Электрические переходы в полупроводнике,P-n переход, их образование и основные параметры,ВАХ, емкость и пробой р-n перехода кратко

Электрический переход в полупроводнике – это граничный слой между двумя областями полупроводника с различным физическими свойствами.

Различают следующие переходы:

1. Электронно-дырочный или p-n переход - возникает на границе между двумя областями полупроводника с разным типом проводимости.
2. Электронно – электронный (n+-n) и дырочно – дырочный переходы (p+-p) переходы - возникают между областями полупроводника с различной удельной проводимостью. Знаком + - обозначена область, где концентрация свободных носителей заряда выше.

3. Переход на границе металл-полупроводник. Если работа выхода электронов из полупроводника Ап/п меньше работы выхода электронов из металла Ам (Ап/п< Ам), то, такой переход обладает выпрямительными свойствами и используется в диодах Шотки.

lЕсли Ап/п> Ам, то сопротивление перехода оказывается малым независимо от полярности напряжения на нем. Такой переход называется омический контакт, он используется для создания металлических контактов к областям полупроводника.

4. Гетеропереход - возникает между двумя разнородными полупроводниками, имеющими различную ширину запрещенной зоной.

5. Переход на границе металл- диэлектрик- полупроводник (МДП).

Процессы, протекающие в системе МДП, связаны с эффектом электрического поля. Эффект поля состоит в изменении концентрации носителей заряда, а следовательно и проводимости в приповерхностном слое полупроводника под действием электрического поля создаваемого напряжением Е (рис. .).

Основным элементом большинства полупроводниковых приборов, например диодов, является электронно-дырочный переход (р-n-переход).

Р-n переход представляет собой переходный слой lp-n (Рис.1.1), между двумя областями полупроводника с разным типом электропроводности, обедненный свободными носителями заряда со своим диффузионным электрическим полем Едиф, которое возникает за счет контактной разности потенциалов φк, и препятствует диффузии основных носителей заряда, и является ускоряющим для неосновных зарядов.

P-n-переход характеризуется двумя основными параметрами:

1. Об этом говорит сайт https://intellect.icu . контактная разность потенциалов φк, ее называют высотой потенциального барьера. Это энергия, которой должен обладать свободный заряд, чтобы преодолеть потенциальный барьер:

где Na, ND – концентрация акцепторной и донорной примеси; k — постоянная Больцмана; е — заряд электрона; Т — температура;— концентрации акцепторов и доноров в дырочной и электронной областях соответственно; рр и рn — концентрации дырок в р- и n-областях соответственно; ni — собственная концентрация носителей заряда в нелегированном полупроводнике,

jт=кТ/е - температурный потенциал. При температуре Т=270С jт=0.025В, а jк=0,3 - 0,3В для Ge, и jк=0,6 – 0,8В для Si -кремниевого перехода.

2. ширина p-n-перехода lp-n = lp + ln: – это приграничная область, обедненная носителями заряда, которая располагается в p и n-областях:

где ε — относительная диэлектрическая проницаемость материала полупроводника; ε0 — диэлектрическая постоянная свободного пространства.

Толщина электронно-дырочных переходов имеет порядок lp-n =(0,1-10)мкм, она пропорцианальна напряжению на p-n-переходе и обратно пропорцианальна концентрации примесей в p и n областях..

Если , то и p-n переход называется симметричным, если , то и p-n переход называется несимметричным, причем он в основном располагается в области полупроводника с меньшей концентрацией примеси.

Различают три режима работы p-n-перехода

1. Р-n переход в равновесном состоянии: Up-n= φк, (рис. а)

Без внешнего напряжения на р и n областях через p-n-переход течет два тока диффузионной Iдиф и дрейфовой Iдр. Диффузионный ток, создается основными носителями заряда, а дрейфовый ток – неосновными.

В равновесном состоянии сумма диффузионного и дрейфового токов равна нулю:

Это соотношение называют условие динамического равновесия процессов диффузии и дрейфа в изолированном (равновесном) p-n- переходе.

2) Р-n переход смещен в прямом направлении: Up-n= φк-U, (рис. б). Iр-n = Iпр

Инжекция – процесс преобразования основных носителей заряда в неосновные при протекании прямого тока. Ширина p-n- переходе уменьшается:

lp-n ~(φ_к-U)^1/2.

3) Р-n переход смещен в обратном направлении: Up-n= φк+U, (рис.в). Iр-n = Iобр

Вольт-амперная характеристика p–n-перехода – это зависимость тока через переход от приложенного к нему напряжения i=f(u).

Аналитически, при прямом и обратном смещении ВАХ записывают в виде:

Для наглядности ВАХ представляют в виде графиков (рис.1.3).

Если прямую и обратную ветви строить в одном масштабе, то ВАХ p-n перехода имеет вид, как показано на рис. а. Из рисунка четко видно, что p-n переход обладает односторонней проводимостью, т. е. Iпр>>Iобр или Rпр<

Для изучения особенностей прямой и обратной ветви ВАХ их строят в разных масштабах, например, по току масштабы отличаются в тысячу раз.

Из графика видно, что прямая ветвь ВАХ диода на основе кремния смещена вправо, а его обратная ветвь имеет ток много меньше, чем ток диода из германия.

Дифференциальное сопротивление p-n перехода при прямом смещении определяется из соотношения r_диф= φт/I.

Например, при I=1мА и φт=25мВ r_диф=25Ом.

Ёмкости p-n - перехода

Тот факт, что p-n что вблизи p-n-перехода имеются нескомпенсированные электрические заряд свидетельствует о том, что он обладает емкостью. Емкость p-n перехода состоит из двух составляющих -различают барьерную Сбар и диффузионную Сдиф емкости.

а) При обратном смещении преобладает барьерная емкость Сбар>Сдиф.

Она связана с неподвижными ионами примесей, коцентрация которых невелика. Величина этой емкости зависит от величины напряжения U на p-n переходе, от площади перехода П, а также от концентрации примесей.

где –C0 емкость, при , - обратное напряжение,

- зависит от типа p-n перехода (n=1/2 – для резкого, n=1/3 – для плавного перехода),

ε — диэлектрическая проницаемость полупроводникового материала;

П — площадь р-n-перехода.

Модельным аналогом барьерной емкости может служить емкость плоского конденсатора, обкладками которого являются р- и n-области, а диэлектриком служит р-n-переход, практически не имеющий подвижных зарядов. Значение барьерной емкости колеблется от десятков до сотен пикофарад, а изменение этой емкости при изменении напряжения может достигать десятикратной величины.

б) Диффузионная емкость, преобладает (Сдиф>>Сбар) при прямом смещении p-n-перехода.

Она характеризуется накоплением неосновных носителей зарядов вблизи p-n-перехода при протекании прямого диффузионного тока (тока инжекции)

где - время жизни неосновных носителей заряда,

- время, в течение которого протекает прямой ток Iпр.

Значения диффузионной емкости могут иметь порядок от сотен до тысяч пикофарад.

В целом если сравнивать диффузионную и барьрную емкости Сдиф>>Сбар.

Это связано с тем, что диффузионная емкость связана с прямым, диффузионным током (током основных носителей заряда), который может достигать больших величин.

На практике используется барьерная емкость, т.к. диффузионная емкость обладает малой добротностью, поскольку параллельно этой емкости включен p-n переход, смещенный в прямом направлении с малым прямым сопротивлением.

пробой p-n- перехода

Резкое возрастание тока при обратном смещении p-n перехода, называют пробоем p-n-перехода, а напряжение при котором это происходит – напряжением

Он может быть туннельным –кривая 2 или лавинным – кривая 1. Лавинный пробой – возникает за счет лавинного размножения неосновных носителей заряда путем ударной ионизации. Туннельный пробой – возникает за счет перехода электронов из связанного состояния в свободное без сообщения им дополнительной энергии.

2. тепловой –необратимый, приводит к разрушению р-n-перехода - кривая 3.

Дополнительные материалы

Вау!! 😲 Ты еще не читал? Это зря!

• Полупроводниковые приборы
• Полупроводниковое устройство
• Диод
• Транзистор
• Микросхема