Полупроводники p и n типа, p-n переход — справочник студента

Как упоминалось ранее электропроводность полупроводников сильно зависит от концентрации примесей. Полупроводники, электрофизические свойства которых зависят от примесей других химических элементов, называются примесными полупроводниками. Примеси бывают двух видов донорной и акцепторной.

Донорной называется примесь, атомы которой дают полупроводнику свободные электроны, а получаемая в этом случае электропроводность, связанная с движением свободных электронов, — электронной. Полупроводник с электронной проводимостью называется электронным полупроводником и условно обозначается латинской буквой n — первой буквой слова «негативный».

Для сборки радиоэлектронного устройства можно преобрески DIY KIT набор по ссылке.

Рассмотрим процесс образования электронной проводимости в полупроводнике. За основной материал полупроводника возьмём кремний (кремниевые полупроводники самые распространённые). У кремния (Si) на внешней орбите атома есть четыре электрона, которые обуславливают его электрофизические свойства (т.е.

они перемещаясь под действием напряжения создают электрический ток). При введении в кремний атомов примеси мышьяка (As), у которого на внешней орбите пять электронов, четыре электрона вступают во взаимодействие с четырьмя электронами кремния, образуя ковалентную связь, а пятый электрон мышьяка остаётся свободным.

Акцепторной называется примесь, атомы которой принимают электроны от атомов основного полупроводника. Получаемая при этом электропроводность, связанная с перемещением положительных зарядов — дырок, называется дырочной. Полупроводник с дырочной электропроводностью называется дырочным полупроводником и условно обозначается латинской буквой p — первой буквой слова «позитивный».

Рассмотрим процесс образования дырочной проводимости.

при введении в кремний атомов примеси индия (In), у которого на внешней орбите три электрона, они вступают в связь с тремя электронами кремния, но эта связь оказывается неполной: не хватает ещё одного электрона для связи с четвёртым электроном кремния.

Атом примеси присоединяет к себе недостающий электрон от одного из расположенных поблизости атомов основного полупроводника, после чего он оказывается связанным со всеми четырьмя соседними атомами.

Благодаря добавлению электрона он приобретает избыточный отрицательный заряд, то есть превращается в отрицательный ион. В тоже время атом полупроводника, от которого к атому примеси ушёл четвёртый электрон оказывается связанным с соседними атомами только тремя электронами. таким образом, возникает избыток положительного заряда и появляется незаполненная связь, то есть дырка.

Одним из важных свойств полупроводника является то, что при наличии дырок через него может проходить ток, даже если в нём нет свободных электронов. Это объясняется способностью дырок переходить с одного атома полупроводника на другой.

Перемещение «дырок» в полупроводнике

Вводя в часть полупроводника донорную примесь, а в другую часть — акцепторную, можно получить в нём области с электронной и дырочной проводимостью. На границе областей электронной и дырочной проводимости образуется так называемый электронно-дырочный переход.

P-N-переход

Рассмотрим процессы происходящий при прохождении тока через электронно-дырочный переход. Левый слой, обозначенный буквой n, имеет электронную проводимость.

Ток в нём связан с перемещением свободных электронов, которые условно обозначены кружками со знаком «минус». Правый слой, обозначенный буквой p, обладает дырочной проводимостью.

Ток в этом слое связан с перемещением дырок, которые на рисунке обозначены кружками с «плюсом».

Движение электронов и дырок в режиме прямой проводимости Движение электронов и дырок в режиме обратной проводимости.

При соприкосновении полупроводников с различными типами проводимости электроны вследствие диффузии начнут переходить в p-область, а дырки — в n-область, в результате чего пограничный слой n-области заряжается положительно, а пограничный слой p-области — отрицательно.

Между областями возникает электрическое поле, которое является как бы барьеров для основных носителей тока, благодаря чему в p-n переходе образуется область с пониженной концентрацией зарядов. Электрическое поле в p-n переходе называют потенциальным барьером, а p-n переход — запирающим слоем.

Если направление внешнего электрического поля противоположно направлению поля p-n перехода («+» на p-области, «-» на n-области), то потенциальный барьер уменьшается, возрастает концентрация зарядов в p-n переходе, ширина и, следовательно, сопротивление перехода уменьшается.

При изменении полярности источника внешнее электрическое поле совпадает с направлением поля p-n перехода, ширина и сопротивление перехода возрастает. Следовательно, p-n переход обладает вентильными свойствами.

Полупроводниковый диод

Диодом называется электро преобразовательный полупроводниковый прибор с одним или несколькими p-n переходами и двумя выводами. В зависимости от основного назначения и явления используемого в p-n переходе различают несколько основных функциональных типов полупроводниковых диодов: выпрямительные, высокочастотные, импульсные, туннельные, стабилитроны, варикапы.

Основной характеристикой полупроводниковых диодов является вольт-амперная характеристика (ВАХ). Для каждого типа полупроводникового диода ВАХ имеет свой вид, но все они основываются на ВАХ плоскостного выпрямительного диода, которая имеет вид:

Вольт-амперная характеристика (ВАХ) диода: 1 — прямая вольт-амперная характеристика; 2 — обратная вольт-амперная характеристика; 3 — область пробоя; 4 — прямолинейная аппроксимация прямой вольт-амперной характеристики; Uпор — пороговое напряжение; rдин — динамическое сопротивление; Uпроб — пробивное напряжение

Масштаб по оси ординат для отрицательных значений токов выбран во много раз более крупным, чем для положительных.

Вольт-амперные характеристики диодов проходят через нуль, но достаточно заметный ток появляется лишь при пороговом напряжении (Uпор), которое для германиевых диодов равно 0,1 — 0,2 В, а у кремниевых диодов равно 0,5 — 0,6 В.

В области отрицательных значений напряжения на диоде, при уже сравнительно небольших напряжениях (Uобр.) возникает обратный ток (Іобр).

Этот ток создается неосновными носителями: электронами р-области и дырками n-области, переходу которых из одной области в другую способствует потенциальный барьер вблизи границы раздела.

С ростом обратного напряжения увеличение тока не происходит, так как количество неосновных носителей, оказывающихся в единицу времени на границе перехода, не зависит от приложенного извне напряжения, если оно не очень велико.

Обратный ток для кремниевых диодов на несколько порядков меньше, чем для германиевых. Дальнейшее увеличение обратного напряжения до напряжения пробоя (Uпроб) приводит к тому что электроны из валентной зоны переходят в зону проводимости, возникает эффект Зенера. Обратный ток при этом резко увеличивается, что вызывает нагрев диода и дальнейшее увеличение тока приводит к тепловому пробою и разрушению p-n-перехода.

Обозначение и определение основных электрических параметров диодов

Обозначение полупроводникового диода

Как указывалось ранее диод в одну сторону ток проводит (т. е. представляет собой в идеале просто проводник с малым сопротивлением), в другую – нет (т. е. превращается в проводник с очень большим сопротивлением), одним словом, обладает односторонней проводимостью. Соответственно выводов у него всего два. Они как повелось ещё со времён ламповой техники, называются анодом (положительным выводом) и катодом (отрицательным).

Все полупроводниковые диоды можно разделить на две группы: выпрямительные и специальные. Выпрямительные диоды, как следует из самого названия, предназначены для выпрямления переменного тока.

В зависимости от частоты и формы переменного напряжения они делятся на высокочастотные, низкочастотные и импульсные.

Специальные типы полупроводниковых диодов используют различные свойства p-n-переходов; явление пробоя, барьерную емкость, наличие участков с отрицательным сопротивлением и др.

Выпрямительные диоды

Конструктивно выпрямительные диоды делятся на плоскостные и точечные, а по технологии изготовления на сплавные, диффузионные и эпитаксиальные.

Плоскостные диоды благодаря большой площади p-n-перехода используют для выпрямления больших токов. Точечные диоды имеют малую площадь перехода и, соответственно, предназначены для выпрямления малых токов.

Для увеличения напряжения лавинного пробоя используют выпрямительные столбы, состоящие из ряда последовательно включенных диодов.

Кремниевые диффузионные диоды могут работать на повышенной частоте, до 100 кГц. Кремниевые эпитаксиальные диоды с металлической подложкой (с барьером Шотки) могут использоваться на частотах до 500 кГц.

Арсенидгалиевые диоды способны работать в диапазоне частот до нескольких МГц.

Силовые диоды обычно характеризуются набором статических и динамических параметров. К статическим параметрам диода относятся:

• падение напряжения Uпр на диоде при некотором значении прямого тока;
• обратный ток Iобр при некотором значении обратного напряжения;
• среднее значение прямого тока Iпр.ср.;
• импульсное обратное напряжение Uобр.и.;

К динамическим параметрам диода относятся его временные и частотные характеристики. К таким параметрам относятся:

• время восстановления tвос обратного напряжения;
• время нарастания прямого тока Iнар.;
• предельная частота без снижения режимов диода fmax.

Статические параметры можно установить по вольт-амперной характеристике диода.

Время обратного восстановления диода tвос является основным параметром выпрямительных диодов, характеризующим их инерционные свойства. Оно определяется при переключении диода с заданного прямого тока Iпр на заданное обратное напряжение Uобр. Во время переключения напряжение на диоде приобретает обратное значение.

Из-за инерционности диффузионного процесса ток в диоде прекращается не мгновенно, а в течении времени tнар. По существу, происходит рассасывание зарядов на границе p-n-перехода (т. е. разряд эквивалентной емкости). Из этого следует, что мощность потерь в диоде резко повышается при его включении, особенно, при выключении.

Следовательно, потери в диоде растут с повышением частоты выпрямляемого напряжения.

При изменении температуры диода изменяются его параметры. Наиболее сильно от температуры зависят прямое напряжение на диоде и его обратный ток.

Приблизительно можно считать, что ТКН (температурный коэффициент напряжения) Uпр = -2 мВ/К, а обратный ток диодаимеет положительный коэффициент.

Так при увеличении температуры на каждые 10 °С обратный ток германиевых диодов увеличивается в 2 раза, а кремниевых – 2,5 раз.

Диоды с барьером Шотки

Для выпрямления малых напряжений высокой частоты широко используются диоды с барьером Шотки.

В этих диодах вместо p-n-перехода используется контакт металлической поверхности с полупроводником.

В месте контакта возникают обеднённые носителями заряда слои полупроводника, которые называются запорными. Диоды с барьером Шотки отличаются от диодов с p-n-переходом по следующим параметрам:

• более низкое прямое падение напряжения;
• имеют более низкое обратное напряжение;
• более высокий ток утечки;
• почти полностью отсутствует заряд обратного восстановления.

Две основные характеристики делают эти диоды незаменимыми: малое прямое падение напряжения и малое время восстановления обратного напряжения. Кроме того, отсутствие неосновных носителей, требующих время на обратное восстановление, означает физическое отсутствие потерь на переключение самого диода.

Максимальное напряжение современных диодов Шотки составляет около 1200 В. При этом напряжении прямое напряжение диода Шотки меньше прямого напряжения диодов с p-n-переходом на 0,2…0,3 В.

Преимущества диода Шотки становятся особенно заметны при выпрямлении малых напряжений. Например, 45-вольтный диод Шотки имеет прямое напряжение 0,4…0,6 В, а при том же токе диод с p-n-переходом имеет падение напряжения 0,5…1,0 В.

Максимальная рабочая частота диодов Шотки превышает 200 кГц.

Теория это хорошо, но без практического применения это просто слова.Здесь можно всё сделать своими руками.

Источник: https://www.electronicsblog.ru/nachinayushhim/p-n-perexod-i-diod.html

P-N переход: подробно простым языком

P-N переход — точка в полупроводниковом приборе, где материал N-типа и материал P-типа соприкасаются друг с другом. Материал N-типа обычно упоминается как катодная часть полупроводника, а материал P-типа — как анодная часть.

Схема P-N перехода
Обратите внимание на основы электричества и на приборы электроники.

Когда между этими двумя материалами возникает контакт, то электроны из материала n-типа перетекают в материал p-типа и соединяются с имеющимися в нем отверстиями. Небольшая область с каждой стороны линии физического соприкосновения этих материалов почти лишена электронов и отверстий. Эта область в полупроводниковом приборе называется обедненной областью.

Эта обедненная область является ключевым звеном в работе любого прибора, в котором есть P-N переход. Ширина этой обедненной области определяет сопротивление протеканию тока через P-N переход, поэтому сопротивление прибора, имеющего такой P-N переход, зависит от размеров этой обедненной области.

Ее ширина может изменяться при прохождении какого-либо напряжения через этот P-N переход. В зависимости от полярности приложенного потенциала P-N переход может иметь либо прямое смещение, либо обратное смещение.

Ширина обедненной области, или сопротивление полупроводникового прибора, зависит как от полярности, так и от величины поданного напряжения смещения.

Прямой P-N переход

Когда P-N переход прямой (с прямым смещением), то тогда на анод подается положительный потенциал, а на катод — отрицательный. Результатом этого процесса является сужение обедненной области, что уменьшает сопротивление движению тока через P-N переход.

Если потенциал увеличивается, то обедненная область будет продолжать уменьшаться, тем самым еще больше понижая сопротивление протеканию тока.

В конце концов, если подаваемое напряжение окажется достаточно велико, то обедненная область сузится до точки минимального сопротивления и через P-N переход, а вместе с ним и через весь прибор, будет проходить максимальный ток.

Когда P-N переход имеет соответствующее прямое смещение, то он обеспечивает минимальное сопротивление проходящему через него потоку тока.

Прямой P-N переход

Обратный P-N переход

Когда P-N переход обратный (с обратным смещением), то отрицательный потенциал подается на анод, а положительный — на катод.

Это приводит к тому, что в результате обедненная область расширяется, а это вызывает увеличение сопротивления протеканию тока. Когда на P-N переходе создается обратное смещение, то имеет место максимальное сопротивление протеканию тока, а данный переход действует в основном как разомкнутая цепь.

Обратный P-N переход

При определенном критическом значении напряжения обратного смещения сопротивление протеканию тока, которое возникает в обедненной области, оказывается преодоленным и происходит стремительное нарастание тока. Значение напряжения обратного смещения, при котором ток быстро нарастает, называется пробивным напряжением.

Источник: https://www.kipiavp.ru/pribori/pn-perehod.html

P-N переход

Если блок полупроводника P-типа соединить с блоком полупроводника N-типа (рисунок ниже (a)), результат не будет иметь никакого значения.

У нас будут два проводящих блока соприкасающихся друг с другом, не проявляя никаких уникальных свойств. Проблема заключается в двух отдельных и различных кристаллических структурах.

Количество электронов уравновешивается количеством протонов в обоих блоках. Таким образом, в результате ни один блок не имеет какого-либо заряда.

Тем не менее, один полупроводниковый кристалл, изготовленный из материала P-типа с одной стороны и материала N-типа с другой стороны (рисунок ниже (b)), обладает уникальными свойствами. У материала P-типа основными являются положительные носители заряда, дырки, которые свободно передвигаются по кристаллической решетке.

У материала N-типа основными и подвижными являются отрицательные носители заряда, электроны. Вблизи перехода электроны материала N-типа диффундируют через переход, соединяясь с дырками в материале P-типа. Область материала P-типа вблизи перехода приобретает отрицательный заряд из-за привлеченных электронов.

По сути, мы имеем почти изолятор, разделяющий проводящие легированные области P и N типов.

(a) Блоки полупроводников P и N типов при контакте не обладают пригодными для использования свойствами. (b) Монокристалл, легированный примесями P и N типа, создает потенциальный барьер.

Такое разделение зарядов в P-N-переходе представляет собой потенциальный барьер. Этот потенциальный барьер может быть преодолен под воздействием внешнего источника напряжения, заставляющего переход проводить электрический ток.

Формирование перехода и потенциального барьера происходит во время производственного процесса. Величина потенциального барьера зависит от материалов, используемых при производстве.

Кремниевые P-N-переходы обладают более высоким потенциальным барьером, по сравнению с германиевыми переходами.

На рисунке ниже (a) батарея подключена так, что отрицательный вывод источника поставляет электроны к материалу N-типа. Эти электроны диффундируют к переходу.

Положительный вывод источника удаляет электроны из полупроводника P-типа, создавая дырки, которые диффундируют к переходу.

Если напряжение батареи достаточно велико для преодоления потенциала перехода (0,6В для кремния), электроны из области N-типа и дырки из области P-типа объединяются, уничтожая друг друга.

Это освобождает пространство внутри решетки для перемещения в сторону перехода большего числа носителей заряда. Таким образом, токи основных зарядов областей N-типа и P-типа протекают в сторону перехода. Рекомбинация в переходе позволяет току батареи протекать через P-N переход диода. Такое включение называется прямым смещением.

(a) Прямое смещение отталкивает носителей зарядов к переходу, где рекомбинация отражается на токе батареи. (b) Обратное смещение притягивает носителей зарядов к выводам батареи, подальше от перехода. Толщина обедненной области увеличивается. Устойчивый ток через батарею не протекает.

Если полярность батареи изменена на противоположную, как показано выше на рисунке (b), основные носители зарядов притягиваются от перехода к клеммам батареи. Положительный вывод батареи оттягивает от перехода основных носителей заряда в области N-типа, электронов.

Отрицательный вывод оттягивает от перехода основных носителей в области P-типа, дырок. Это увеличивает толщину непроводящей обедненной области. В ней отсутствует рекомбинация основных носителей; и таким образом, отсутствует и проводимость.

Такое подключение батареи называется обратным смещением.

Условное обозначение диода, показанное ниже на рисунке (b), соответствует пластине легированного полупроводника на рисунке (a). Диод представляет собой однонаправленное устройство.

Электронный ток протекает только в одном направлении, против стрелки, соответствующем прямому смещению. Катод, полоса на условном обозначении диода, соответствует полупроводнику N-типа.

Анод, стрелка, соответствует полупроводнику P-типа.

Примечание: в оригинале статьи предлагается алгоритм запоминания расположения типов полупроводника в диоде. Неуказывающая (Not-pointing) часть условного обозначения (полоса) соответствует полупроводнику N-типа. Указывающая (Pointing) часть условного обозначения (стрелка) соответствует P-типу.

(a) Прямое смещение PN-перехода (b) Соответствующее условное графическое обозначение диода

(c) График зависимости тока от напряжения кремниевого диода

Если к диоду приложено прямое смещение (как показано на рисунке (a) выше), при увеличении напряжения от 0 В ток будет медленно возрастать. В случае с кремниевым диодом протекающий ток можно будет измерить, когда напряжение приблизится к 0,6 В (рисунок (c) выше). При увеличении напряжения выше 0,6 В ток после изгиба на графике начнет резко возрастать.

Увеличение напряжения выше 0,7 В может привести к току, достаточно большому, чтобы вывести диод из строя. Прямое напряжение Uпр является одной из характеристик полупроводников: 0,6–0,7 В для кремния, 0,2 В для германия, несколько вольт для светоизлучающих диодов.

Прямой ток может находиться в диапазоне от нескольких мА для точечных диодов до 100 мА для слаботочных диодов и до десятков и тысяч ампер для силовых диодов.

Если диод смещен в обратном направлении, то протекает только ток утечки собственного полупроводника. Это изображено на графике слева от начала координат (рисунок (c) выше). Для кремниевых диодов этот ток в самых экстремальных условиях будет составлять примерно 1 мкА.

Это ток при росте напряжения обратного смещения увеличивается незаметно, пока диод не будет пробит. При пробое ток увеличивается настолько сильно, что диод выходит из строя, если последовательно не включено сопротивление, ограничивающее этот ток.

Обычно мы выбираем диод с обратным напряжением, превышающим напряжения, которые могут быть приложены при работе схемы, чтобы предотвратить пробой диода. Как правило, кремниевые диоды доступны с напряжениями пробоя 50, 100, 200, 400, 800 вольт и выше.

Также возможно производство диодов с меньшим напряжением пробоя (несколько вольт) для использования в качестве эталонов напряжения.

Ранее мы упоминали, что обратный ток утечки до микроампера в кремниевых диодах обусловлен проводимостью собственного полупроводника. Эта утечка может быть объяснена теорией. Тепловая энергия создает несколько пар электрон-дырка, которые проводят ток утечки до рекомбинации.

В реальной практике этот предсказуемый ток является лишь частью тока утечки. Большая часть тока утечки обусловлена поверхностной проводимостью, связанной с отсутствием чистоты поверхности полупроводника.

Для германия ток утечки на несколько порядков выше. Так как германиевые полупроводники сегодня редко используются на практике, то это не является большой проблемой.

Подведем итоги

P-N переходы изготавливаются из монокристаллического куска полупроводника с областями P и N типа в непосредственной близости от перехода.

Перенос электронов через переход со стороны N-типа к дыркам на сторону P-типа с последующим взаимным уничтожением создает падение напряжения на переходе, составляющее от 0,6 до 0,7 вольта для кремния и зависящее от полупроводника.

Прямое смещение P-N перехода при превышении значения прямого напряжения приводит к протеканию тока через переход. Прикладываемая внешняя разность потенциалов заставляет основных носителей заряда двигаться в сторону перехода, где происходит рекомбинация, позволяющая протекать электрическому току.

Обратное смещение P-N перехода почти не создает ток. Прикладываемое обратное смещение оттягивает основных носителей заряда от перехода. Это увеличивает толщину непроводящей обедненной области.

Через P-N переход, к которому приложено обратное смещение, протекает обратный ток утечки, зависящий от температуры. В небольших кремниевых диодах он не превышает микроампер.

Оригинал статьи:

Теги

PN переходОбучениеЭлектронЭлектроника

Источник: https://radioprog.ru/post/120

Что такое P–N переход, объясняем простыми словами

Открытие P-N перехода позволило совершить революцию в современной электронике. Без него мы бы с вами никогда не увидели современные компьютеры, телефоны, телевизоры и другие столь привычные нам гаджеты. Так в чем же его суть? В этой статье я постараюсь вам объяснить все это простыми словами без скучных формул и заумных фраз. Итак, приступим.

Что такое P–N переход

Итак, давайте разберемся в принципе работы:

Как вы знаете, кроме проводников и диэлектриков существуют промежуточные материалы под названием полупроводник. И поначалу было непонятно каким образом их можно использовать, но после того как полупроводник пролегировать, то он обретает довольно интересные свойства.

Первым и самым распространенным полупроводниковым элементом является кремний, которого просто огромное количество на нашей Земле (почти 30 % земной коры состоит из этого элемента).

yandex.ru

Далее идет уже довольно редкий металл как германий (его доля в земной коре порядка 1,5*10-4 %)

yandex.ru

Если тот же самый кремний пролегировать таким элементом как индий, то такой проводник обретает просто уникальные свойства. Если в первом случае у нас с вами появились свободные электроны, то вот во втором варианте получаются положительные свободные заряды.

Парадокс в том, что свободных электронов с положительным зарядом нет. Протоны (положительно заряженные частицы) связаны с нейтронами и являются составными частями ядра атома. То есть они не могут переносить положительный заряд. Получается сам заряд есть, а частиц его переносящих просто нет.

Такие частицы принято называть «дырками» с положительным зарядом. И тот полупроводниковый материал, в составе которого много таких «дырок», называется полупроводником P (Positive — положительный) — типа.

Сам по себе кремний P – типа и N – типа бесполезен, а вот если пластины из данного элемента очень плотно прислонить друг к другу, то как раз в месте соприкосновения и возникает пресловутый P–N переход, который и совершил революцию в современной электронике.

Как работает P – N переход

Итак, если не вдаваться в физику самого процесса, то проще говоря, такой переход обладает односторонней проводимостью. Непонятно? Сейчас объясню на примере.

Давайте возьмем самую обычную воронку:

Если мы с вами будем наливать воду со стороны горлышка, то вся вода довольно легко пройдет через воронку, но стоит нам попробовать налить воду через тонкую часть лейки, то лишь малая часть воды пройдет через нее.

Так и с P–N переходом, если мы к стороне с P – переходом подадим плюс от постоянного источника питания, а на N – переход минус, то ток беспрепятственно пройдет через переход, а вот если мы поменяем плюс и минус местами, то ток не пойдет. прям как в самом обычном диоде.

Чтобы это проверить, давайте проведем небольшой эксперимент: возьмем обычный диод, лампочку на 12 Вольт и блок питания и соберем по данной схеме:

Собрав такую схему и включив источник питания, мы с вами увидим, что лампа горит. А это значит, что нет никакого препятствия для протекания тока, но стоит нам с вами поменять полярность питания и лампочка не загорится.

То есть мы с вами наглядно убедились, что диод, в принцип работы которого заложен P-N переход, при прямом включении пропускает ток, а при обратном нет.

Заключение

Надеюсь теперь вам стало более-менее понятно, что такое P-N переход и как он работает, на рассмотренном примере с обычным диодом. Если вам интересна эта тема, то подпишитесь, чтобы не пропустить свежие публикации и оцените статью лайком. Спасибо за ваше внимание!

Источник: https://zen.yandex.ru/media/id/5aef12c13dceb76be76f1bb1/5c01768bbf228500aa567381

Внутренний и внешний полупроводник: определение, типы p и n

В статье узнаете что такое внешний и внутренний полупроводник, его типы p и n, какие материалы используются для полупроводников и энергетические зоны внешних полупроводников.

Полупроводник, любой из класса кристаллических твердых тел с промежуточной электрической проводимостью между проводником и изолятором. Полупроводники используются в производстве различных видов электронных устройств, включая диоды, транзисторы и интегральные схемы.

Такие устройства нашли широкое применение из-за их компактности, надежности, энергоэффективности и низкой стоимости. В качестве дискретных компонентов они нашли применение в силовых устройствах, оптических датчиках и излучателях света, включая твердотельные лазеры.

Они являются и будут в обозримом будущем ключевыми элементами для большинства электронных систем, обслуживающих приложения для связи, обработки сигналов, вычислений и управления как на потребительском, так и на промышленном рынках.

Полупроводниковые Материалы

Твердотельные материалы обычно группируются в три класса: изоляторы, полупроводники и проводники. (При низких температурах некоторые проводники, полупроводники и изоляторы могут стать сверхпроводниками .

) На рисунке показана проводимости σ (и соответствующие удельные сопротивления ρ = 1 / σ), связанные с некоторыми важными материалами в каждом из трех классов.

Изоляторы, такие как плавленый кварц и стекло, имеют очень низкую удельную проводимость, порядка от 10 -18 до 10 -10 сименс на сантиметр; и проводники, такие как алюминий, имеют высокую проводимость, обычно от 10 4 до 10 6 сименс / см.

 Проводимости полупроводников находятся между этими крайними значениями и обычно чувствительны к температуре, освещенности, магнитным полям и незначительным количествам примесных атомов. Например, добавление около 10 атомов бора (известного как легирующая добавка) на миллион атомов кремния может увеличить свою электрическую проводимость в тысячу раз (частично учитывая большую изменчивость, показанную на предыдущем рисунке).

Изучение полупроводниковых материалов началось в начале 19 века. Элементарные полупроводники — это те, которые состоят из отдельных видов атомов, таких как кремний (Si), германий (Ge) и олово (Sn) в столбце IV и селен (Se) и теллур (Te) в столбце VI периодической таблицы. Однако существуют многочисленные составные полупроводники, которые состоят из двух или более элементов.

 Арсенид галлия (GaAs), например, представляет собой бинарное соединение III-V, которое представляет собой комбинацию галлия (Ga) из столбца III и мышьяка(As) из столбца V. Тройные соединения могут образовываться элементами из трех различных столбцов — например, теллурид индия ртути (HgIn 2 Te 4), соединение II-III-VI.

 Они также могут быть образованы элементами из двух столбцов, таких как арсенид алюминия-галлия (Al x Ga 1 — xAs), который является тройным соединением III-V, где и Al, и Ga взяты из столбца III, а индекс xсвязан к композиции из двух элементов из 100 — процентной Al ( х = 1) до 100 процентов Ga ( х = 0).

Чистый кремний является наиболее важным материалом для применения в интегральных схемах, а бинарные и тройные соединения III-V наиболее важны для излучения света.

Внешние полупроводники

После некоторых экспериментов ученые наблюдали увеличение проводимости полупроводника, когда к нему добавляли небольшое количество примеси. Эти материалы представляют собой внешние полупроводники или примесные полупроводники. Другой термин для этих материалов — «Легированный полупроводник». В качестве примесей используются легирующие примеси.

Важным условием легирования является то, что количество добавляемой примеси не должно изменять решеточную структуру полупроводника. Чтобы достичь этого, размеры атомов легирующей примеси и полупроводника должны быть одинаковыми.

Типы легирующих примесей в внешних полупроводниках

Кристаллы кремния и германия легируются с использованием двух типов легирующих примесей:

1. Пятивалентный (валентность 5); например, мышьяк (As), сурьма (Sb), фосфор (P) и т. д.
2. Трехвалентный (валентность 3); например, индий (In), бор (B), алюминий (Al) и т. д.

Причина использования этих легирующих примесей состоит в том, что они имеют атомы такого же размера, что и чистый полупроводник. И Si, и Ge принадлежат к четвертой группе в периодической таблице.

 Следовательно, выбор допантов из третьей и пятой группы. Это гарантирует, что размер атомов мало чем отличается от четвертой группы. Отсюда и трехвалентный и пятивалентный выбор.

 Эти присадки дают начало двум типам полупроводников:

N тип полупроводника

Когда мы добавляем небольшое количество пятивалентной примеси к чистому полупроводнику, тогда образуется полупроводниковый кристалл, известный как полупроводник N-типа.

Сочетание примеси пятивалентного типа с чистым полупроводником обеспечивает наличие большого количества свободных электронов в полупроводниковом кристалле N-типа. Это означает, что полупроводники N-типа имеют большую концентрацию электронов. Примерами пятивалентных примесей являются мышьяк и сурьма.

Пентавалентные примеси также называют «примесью Донара». Их называют так, потому что они жертвуют / поставляют свободные электроны чистому полупроводнику, чтобы сделать его полупроводником N-типа.

 Их называют полупроводниками N-типа, потому что большинство носителей заряда, присутствующих в полупроводниках этого типа, вызывающих поток тока, являются свободными электронами, которые заряжены отрицательно.

Полупроводник типа P

Когда мы добавляем незначительное количество трехвалентной примеси к чистому полупроводнику, тогда образуется полупроводниковый кристалл, который известен как P-тип полупроводника.

Комбинация трехвалентной примеси с чистым полупроводником обеспечивает наличие большого количества дырок в полупроводниковом кристалле P-типа. Примерами трехвалентных примесей являются галлий и индий. Такие примеси, которые производят полупроводники P-типа, известны как акцепторные примеси, потому что созданные дырки могут принимать электроны.

Трехвалентные примеси также называют «примесью акцептора». Их называют так, потому что они принимают электрон и образуют дыры, чтобы сделать его полупроводником P-типа.

Они называются полупроводниками P-типа, потому что большинство носителей заряда, присутствующих в полупроводниках этого типа, вызывающих протекание тока, представляют собой дырки с положительным зарядом. В противоположность полупроводникам N-типа полупроводники P-типа имеют большую концентрацию дырок, чем концентрацию электронов.

Энергетические зоны внешних полупроводников

В внешних полупроводниках изменение температуры окружающей среды приводит к образованию неосновных носителей заряда. Кроме того, атомы легирующей примеси являются основными носителями. Во время рекомбинации большинство носителей уничтожают большинство этих неосновных носителей. Это приводит к снижению концентрации неосновных носителей.

Следовательно, это влияет на структуру энергетической зоны полупроводника. В таких полупроводниках существуют дополнительные энергетические состояния:

• Энергетическое состояние за счет донорной примеси (ED)
• Энергетическое состояние за счет акцепторной примеси (EA)

Приведенная выше диаграмма энергетических зон относится к полупроводнику Si n-типа. Здесь вы можете видеть, что уровень энергии донора (ED) ниже, чем у зоны проводимости (EC).

 Следовательно, электроны могут перемещаться в зону проводимости с минимальной энергией (~ 0,01 эВ). Кроме того, при комнатной температуре большинство донорных атомов и очень мало атомов Si ионизируются.

 Следовательно, в зоне проводимости больше всего электронов от донорных примесей.

Приведенная выше диаграмма энергетических зон представляет собой полупроводник Si-типа p-типа. Здесь вы можете видеть, что уровень энергии акцептора (EA) выше, чем у валентной зоны (EV). Следовательно, электроны могут перемещаться из валентной зоны на уровень Ea с минимальной энергией. Также при комнатной температуре большинство акцепторных атомов ионизируются.

n e × n h = n i 2

Внутренний Полупроводник

Внутренний полупроводник — это самая чистая форма полупроводника, элементная, без каких-либо примесей. Естественно доступные элементы, такие как кремний и германий, являются лучшими примерами внутреннего полупроводника. Давайте узнаем их более подробно.

Структура решетки элементов внутреннего полупроводника

Их также называют алмазоподобными структурами. В таких структурах каждый атом окружен четырьмя соседними атомами. Теперь и Si, и Ge имеют четыре валентных электрона, и в кристаллической структуре каждый атом делит один из своих валентных электронов с каждым из своих четырех соседей.

Кроме того, он берет один электрон от каждого из своих соседей. Эта общая пара электронов называется ковалентной связью или валентной связью. Вот как структура Si или Ge выглядит в двумерном измерении с акцентом на ковалентную связь:

Также на изображении выше показана структура со всеми неповрежденными связями. Это возможно только при низких температурах. Когда температура увеличивается и больше энергии становится доступным для валентных электронов, они разрушаются, что приводит к увеличению проводимости элемента.

Теперь тепловая энергия ионизирует только несколько атомов. Эта ионизация создает вакансию в связи. Когда электрон с зарядом -q возбуждается за счет тепловой энергии, он освобождается от связи. Это оставляет вакансию там с эффективным зарядом + q. Эта вакансия с эффективным положительным электронным зарядом является дырой.

Дырка также ведет себя как свободная частица, но с положительным зарядом. В собственных полупроводниках число свободных электронов равно числу дырок и называется внутренней концентрацией носителей.

Внутренний полупроводник — движение отверстий

Другое интересное свойство полупроводников состоит в том, что, как и электроны, дырки тоже движутся. Рассмотрим следующее изображение:

На изображении выше вы можете видеть, что электрон, будучи возбужденным из-за тепловой энергии, отрывается от связи, генерируя свободный электрон.

(Место1) В месте, где электрон высвобождается, создается дырка. Теперь представьте, что электрон из Места 2, как показано на рисунке, прыгает в дыру, созданную в Месте 1.

Теперь дыра переместится из Места 1 в Место 2, как показано на рисунке ниже:

Важно отметить, что электрон, освобожденный из Зоны 1, не участвует в движении дыры. Он движется независимо, как электрон проводимости, вносящий вклад в электронный ток (Ie) под воздействием электрического поля. Кроме того, движение дыры на самом деле является движением связанных электронов.

I = Ie + Ih

Еще одна важная вещь, которую следует помнить, это то, что помимо процесса генерации свободных электронов и дырок, процесс рекомбинации происходит одновременно. В этом процессе электроны рекомбинируют с дырками. В состоянии равновесия скорость генерации равна скорости рекомбинации.

Собственный полупроводник при T = 0K

При T = 0K собственный полупроводник будет вести себя как изолятор.

Конструктивно существует небольшая энергетическая щель между валентной зоной и зоной проводимости в полупроводнике. Когда температура низкая, электроны не достаточно возбуждены, чтобы перейти в состояние с более высокой энергией. Изображение ниже объясняет, как при T = 0K электроны остаются в валентной зоне, и движение в зону проводимости отсутствует.

При повышении температуры при Т> 0К некоторые электроны возбуждаются. Эти электроны прыгают от валентности к зоне проводимости. Вот как это будет выглядеть:

Источник: https://meanders.ru/poluprovodnik.shtml

p-n переход

p-n (пэ-эн) переход —  область пространства на стыке двух полупроводников p- и n-типа, в которой происходит переход от одного типа проводимости к другому, такой переход ещё называют электронно — дырочным переходом.

Всего есть два типа полупроводников это p и  n типа. В  n — типе основными носителями заряда являются электроны, а в p — типе основными — положительно заряженные дырки. Положительная дырка возникает после отрыва электрона от атома и на месте него образуется положительная дырка.

Что бы разобраться как работает p-n переход надо изучить его составляющие то есть полупроводник p — типа и n — типа.

Полупроводники p и n типа  изго­тавливаются на основе монокристаллического кремния, имеющего очень высокую степень чистоты, поэтому малейшие примеси (менее 0,001%) су­щественным образом изменяют его электрофизические свойства.

В полупроводнике n типа основными носителями заряда являются электроны. Для получения их используют донорные примеси, которые вводятся в кремний, — фосфор, сурьма, мышьяк.

В полупроводнике p типа основными носителями заряда являются положительно заряженные дырки. Для получения их используют акцепторные примеси — алюминий, бор.

Полупроводник n — типа  (электронной проводимости)

Примесный атом фосфора обычно замещает основной атом в узлах кри­сталлической решетки. При этом четыре валентных электрона атома фосфора вступают в связь с четырьмя валентными электронами соседних четырех атомов кремния, образуя устойчивую оболочку из восьми электронов.

Пятый валентный электрон атома фосфора оказывается слабо связанным со своим атомом и под действием внешних сил (тепловые колебания решетки, внешнее электрическое поле) легко становится свободным, создавая повышенную концентрацию свободных электронов.

Кристалл приобретает электронную проводимость или проводимость n-типа. При этом атом фосфора, лишенный электрона, жестко связан с кристаллической решеткой кремния положи­тельным зарядом, а электрон является подвижным отрицательным зарядом. При отсутствии действия внешних сил они компенсируют друг друга, т. е.

в кремнии n-типа количество свободных электронов проводимости опреде­ляется количеством введенных донорных атомов примеси.

Полупроводник p — типа  (дырочной проводимости)

Атом алюминия, имеющий только три валентных электрона, не может самостоятельно создать устойчивую восьмиэлектронную оболочку с соседними атомами кремния, так как для этого ему необходим еще один электрон, который он отбирает у одного из атомов кремния, находящегося поблизости.

Атом кремния, лишенный электрона, имеет положительный заряд и, так как он может захватить электрон соседнего атома кремния, его можно считать подвижным положительным зарядом, не связанным с кристаллической решеткой, называемым дыркой.

Атом алюминия, захвативший электрон, становится отрицательно заряженным центром, жестко связанным с кристал­лической решеткой. Электропроводность такого полупроводника обусловлена движением дырок, поэтому он называется дырочным полупроводни­ком р-типа.

Страниц: Страница 1, Страница 2

Источник: https://electrikam.com/p-n-perexod/

Что такое P-N переход: объясняю простыми словами

В составе большинства современных электронных устройств обязательно присутствуют особые компоненты, называемые диодами, конденсаторами, транзисторами или микросхемами (фото ниже).

В основу их работа заложены физические процессы, протекающие в зоне контакта двух полупроводников различной проводимости, обозначаемых как P и N. Для понимания сути этих процессов сначала следует разобраться, что собой представляет каждый из этих элементов и как образуются энергетические переходы на границе между ними.

Что это такое

Существующие в природе вещества с точки зрения их электропроводности подразделяются на следующие типы:

• Электрические проводники.
• Изоляторы.
• Полупроводники.

В первых всегда имеется достаточное количество свободных (оторвавшихся от своих атомов) электронов, а во вторых материалах их совсем мало. Поэтому проводники хорошо переносят электрические заряды (пропускают ток); в диэлектриках же при обычных напряжениях этого не наблюдается.

Хорошо известен еще один вид материалов, в которых содержание свободных носителей зарядов в нормальных условиях совсем невелико. Поскольку они все же имеются в наличии в этих элементах – их назвали полупроводниками.

Обратите внимание:Под воздействием света, при нагревании или при добавлении небольшого количества примесей количество свободных частиц в этих материалах возрастает.

Вследствие этого они приобретают свойства проводников электричества.

Принцип работы перехода

В зависимости от типа химической примеси, добавленной в структуру чистого полупроводникового вещества, в нем появляется либо избыток свободных электронов, либо, напротив – их начинает недоставать. На месте отсутствующего носителя образуется так называемая «дырка» в виде лишенного одного электрона атома, по сути представляющая собой положительный заряд.

Материалы, в которых вследствие диффузии появляется избыток дырок называются полупроводниками P типа (positiv), а те, что образуют при этом много электронов – N (negativ) типа.

Особый интерес представляет ситуация, когда из двух типов полупроводниковых материалов образуется контактная зона (так называемый «P-N переход»).

В нормальном состоянии на границе двух материалов из-за взаимной диффузии дырок и электронов в противоположную структуру образуется непроводящий слой (порядок его образования – на фото ниже).

Но если к нему приложить прямое напряжение – оно вызовет перемещение электронных носителей в сторону р-области и такой же поток дырок в зону с избытком электронов.

Поскольку оба эти элемента при преодолении перехода переносят электрический заряд – в цепи начнет течь постоянный ток (фото ниже).

При подаче на переход напряжения противоположной полярности как электроны, так и дырки под воздействием ЭДС оттянутся от него. Поскольку собственных переносчиков электрического заряда в этой области не имеется – ток через него не потечет (или будет микроскопически мал).

Источник: https://zen.yandex.com/media/asutpp.ru/chto-takoe-pn-perehod-obiasniaiu-prostymi-slovami-5dedfd3b5d636200ad8377c1?feed_exp=ordinary_feed&from=channel&rid=886526167.443.1577524045064.13227&integration=publishers_platform_yandex