток утечки. В небольших кремниевых диодах это меньше мкА.

СВЯЗАННЫЕ РАБОЧИЕ ТАБЛИЦЫ:

• Рабочий лист соединений PN
• Рабочий лист "Электропроводность в полупроводниках"