P – n переход - P–n junction

P – n переход. Отображается символ схемы: треугольник соответствует стороне p.

А p – n переход граница или граница между двумя типами полупроводниковые материалы, р-тип и n-тип, внутри одного кристалл полупроводника. Сторона "p" (положительная) содержит избыток дыры, а сторона "n" (отрицательная) содержит избыток электроны во внешних оболочках электрически нейтрального атомы там. Это позволяет электрическому току проходить через соединение только в одном направлении. Соединение p-n создается допинг, например, ионная имплантация, распространение из присадки, или эпитаксия (выращивание слоя кристалла, легированного одним типом легирующей добавки, поверх слоя кристалла, легированного другим типом легирующей примеси). Если бы использовались два отдельных куска материала, это привело бы к граница зерна между полупроводниками, что серьезно снизит его полезность из-за рассеяние электроны и дыры.^{[нужна цитата ]}

p – n-переходы являются элементарными "строительными блоками" полупроводниковые электронные устройства Такие как диоды, транзисторы, солнечные батареи, Светодиоды, и интегральные схемы; они являются активными сайтами, где происходит электронное действие устройства. Например, распространенный вид транзистор, то биполярный переходной транзистор, состоит из двух последовательно соединенных p – n переходов в форме n – p – n или p – n – p; в то время как диод может быть сделан из одного p-n перехода. А Перекресток Шоттки представляет собой частный случай p − n-перехода, в котором металл играет роль полупроводника n-типа.

Характеристики

Изображение кремний атомы (Si) увеличились примерно в 45000000 раз.

P − n-переход обладает существенными свойствами для современной электроники. Полупроводник с примесью p-типа относительно проводящий. То же самое и с n-легированным полупроводником, но переход между ними может стать истощенный из носители заряда, и, следовательно, непроводящие, в зависимости от относительных напряжений двух полупроводниковых областей. Управляя этим непроводящим слоем, p – n-переходы обычно используются в качестве диоды: элементы схемы, обеспечивающие поток электричество в одном направлении, но не в другом (противоположном) направлении. Предвзятость - приложение напряжения к p – n переходу; прямое смещение находится в направлении легкого течения, и обратное смещение находится в направлении слабого тока или отсутствия тока.

Свойства прямого и обратного смещения p − n-перехода предполагают, что он может использоваться в качестве диод. Диод с p – n переходом позволяет электрическим зарядам течь в одном направлении, но не в противоположном; отрицательные заряды (электроны) могут легко проходить через переход от n к p, но не от p к n, и обратное верно для дырок. Когда p − n-переход смещен в прямом направлении, электрический заряд течет свободно из-за пониженного сопротивления p − n-перехода. Однако, когда p – n-переход смещен в обратном направлении, барьер перехода (и, следовательно, сопротивление) становится больше, а поток заряда минимален.

Равновесие (нулевое смещение)

В p − n-переходе без внешнего приложенного напряжения достигается состояние равновесия, в котором разность потенциалов образует поперек стыка. Эта разность потенциалов называется встроенный потенциал ${ displaystyle V _ { rm {bi}}}$ .

На стыке свободные электроны n-типа притягиваются к положительным дыркам p-типа. Они переходят в p-тип, соединяются с отверстиями и нейтрализуют друг друга. Аналогичным образом положительные дырки p-типа притягиваются к свободным электронам n-типа. Дырки диффундируют в n-тип, объединяются со свободными электронами и нейтрализуют друг друга. Положительно заряженные донорные атомы легирующей примеси n-типа являются частью кристалла и не могут двигаться. Таким образом, в n-типе область возле перехода становится положительно заряженной. Отрицательно заряженные акцепторные атомы примеси p-типа являются частью кристалла и не могут двигаться. Таким образом, в p-типе область вблизи перехода становится отрицательно заряженной. Результатом является область рядом с переходом, которая отталкивает мобильные заряды от перехода через электрическое поле, которое создают эти заряженные области. Области вблизи p − n-интерфейса теряют свою нейтральность и большую часть своих мобильных носителей, образуя область пространственного заряда или же слой истощения (видеть рисунок А ).

Рисунок А. P – n-переход в тепловом равновесии с приложенным напряжением нулевого смещения. Концентрации электронов и дырок показаны синими и красными линиями соответственно. Серые области нейтральны к заряду. Светло-красная зона заряжена положительно. Голубая зона заряжена отрицательно. Внизу показано электрическое поле, электростатическая сила, действующая на электроны и дырки, а также направление, в котором диффузия имеет тенденцию перемещать электроны и дырки. (Кривые логарифмической концентрации должны быть более плавными с наклоном, изменяющимся в зависимости от напряженности поля.)

В электрическое поле Созданная областью пространственного заряда препятствует процессу диффузии как для электронов, так и для дырок. Есть два параллельных явления: процесс диффузии, который имеет тенденцию генерировать больший объемный заряд, и электрическое поле, создаваемое пространственным зарядом, которое стремится противодействовать диффузии. Профиль концентрации носителей в состоянии равновесия показан на рисунок А с синими и красными линиями. Также показаны два уравновешивающих явления, которые устанавливают равновесие.

Рисунок Б. P – n-переход в тепловом равновесии с приложенным напряжением нулевого смещения. Под переходом представлены графики плотности заряда, электрического поля и напряжения. (Кривые логарифмической концентрации должны быть более плавными, как и напряжение.)

В область пространственного заряда - зона с чистым зарядом, обеспечиваемым фиксированными ионами (доноры или же акцепторы ), которые остались раскрытый к основной оператор диффузия. Когда равновесие достигнуто, плотность заряда приблизительно равна отображаемой ступенчатой функции. Фактически, поскольку ось Y на рисунке A имеет логарифмический масштаб, область почти полностью обеднена основными носителями (оставляя плотность заряда равной чистому уровню легирования), а граница между областью пространственного заряда и нейтральной областью довольно резкий (см. рисунок B, График Q (x)). Область пространственного заряда имеет одинаковую величину заряда по обе стороны от p – n-границ раздела, поэтому в этом примере она простирается дальше на менее легированной стороне (n-сторона на рисунках A и B).

Прямое смещение

При прямом смещении p-тип соединен с положительной клеммой, а n-тип подключен к отрицательной клемме.

Работа PN-перехода в режиме прямого смещения, показывающая уменьшение ширины обеднения. Панели показывают диаграмма энергетических зон, электрическое поле, и чистая плотность заряда. И p, и n-переходы легированы при концентрации 1e15 / см3 (0,00016C / см³) уровень легирования, приводящий к встроенному потенциалу ~ 0,59 В. Об уменьшении ширины обеднения можно судить по сокращающемуся профилю заряда, так как при увеличении прямого смещения обнажается меньше легирующих примесей. Обратите внимание на разные квазиуровни Ферми для зоны проводимости и валентной зоны в n- и p-областях (красные кривые)

Если аккумулятор подключен таким образом, дыры в области p-типа и электроны в области n-типа подталкиваются к стыку и начинают нейтрализовать зону обеднения, уменьшая ее ширину. Положительный потенциал, приложенный к материалу p-типа, отталкивает дырки, а отрицательный потенциал, приложенный к материалу n-типа, отталкивает электроны. Изменение в потенциал между стороной p и стороной n уменьшается или меняет знак. С увеличением напряжения прямого смещения зона обеднения в конечном итоге становится достаточно тонкой, чтобы электрическое поле зоны не могло противодействовать движению носителей заряда через p – n-переход, что, как следствие, снижает электрическое сопротивление. Электроны, которые пересекают p – n-переход в материал p-типа (или дырки, которые проходят в материал n-типа), диффундируют в ближайшую нейтральную область. Величина неосновной диффузии в почти нейтральных зонах определяет количество тока, который может протекать через диод.

Только большинство перевозчиков (электроны в материале n-типа или дырки в p-типе) могут протекать через полупроводник на макроскопическую длину. Имея это в виду, рассмотрим поток электронов через переход. Прямое смещение вызывает силу на электронах, толкающую их со стороны N к стороне P. При прямом смещении область обеднения достаточно узкая, чтобы электроны могли пересекать переход и вводить в материал p-типа. Однако они не продолжают течь через материал p-типа бесконечно, потому что для них энергетически выгодно рекомбинировать с дырками. Средняя длина, которую электрон проходит через материал p-типа до рекомбинации, называется длина диффузии, и обычно порядка микрометры.^[1]

Хотя электроны проникают в материал p-типа только на короткое расстояние, электрический ток продолжается непрерывно, потому что дырки (основные носители) начинают течь в противоположном направлении. Полный ток (сумма токов электронов и дырок) постоянен в пространстве, потому что любое изменение вызовет накопление заряда с течением времени (это Действующий закон Кирхгофа ). Поток дырок из области p-типа в область n-типа в точности аналогичен потоку электронов из N в P (электроны и дырки меняются ролями, и знаки всех токов и напряжений меняются местами).

Следовательно, макроскопическая картина протекания тока через диод включает в себя электроны, протекающие через область n-типа к переходу, дырки, протекающие через область p-типа в противоположном направлении к переходу, и два вида носителей, постоянно рекомбинирующие в близость к перекрестку. Электроны и дырки движутся в противоположных направлениях, но у них также есть противоположные заряды, поэтому общий ток идет в одном направлении с обеих сторон диода, если требуется.

В Уравнение диода Шокли моделирует рабочие характеристики p – n-перехода при прямом смещении вне области лавины (проводимости с обратным смещением).

Обратное смещение

Кремниевый p − n-переход в обратном смещении.

Подключение р-тип регион в отрицательный клемма аккумулятора и n-тип регион в положительный клемма соответствует обратному смещению. Если диод имеет обратное смещение, напряжение на катод сравнительно выше, чем на анод. Поэтому до выхода из строя диода протекает очень небольшой ток. Подключения показаны на схеме рядом.

Поскольку материал p-типа теперь подключен к отрицательной клемме источника питания,дыры 'в материале p-типа отталкиваются от перехода, оставляя заряженные ионы и вызывая ширину область истощения увеличить. Точно так же, поскольку область n-типа подключена к положительному выводу, электроны отводятся от перехода с аналогичным эффектом. Это увеличивает барьер напряжения, вызывая высокое сопротивление потоку носителей заряда, таким образом позволяя минимальному электрическому току проходить через p – n переход. Увеличение сопротивления p − n-перехода приводит к тому, что переход ведет себя как изолятор.

Напряженность электрического поля в зоне обеднения увеличивается по мере увеличения напряжения обратного смещения. Когда напряженность электрического поля превышает критический уровень, зона обеднения p – n-перехода разрушается, и начинает течь ток, обычно либо через Зинер или сход лавины процессы. Оба этих процесса пробоя являются неразрушающими и обратимыми, пока величина протекающего тока не достигает уровней, которые вызывают перегрев полупроводникового материала и вызывают термическое повреждение.

Этот эффект используется с пользой в Стабилитрон схемы регулятора. Стабилитроны имеют низкий напряжение пробоя. Стандартное значение напряжения пробоя составляет, например, 5,6 В. Это означает, что напряжение на катоде не может быть более чем примерно на 5,6 В выше, чем напряжение на аноде (хотя есть небольшое повышение с током), потому что диод выходит из строя. , и, следовательно, проводят, если напряжение становится выше. Это, по сути, ограничивает напряжение на диоде.

Другое применение обратного смещения - Варикап диоды, где ширина зона истощения (управляемый обратным напряжением смещения) изменяет емкость диода.

Основные уравнения

Размер области истощения

Для p – n-перехода, положив ${ Displaystyle C_ {A} (х)}$ и ${ Displaystyle C_ {D} (х)}$ - концентрации акцепторных и донорных атомов соответственно, а ${ Displaystyle N_ {0} (х)}$ и ${ Displaystyle P_ {0} (х)}$ - равновесные концентрации электронов и дырок соответственно, дает по уравнению Пуассона:

${ displaystyle - { frac { mathrm {d} ^ {2} V} { mathrm {d} x ^ {2}}} = { frac { rho} { varepsilon}} = { frac { q} { varepsilon}} left [(P_ {0} -N_ {0}) + (C_ {D} -C_ {A}) right]}$

куда ${ displaystyle V}$ это электрический потенциал, ${ displaystyle rho}$ это плотность заряда, ${ displaystyle varepsilon}$ является диэлектрическая проницаемость и ${ displaystyle q}$ - величина заряда электрона. Сдача ${ displaystyle d_ {p}}$ быть шириной обедненной области в пределах p-стороны, и позволяя ${ displaystyle d_ {n}}$ быть шириной обедненной области в пределах n-стороны, это должно быть

${ Displaystyle d_ {p} C_ {A} = d_ {n} C_ {D}}$

потому что общий заряд по обе стороны от области истощения должен компенсироваться. Следовательно, позволяя ${ displaystyle D}$ и ${ displaystyle Delta V}$ представляют всю область истощения и разность потенциалов на ней,

${ displaystyle Delta V = int _ {D} int { frac {q} { varepsilon}} left [(P_ {0} -N_ {0}) + (C_ {D} -C_ {A }) right] , mathrm {d} x , mathrm {d} x}$

${ displaystyle = { frac {C_ {A} C_ {D}} {C_ {A} + C_ {D}}} { frac {q} {2 varepsilon}} (d_ {p} + d_ {n }) ^ {2}}$

куда ${ displaystyle P_ {0} = N_ {0} = 0}$ , потому что мы находимся в области истощения. Таким образом, позволяя ${ displaystyle d}$ - полная ширина обедненной области, получаем

${ displaystyle d = { sqrt {{ frac {2 varepsilon} {q}} { frac {C_ {A} + C_ {D}} {C_ {A} C_ {D}}} Delta V} }}$

${ displaystyle Delta V}$ можно записать как ${ displaystyle Delta V_ {0} + Delta V _ { text {ext}}}$ , где мы разделили разность напряжений на равновесие плюс внешние компоненты. Равновесный потенциал является результатом диффузионных сил, поэтому мы можем вычислить ${ displaystyle Delta V_ {0}}$ путем реализации Соотношение Эйнштейна и предполагая, что полупроводник невырожденный (т.е. продукт ${ displaystyle {{P} _ {0}} {{N} _ {0}}}$ не зависит от Энергия Ферми ):

${ displaystyle Delta {{V} _ {0}} = { frac {kT} {q}} ln left ({ frac {{{C} _ {A}} {{C} _ {D }}} {{{P} _ {0}} {{N} _ {0}}}} right)}$

куда Т - температура полупроводника и k является Постоянная Больцмана.^[2]

Ток в области истощения

В Уравнение идеального диода Шокли характеризует ток через p – n переход как функцию внешнего напряжения и условий окружающей среды (температуры, выбора полупроводника и т. д.). Чтобы увидеть, как это можно вывести, мы должны изучить различные причины тока. По соглашению прямое (+) направление должно быть направлено против встроенного градиента потенциала диода в состоянии равновесия.

Прямой ток ( ${ displaystyle mathbf {J} _ {F}}$ $mathbf {J} _F$ )
- Диффузионный ток: ток из-за локального дисбаланса концентрации носителей ${ displaystyle n}$ , через уравнение ${ Displaystyle mathbf {J} _ {D} propto -q nabla п}$
Обратный ток ( ${ displaystyle mathbf {J} _ {R}}$ $mathbf {J} _R$ )
- Ток поля
- Ток генерации

Не выпрямляющие соединения

На приведенных выше диаграммах контакт между металлическими проводами и полупроводниковым материалом также создает переходы металл – полупроводник называется Диоды Шоттки. В упрощенной идеальной ситуации полупроводниковый диод никогда не будет работать, поскольку он будет состоять из нескольких диодов, соединенных последовательно спереди назад. Но на практике поверхностные примеси в той части полупроводника, которая касается металлических выводов, значительно уменьшает ширину этих обедненных слоев до такой степени, что переходы металл-полупроводник не действуют как диоды. Эти не выпрямляющие соединения вести себя как омические контакты независимо от полярности приложенного напряжения.

Производство

Переход p-n создается допинг, например, ионная имплантация, распространение из присадки, или эпитаксия (выращивание слоя кристалла, легированного одним типом легирующей добавки, поверх слоя кристалла, легированного другим типом легирующей примеси). Если бы использовались два отдельных куска материала, это привело бы к граница зерна между полупроводниками, что серьезно снизит его полезность из-за рассеяние электроны и дыры.^{[нужна цитата ]}

История

Изобретение p – n-перехода обычно приписывают американскому физику. Рассел Ол из Bell Laboratories в 1939 г.^[3] Два года спустя (1941 г.) Вадим лашкарев сообщили об открытии p − n-переходов в Cu₂O и сульфид серебра фотоэлементы и селеновые выпрямители.^[4]

Смотрите также

дальнейшее чтение

Шокли, Уильям (1949). «Теория p-n-переходов в полупроводниках и транзисторы p-n-перехода». Технический журнал Bell System. 28 (3): 435–489. Дои:10.1002 / j.1538-7305.1949.tb03645.x.

внешняя ссылка

https://www.youtube.com/watch?v=JBtEckh3L9Q Обучающее видео о развязке P-N.
«P-N Junction» - PowerGuru, август 2012 г.
Олав Торхейм, Элементарная физика P-N переходов, 2007.
Калькулятор свойств PN-перехода
PN Junction Lab бесплатно использовать на nanoHUB.org позволяет моделировать и исследовать диод на p − n-переходе с различным легированием и материалами. Пользователи также могут рассчитывать выходы тока-напряжения (I-V) и емкости-напряжения (C-V).

[1] Крюк, J. R .; Х. Э. Холл (2001). Физика твердого тела. Джон Вили и сыновья. ISBN 978-0-471-92805-8.

[LuqueHegedus2011-2] Луке, Антонио; Стивен Хегедус (29 марта 2011 г.). Справочник по фотоэлектрической науке и технике. Джон Вили и сыновья. ISBN 978-0-470-97612-8.

[3] Риордан, Майкл; Ходдсон, Лилиан (1988). Кристальный огонь: изобретение транзистора и рождение информационного века. США: W. W. Norton & Company. С. 88–97. ISBN 978-0-393-31851-7.

[4] Лашкарев, В. (2008) [1941]. «Исследование барьерного слоя термозондовым методом». (PDF). Укр. J. Phys. 53 (специальное издание): 53–56. ISSN 2071-0194. Архивировано из оригинал (PDF) на 2015-09-28.

[1]

[2]

[3]

[4]