P-N переход в полупроводниках

Максим Исаев
Время чтения: 5 мин
1 247
Дата обновления: 01.03.2024

Существует три вида материалов, подразделяющихся на проводники, диэлектрики и полупроводники. Все эти вещества состоят из атомов. В свою очередь, атом состоит из положительно заряженного ядра и вращающихся вокруг него отрицательно заряженных электронов. Электроны вращаются вокруг ядра по орбитам и сгруппированы в слои. Каждому слою соответствует энергетический уровень. 

Модель идеального атома

Если представить изолированный атом, то каждый электрон занимает определенный энергетический уровень. Все атомы одного и того же элемента находятся на большом расстоянии друг от друга и имеют одинаково доступные энергетические уровни. Более подробно о структуре строения атома, образования P-N перехода и работе полупроводниковых приборов можно изучить на курсе электроники.

Модель идеального атома

Модель идеального атома

 

Взаимодействие атомов в физическом теле

При соединении нескольких атомом вместе образуется твердое тело, и дальние электроны испытывают воздействие не только своего ядра, но и соседнего, а также всех остальных ядер, находящихся рядом. То есть их энергетические уровни смещаются, а чтобы быть одинаковыми, начинают превращаться в ряды близко расположенных, но отдельных энергетических уровней. Таким образом образуются энергетические уровни.

Взаимодействие атомов в твердом теле

Взаимодействие атомов в твердом теле

Энергетические зоны

Самые отдаленные энергетические уровни от атомов – называются валентными, в них находятся свободные электроны. А уровень более близкий к атому – проводимости. В проводниках валентная зона заполнена частично. Поэтому при небольшом количестве тепловой энергии электроны могут переходить на свободные места.

А при наличии электрического поля переходить с одного энергетического уровня на другой и проводить ток через материал. У проводников валентная зона и зона проводимости перекрывают друг друга, и валентные электроны легко переходят на уровень проводимости.

В диэлектриках валентная зона полностью заполнена. Поэтому при приложении электрического поля электроны не могут перемещаться. Между валентной зоной и зоной проводимости возникает запрещенная зона за счет разницы между энергиями зон валентной и проводимости. У них ширина запрещенной зоны составляет более 6 эВ. Из-за наличия запрещенной зоны электроны не могут перейти на уровень проводимости.

В полупроводниках имеется запрещенная зона, но она сравнительно мала и составляет от 0,5 до 3,0 эВ. Поэтому при обычной температуре у электронов достаточно энергии чтобы перейти на уровень проводимости. Они могут занимать свободные места, которые могут перемещаться и проводить электрический ток. 

Энергетические уровни

Энергетические уровни

Структура кристаллической решетки

Чистые полупроводники не используются для создания электронных приборов за счет строения кристаллической решетки. Для достижения функциональности добавляют в их кристаллическую решетку атомы примеси, на котором в дальнейшем будет формироваться P-N переход. 

Кристаллическая решетка кремния

Кристаллическая решетка кремния

 

Основным полупроводником в электронике является 4-х валентный кремний (Si), имеющий в своей структуре четыре валентных электрона. Кремний используется для создания P-N перехода в современных полупроводниковых приборах.

В кремний добавляют мышьяк (As) в небольшом количестве, имеющий похожую кристаллическую решетку. Такой процесс называется – легированием. Он легко вписывается в структуру кремния, при этом принося один дополнительный электрон на донорский уровень под зоной проводимости. 

Структура кремния с донорной примесью

Структура кремния с донорной примесью

 

При небольшом количестве тепловой энергии он может переходить в зону проводимости и проводить электрический ток. Данный проводник называется N-типом и он нейтрален. Большинство носителей заряда здесь электроны. 

Существует другой тип полупроводников, называемый P-типа. В нем носители заряда положительные “дырки”. Для получения данного типа проводимости в кремний добавляют небольшое количество атомов индия (In). Индий хорошо вписывается в решетку кремния, при этом имеет на один валентный электрон меньше. Поэтому создает пустой акцепторный уровень расположенный выше валентной зоны. 

Структура кремния с акцепторной примесью

Структура кремния с акцепторной примесью

 

При небольшом количестве тепловой энергии электроны покидают валентную зону оставляя после себя дырки. Они отвечают за проведение тока в полупроводниках P-типа. Сам материал не имеет заряда.

 

P-N переход

Если соединить P и N проводники между собой возникает процесс диффузии (проникновение одного вещества в другое). На границе соединения – проводник P-типа становится частично отрицательно заряженным, а проводник N-типа частично положительно заряженным. 

В результате чего внутри нейтрального материала возникает электрическое поле. Электроны продолжают диффундировать до тех пор, пока электрическое поле не станет настолько большим, что не позволит им пересекать его. В результате этого создается слой обеднения подвижными носителями заряда (нет электронов в зоне проводимости и дырок в валентной зоне).

Дырки подошедшие к границе P-N перехода со стороны p-области отталкиваются назад положительным зарядом, а электроны  из n-области отталкиваются отрицательным зарядом.

Таким образов образуется P-N переход, имеющий слой полупроводника с пониженным содержанием носителей и обедненный слой с высоким электрическим сопротивлением. P-N переход обладает барьерной и диффузионной емкостью.

 

P-N переход прямое и обратное включение

Если к структуре P-N перехода приложить внешнее напряжение к p-области плюс, а к n-области минус, то дырки отталкиваясь от положительного потенциала внешнего источника, приближаются к границе P-N перехода, сужая его ширину со стороны p-области. Аналогично происходит в n-области.

Потенциальный барьер сужается и через P-N переход начинает протекать электрический ток. С увеличением напряжения величина тока возрастает в P-N переходе, так как он создается основными носителями, а концентрация носителей пополняется внешним источником напряжения. В этом случае P-N переход открывается. 

Прямое смещение P-N перехода

Прямое смещение P-N перехода

 

При приложении к структуре P-N перехода обратной полярности – к p-области минус, а к n-области плюс; под действием внешнего электрического поля, дырки p-области смещаются к отрицательному потенциалу, а электроны к положительному. Ширина P-N перехода увеличивается, а свободные носители заряда в ней отсутствуют. P-N переход закрывается.

Обратное смещение P-N перехода

Обратное смещение P-N перехода

Выводы

  • P-N переход в полупроводниках образуется при помощи различных примесных веществ, донорного и акцепторного типа. 
  • Основное свойство P-N перехода заключается в прохождении тока в одном направлении.
  • На основании свойств P-N перехода построено множество полупроводниковых приборов, таких как: диод, светодиод, транзистор, стабилитрон, варикап, тиристор, симистор, интегральные микросхемы
  • Более подробно о принципе P-N перехода, необходимое напряжение открытия и других характеристиках, вы можете изучить на курсе электроники и схемотехники.

Комментарии

5 4 голоса
Оцените материал
Подписаться
Уведомить о
guest

0 Комментарий
Межтекстовые Отзывы
Посмотреть все комментарии