Напівпровідники p і n типу, p-n перехід

Напівпровідники n типу

Внесення в напівпровідник домішок істотно впливає на поведінку електронів і енергоуровні спектра кристала. Валентні електрони домішкових атомів створюють енергетичні рівні в забороненій зоні спектра. Наприклад, якщо в решітці германію один атом заміщений пятивалентного атомом фтору, то енергія додаткового електрона стане менше, ніж енергія, яка відповідає нижній межі зони провідності. Енергетичні рівні подібних домішкових електронів перебувають нижче дна зони провідності. Ці рівні заповнені електронами називають донорними. Для перекладу електронів з донорних рівнів в зону провідності необхідна енергія менше, ніж у чистого напівпровідника. Після того як електрони перекинуті в зону провідності з донорних рівнів, кажуть, що в напівпровіднику з'явилася провідність n-типу. Напівпровідники з донорной домішкою називають електронними (донорними) або напівпровідниками n-типу (negative - негативний). Електрони в напівпровідниках n - типу служать як основні носії заряду, дірки - неосновними. Енергетична діаграма такого напівпровідника зображена на рис.1.

Напівпровідники p типу

У напівпровіднику, який містить акцепторну домішка, електрони досить легко переходять з валентної зони на акцепторні рівні. У такій ситуації в валентної зоні з'являються вільні дірки. Число дірок в даному випадку істотно більше, ніж вільних електронів, які утворилися при переході з валентної зони в зону провідності. У даній ситуації дірки - основні носії заряду, електрони - неосновні. Провідність напівпровідника, який включає акцепторну домішка, носить дірковий характер, сам провідник при цьому називається дірковим (акцепторні) або напівпровідником p-типу (positive - позитивний). Енергетична діаграма напівпровідника p-типу приведена на рис.2.

Вирішуємо контрольні з усіх предметів. 10 років досвід! Ціна від 100 руб. термін від 1 дня!

Напишемо недорого і точно в строк! Більш 50 000 перевірених фахівців

Акція! Даруємо 100 руб.
на перше замовлення!

від 200 руб / від 2х годин

від 350 руб / від 2х годин

від 50 руб / від 2х годин

p-n перехід

p-n перехід створюють у природному полупроводнике легированием донорними і акцепторними домішками по різні боки від кордону розділу. При цьому область, в яку вводилися донорні домішки стає n-областю з електронною провідністю, область в яку ввели акцепторні домішки - p-областю з переважною доречнийпровідністю.

Так як в n- області концентрація електронів більше (в порівнянні з концентрацією дірок), а в p- області навпаки, то електрони дифундують з n- області, в p- область, а дірки в зворотному напрямку. В результаті в n- області виникає позитивний заряд, а в p- області негативний З'являється таким чином, різниця потенціалів і електричне поле намагаються уповільнити дифузію позитивних і негативних зарядів. При певній напрузі виникає рівновага. Так як заряд електрона менше нуля, то зростання потенціалу веде до зменшення потенційної енергії електронів і зростання потенційної енергії дірок. Як наслідок зростання потенціалу n- області потенційна енергія електронів в цій області зменшується, а в p- області збільшується. З потенційною енергією дірок справа йде навпаки. Характер зміни електричного потенціалу збігається з характером зміни потенційної енергії дірок.

Вирішуємо контрольні з усіх предметів. 10 років досвід! Ціна від 100 руб. термін від 1 дня!

Отже, виникає потенційний бар'єр, який протистоїть потоку дифузії електронів і дірок з боку переходу з їх більшою концентрацією, тобто натиску електронів з боку n- області і натиску дірок з p- області. Цей потенційний бар'єр зростає до величини, при якій з'являється на переході електричне поле породжує такі струми з носіїв заряду, які повністю компенсують дифузійні потоки. Так досягається стаціонарний стан.

Електрони і дірки в зоні провідності напівпровідників мають кінцевий час життя. Дірки, які потрапили з p- області в n- область дифундують в ній протягом деякого часу, а потім анігілюють з електронами. Так само поводяться електрони, які потрапили з n- області в p- область. Отже, концентрація надлишкових дірок в n- області і концентрація електронів в p- області зменшується (по експоненті) при видаленні від кордону переходу.

[Примітка] Зазвичай енергія Фермі p і n- областей напівпровідників відрізняється приблизно на 1еВ. Значить, різниця потенціалів, яка з'являється на переході і вирівнює енергії Фермі по різні боки переходу, має величину порядку 1В.

Електричний струм, через p-n перехід

Припустимо, що напруга докладено так, що у n- області потенціал має знак мінус, з боку p- області - плюс. Потенційний бар'єр в такому випадку, для основних носіїв струму зменшаться. Отже, сила струму основних носіїв зростає. Сила струму неосновних носіїв майже не змінюється, так як дифузний струм визначено концентрацією носіїв заряду і не залежить від прикладеної різниці потенціалів.

Якщо зовнішня напруга докладено так, що у n- області потенціал більше нуля, а з боку p- області менше нуля, то для основних носіїв струму потенційні бар'єри збільшуються. Тоді струм основних носіїв майже дорівнює 0. Струм неосновних носіїв не змінюється. Якщо струм в напрямку від n- області до p-області не тече, то такий напрямок називають запірним. Зворотній напрямок називають прохідним.

Перехід метал - напівпровідник має здатність пропускати струм в одному напрямку і не пропускати в іншому. Причому, напівпровідник може бути будь-якого типу. Це явище пов'язане з тим, що будь-який напівпровідник по відношенню до металу дуже бідний вільними електронами. У разі переходу метал - провідник, прохідним напрямком буде напрямок від напівпровідника до металу.

p-n перехід діє як діод, так як має односторонню провідність. Найбільш часто вживаними матеріалами для створення p-n переходів служать германій і кремній. У германію концентрація основних носіїв більше, ніж у кремнію, більше їх рухливість. Через це провідність p-n переходів в германии в прохідному напрямку істотно більше, ніж у кремнію, але відповідно більше зворотний струм. Кремній же можна використовувати в широкому діапазоні температур.

Завдання: Вольт - амперна характеристика для p-n переходу в кремній зображена на рис. 3. p-n переходу для германію на рис. 4. Порівняйте їх, поясніть відмінності.

Вольтамперная характеристика p-n переходу показує, перехід має односторонню провідність, а саме проводить струм в напрямку з області p в область n. (Позитивні значення напруга U відповідають зміни потенціалу на переході від p області до n області).

Можливою причиною відмінностей вольтамперної характеристики кремнію (рис.3) від вольтамперної характеристики германію є низька концентрація неосновних носіїв в кремнії. Виходить при невеликих прикладених напругах щільність струму (j) неосновних носіїв дуже мала і тільки при U = 0,6B сила струму починає рости по експоненті (у германію це відбувається при U = 0 B).

Завдання: Що таке тунельний ефект?

При великій концентрації атомів домішки в напівпровідниках відбувається розширення домішкових рівнів. Рівні перекривають кордон між зонами. Як результат - рівень Фермі потрапляє всередину або проводить, або валентної зони. При відсутності зовнішнього напруги енергії Фермі по різні боки переходу однакові. При сильному легуванні перехід стає вузьким, концентрація неосновних носіїв мала.

Якщо прикласти зовнішню напругу в прохідному напрямку, то з'являється невеликий діодний струм. Але, так як по різні боки переходу, який ділиться потенційним бар'єром енергії носіїв рівні, виникає так званий тунельний ефект Носії проходять через потенційний бар'єр без зміни енергії. Через це через потенційний бар'єр тече значний струм. При збільшенні напруги енергія електронів в n-області зростає, в p --області зменшаться, при цьому область перекриття домішкових рівнів стає менше. Як наслідок, зменшується сила струму. (Максимум струму досягається, коли зони перекривають один одного найбільшим чином). У той момент, коли домішкові зони зсуваються відносно один одного настільки, що кожній з них на іншій стороні переходу протистоїть заборонена зона, тунелюватись припиняється. При цьому сила струму через перехід зменшується. При високій напрузі зони провідності n і p областей виявляються на одному рівні, виникає звичайний діодний струм. Сила струму знову зростає. В інтервалі від першого максимуму струму до наступного за ним мінімуму тунельний діод проявляє ефект негативного опору, коли збільшення напруги веде до зменшення сили струму. Рис.5 Вольт - амперна характеристика тунельного діода.

Вирішуємо контрольні з усіх предметів. 10 років досвід! Ціна від 100 руб. термін від 1 дня!

Напишемо недорого і точно в строк! Більш 50 000 перевірених фахівців

Акція! Даруємо 100 руб.
на перше замовлення!

від 200 руб / від 2х годин

від 350 руб / від 2х годин

від 50 руб / від 2х годин

Дізнайся вартість написання роботи на замовлення

Інші статті по темі

Виконання будь-яких типів робіт з фізики

Працюємо по буднях з 10:00 до 20:00