Glavni element većine poluvodičkih uređaja je spoj elektron-rupa (pn spoj), koji je prijelazni sloj između dva područja poluvodiča, od kojih jedan ima elektronsku provodljivost, a drugi provodljivost rupa.

U stvarnosti, prijelaz elektron-rupa ne može se stvoriti jednostavnim kontaktom ploča n- i p-tipa, jer je u ovom slučaju neizbježan međusloj zraka, oksida ili površinskih zagađivača, nemoguće je savršeno poklapanje kristalnih rešetki itd. . Ovi prijelazi se dobijaju fuzijom ili difuzijom odgovarajućih nečistoća u ploče poluvodičkog monokristala, ili raste rn prelazak iz taline poluprovodnika sa kontrolisanom količinom nečistoća itd. U zavisnosti od metode proizvodnja r-n prijelazi mogu biti legirani, difuzijski itd. Međutim, da bismo pojednostavili analizu procesa formiranja prijelaza, pretpostavit ćemo da smo u početku uzeli i mehanički povezali dva nečistoća poluvodičkih kristala s provodljivostima različitih tipova (n i p tipova) sa istom koncentracijom donorskih i akceptorskih nečistoća i sa idealnom površinom i kristalnom rešetkom. Razmotrimo fenomene koji nastaju na njihovoj granici.

Slika 1.3. Formiranje p-n spoja

Zbog činjenice da je koncentracija elektrona u n regionu veća nego u p regionu, a koncentracija rupa u p regionu veća nego u n regionu, postoji gradijent koncentracije nosioca na granici ovih regiona, što uzrokuje difuziona struja elektrona iz n regiona u p oblast i struja difuzije rupa iz p regiona u n oblast. Pored struje uzrokovane kretanjem većinskih nosilaca naboja, struja manjinskih nosilaca (elektrona iz p regiona u n region i rupa iz n regiona u p region) je moguća preko interfejsa poluprovodnika. Međutim, oni su beznačajni (zbog značajnih razlika u koncentracijama glavnih i sporednih nosača) i nećemo ih uzimati u obzir.

Kada bi elektroni i rupe bili neutralni, tada bi difuzija na kraju dovela do potpunog izjednačavanja njihove koncentracije u cijelom volumenu kristala. Zapravo, proces difuzije ometa električno polje koje nastaje u području kontakta. Odlazak elektrona iz n područja blizu kontakta dovodi do činjenice da se njihova koncentracija ovdje smanjuje i pojavljuje se nekompenzirani pozitivni naboj donorskih nečistoća. Na isti način, u p-području, zbog odlaska rupa, njihova koncentracija u blizukontaktnom sloju opada i ovdje se pojavljuje nekompenzirani negativni naboj akceptorskih nečistoća. Joni ne mogu „otići“ sa svojih mjesta, jer ih drže najjače sile (veze) kristalne rešetke. Tako se na granici n- i p-područja formiraju dva sloja naelektrisanja suprotnog predznaka. Nastaje električno polje, usmjereno od pozitivno nabijenih donora do negativno nabijenih akceptorskih jona. Područje rezultujućih prostornih naboja i električnog polja zapravo predstavlja p-n spoj. Njegova širina se kreće od stotinki do jedinica mikrometara, što je značajna veličina u odnosu na dimenzije kristalne rešetke.

Tako se na granici p-n spoja formira kontaktna razlika potencijala, numerički okarakterisana visinom potencijalne barijere ( Slika 1.3), koju glavni nosioci svakog regiona moraju savladati da bi došli do drugog regiona. Razlika kontaktnog potencijala je reda desetina volta.

Polje pn tranzicije usporava se za većinske nosioce naboja i ubrzava za manjinske. Svaki elektron koji prelazi iz područja elektrona u područje rupa ulazi u električno polje, koje teži da ga vrati nazad u područje elektrona. Na isti način, rupe koje ulaze u električno polje pn spoja iz p regije će biti vraćene ovim poljem natrag u p područje. Na sličan način, polje utiče na naelektrisanja koja su nastala iz ovog ili onog razloga unutar pn spoja. Kao rezultat uticaja polja na nosioce naboja površina p-p tranzicija se ispostavi da je osiromašena, a njena vodljivost je bliska intrinzičnoj vodljivosti originalnog poluprovodnika.

Prisutnost vlastitog električnog polja također određuje prolaz struje kada se primjenjuje vanjski izvor napona - veličina struje se pokazuje različitom ovisno o polaritetu primijenjenog napona. Ako je vanjski napon suprotan po predznaku od kontaktne potencijalne razlike, onda to dovodi do smanjenja visine potencijalne barijere. Stoga će se širina p-n spoja smanjiti (slika 1.3, b). Poboljšani su uslovi za prolaz struje: smanjena potencijalna barijera će moći da savlada glavne nosioce koji imaju najveća energija. Kako se vanjski napon povećava, struja kroz pn spoj će se povećati. Ovaj polaritet vanjskog napona i struje naziva se direktan.

Lako je uočiti da nosioci naboja koji su savladali potencijalnu barijeru ulaze u područje poluprovodnika za koje su manjina. Oni difundiraju duboko u odgovarajuću oblast poluprovodnika, rekombinujući se sa većinskim nosiocima ovog područja. Dakle, kako rupe prodiru iz p-područja u n područje, one se rekombiniraju s elektronima. Slični procesi se dešavaju sa elektronima ubrizganim u p-područje.

Proces uvođenja nosača naboja kroz spoj elektron-rupa kada se visina potencijalne barijere spusti u područje poluvodiča, gdje su ti nosioci naboja manjina, naziva se injekcija (od engleske riječi injektirati - ubrizgati, uvesti).

Ako promijenite polaritet vanjskog napona (primjenite obrnuti vanjski napon), tada se električno polje koje stvara izvor poklapa s poljem p-n spoja. Potencijalna barijera između p i n regiona se povećava za količinu spoljašnjeg napona. Smanjuje se broj primarnih nosilaca koji su sposobni da prevladaju efekat rezultujućeg polja. Većinski nosioci će biti izvučeni iz graničnih slojeva u unutrašnjost poluprovodnika. Širina p-n spoja se povećava (Rani efekat, slika 1.3, c).

Za manjinske nosioce (rupe u n-području i elektrone u p-području) ne postoji potencijalna barijera u tranziciji elektron-rupa i oni će biti uvučeni poljem u područje p-n spoja. Ovaj fenomen se naziva ekstrakcija. Struja manjinskih nosilaca, kao i nosilaca koji nastaju u području pn spoja, odredit će obrnutu struju kroz pn spoj. Veličina reverzne struje je praktički nezavisna od vanjskog obrnutog napona. Ovo se može objasniti činjenicom da u jedinici vremena broj parova elektron-rupa nastalih pri konstantnoj temperaturi ostaje nepromijenjen.

Provedena analiza omogućava nam da posmatramo pn spoj kao nelinearni element, čiji otpor varira u zavisnosti od polariteta primijenjenog napona. Sa povećanjem prednjeg napona p-n otpor tranzicija se smanjuje. S promjenom polariteta i veličine primijenjenog napona, otpor pn spoja naglo raste. Shodno tome, direktna (linearna) veza između napona i struje (Ohmov zakon) za p-n spojeve nije uočena.

Kao što se može vidjeti na slici 1.3, pn spoj je dvostruki sloj stacionarnih prostornih naboja suprotnog predznaka. Može se uporediti sa pločama ravnog kondenzatora, čije su ploče p- i n-područja, a dielektrik je p-n spoj, koji praktički nema pokretnih naboja. Veličina rezultirajuće takozvane kapacitivnosti barijere (punjenja) obrnuto je proporcionalna udaljenosti između ploča. Kako se napon blokiranja primijenjen na spoj povećava, površina osiromašena mobilnim nosiocima naboja - elektronima ili rupama - se povećava, što odgovara povećanju udaljenosti između ploča kondenzatora i smanjenju vrijednosti kapacitivnosti. Stoga se pn spoj može koristiti kao kapacitivnost kontrolirana veličinom obrnutog napona. Vrijednost kapacitivnosti barijere kreće se od desetina do stotina pikofarada; promjena ovog kapaciteta s promjenom napona može dostići desetostruku vrijednost

Kada jednosmjerna struja prođe kroz spoj, višak naboja manjinskih nosilaca suprotnog predznaka nakuplja se na obje strane interfejsa, koji se ne može trenutno rekombinovati. Formira posudu, koja se naziva difuzija. Difuzni kapacitet je povezan paralelno sa kapacitivnošću barijere. Vrijednosti difuzijske kapacitivnosti mogu se kretati od stotina do hiljada pikofarada. Prema tome, kod pravog napona, kapacitivnost pn spoja je prvenstveno određena difuzionim kapacitetom, a pri obrnutom naponu kapacitivnošću barijere.

Sa prednjim naponom, difuziona kapacitivnost nema značajan uticaj na rad p-n spoja, jer je uvijek šantovana malim otporom spoja naprijed. Njegov negativan uticaj se manifestuje prilikom brzog prebacivanja p-n tranzicije iz otvorenog u zatvoreno stanje.

Kada se pn spoj koristi u pravim poluvodičkim uređajima, na njega se može primijeniti vanjski napon. Veličina i polaritet ovog napona određuju ponašanje spoja i električne struje koja prolazi kroz njega. Ako je pozitivni pol napajanja priključen na str-region, a negativan – do n-područje, zatim uključivanje p-n-prijelaz se naziva direktnim. Prilikom promjene navedenog polariteta, uključivanje p-n-prijelaz se naziva inverznim.

Kada je direktno povezan p-n-prijelaza, vanjski napon stvara polje u spoju koje je suprotno smjeru od unutrašnjeg difuzijskog polja, slika 2. Jačina rezultujućeg polja opada, što je praćeno sužavanjem blokirajućeg sloja. Kao rezultat toga, veliki broj većinskih nosilaca naboja može difuzno da se kreće u susjedno područje (struja drifta se ne mijenja, jer zavisi od broja manjinskih nosilaca koji se pojavljuju na granicama tranzicije), tj. rezultujuća struja će teći kroz spoj, determinisana uglavnom difuzionom komponentom. Difuzijska struja ovisi o visini potencijalne barijere i raste eksponencijalno kako se smanjuje.

Povećana difuzija nosača naboja kroz spoj dovodi do povećanja koncentracije rupa u području n-tip i elektroni u tom području str-tip. Ovo povećanje koncentracije manjinskih nosača zbog utjecaja vanjskog napona primijenjenog na spoj naziva se ubrizgavanje manjinskog nosioca. Neravnotežni manjinski nosioci difunduju duboko u poluvodič i remete njegovu električnu neutralnost. Do obnavljanja neutralnog stanja poluvodiča dolazi zbog dolaska nosilaca naboja iz eksterni izvor. To je razlog za pojavu struje u vanjskom kolu, zvanom direktna.

Kada je uključen p-n-prijelaz u obrnutom smjeru, vanjski reverzni napon stvara električno polje koje se poklapa u smjeru sa difuzijskim, što dovodi do povećanja potencijalne barijere i povećanja širine blokirajućeg sloja, slika 3. Sve to smanjuje difuzionih struja većinskih nosilaca. Za medije koji nisu mainstream, polje u p-n- spoj ostaje ubrzan, pa se struja drifta ne mijenja.

Dakle, rezultujuća struja će teći kroz spoj, određena uglavnom strujom drifta manjinskog nosioca. Budući da broj lebdećih manjinskih nosača ne zavisi od primijenjenog napona (utječe samo na njihovu brzinu), onda kako se obrnuti napon povećava, struja kroz spoj teži graničnoj vrijednosti I S, što se naziva struja zasićenja. Što je veća koncentracija donorskih i akceptorskih nečistoća, to je niža struja zasićenja, a sa povećanjem temperature struja zasićenja raste eksponencijalno.

1.3. Strujno-naponska karakteristika p-n spoja

Zavisnost struje kroz p-n-prijelaz sa napona koji se na njega primjenjuje I = f(U) nazvana strujno-naponska karakteristika p-n-prijelaz, slika 4.

Strujna-naponska karakteristika prijelaza elektron-rupa opisana je jednadžbom Ebers-Moll:

, (1)

Gdje I– struja kroz spoj na naponu U;

I S– struja zasićenja koju stvaraju manjinski nosioci naboja. I S naziva se i toplotna struja, jer koncentracija manjinskih nosilaca zavisi od temperature;

q e– naelektrisanje elektrona;

k– Boltzmannova konstanta;

T– apsolutna temperatura;

– potencijal prelazne temperature, približno jednak na sobnoj temperaturi do 0,025 V = 25 mV.

Ako r-n- tranzicija je uključena u smjeru naprijed, napon U uzeti sa znakom plus, ako na suprotan način - sa znakom minus.

Sa direktnim primijenjenim naponom
jedan se može zanemariti u poređenju sa pojmom
, a strujno-naponska karakteristika će imati čisto eksponencijalni karakter.

Sa obrnutim (negativnim) naponom
termin
može se zanemariti u poređenju sa jedinicom, a struja se ispostavi da je jednaka
.

Međutim, jednadžba. Ebers-Moll vrlo približno se poklapa sa stvarnim strujno-naponskim karakteristikama, budući da ne uzima u obzir niz fizičkih procesa koji se odvijaju u poluvodičima. Takvi procesi uključuju: stvaranje i rekombinaciju nosača u blokirnom sloju, površinske struje curenja, pad napona na otporu neutralnih područja, fenomene termičkih, lavinskih i tunelskih kvarova.

Ako je struja koja teče kroz spoj beznačajna, onda se pad napona na otporu neutralnih područja može zanemariti. Međutim, kako se struja povećava, ovaj proces sve više utiče na strujno-naponsku karakteristiku uređaja, tj. njegova stvarna karakteristika ide pod manjim uglom i degeneriše se u pravu liniju kada napon na sloju barijere postane jednak kontaktnoj potencijalnoj razlici.

Pri određenom obrnutom naponu uočava se nagli porast obrnute struje. Ova pojava se naziva slom tranzicije. Postoje tri vrste kvarova: tunelski, lavinski i termalni. Tunelski i lavinski kvarovi su tipovi električnih kvarova i povezani su s povećanjem jakosti električnog polja u spoju. Toplotni slom je određen pregrijavanjem spoja.

Tunelski efekat (Zenerov efekat) se sastoji u direktnom prelasku valentnih elektrona iz jednog poluprovodnika u drugi (gde će oni već biti slobodni nosioci naboja), što postaje moguće pri velikoj jačini električnog polja na prelazu. Ovako velika jačina električnog polja na spoju može se postići pri visokoj koncentraciji nečistoća u str- I n-područja gdje debljina prijelaza postaje vrlo mala.

U širokom p-n-spojnice koje formiraju poluvodiči sa srednjom ili niskom koncentracijom nečistoća, smanjuje se vjerovatnoća tunelskog curenja elektrona i postaje vjerovatniji proboj lavine.

Do lavinskog sloma dolazi kada je srednja slobodna putanja elektrona u poluprovodniku znatno manja od debljine spoja. Ako tokom svog slobodnog puta elektroni akumuliraju kinetičku energiju dovoljnu da ionizira atome u prijelazu, tada dolazi do udarne ionizacije, praćene lavinskim umnožavanjem nosilaca naboja. Slobodni nosioci naboja koji nastaju kao rezultat udarne jonizacije povećavaju struju obrnute tranzicije.

Toplotni slom je uzrokovan značajnim povećanjem broja nosilaca naboja u p-n-prijelaz zbog kršenja toplotnog režima. Napajanje na raskrsnici P arr = I arr. U otpad se troši na zagrijavanje. Toplina koja se oslobađa u sloju barijere uklanja se uglavnom zbog toplinske provodljivosti kristalne rešetke. U lošim uslovima za odvođenje toplote sa spoja, kao i kada se reverzni napon na spoju poveća iznad kritične vrednosti, moguće ga je zagrejati do temperature na kojoj dolazi do termičke jonizacije atoma. Nosači naboja koji nastaju u ovom slučaju povećavaju obrnutu struju kroz spoj, što dovodi do njegovog daljnjeg zagrijavanja. Kao rezultat takvog sve većeg procesa, prijelaz se neprihvatljivo zagrijava i dolazi do termičkog sloma, karakteriziranog uništenjem kristala.

Povećanje broja nosilaca naboja kada se spoj zagrije dovodi do smanjenja njegovog otpora i napona koji se stvara na njemu. Kao rezultat toga, dio s negativnim diferencijalnim otporom pojavljuje se na obrnutoj grani strujno-naponske karakteristike tijekom termičkog sloma.

Prijelaz elektron-rupa ( p-n- tranzicija, n-p-tranzicija), prelazna oblast poluprovodnika, u kojoj dolazi do prostorne promene tipa provodljivosti od elektronske n do rupe str.Elektron-rupa spoj je osnova široke klase poluprovodničkih uređaja za nelinearnu konverziju električnih signala u različitim elektronskim uređajima.

Eksterno električno polje mijenja visinu potencijalne barijere i narušava ravnotežu protoka nosioca struje kroz nju. Ako se napon napajanja primjenjuje na način da je plus spojen na p- površina kristala, a minus - do n- područje, tada se ovaj smjer naziva propusnost. U ovom slučaju, vanjsko polje je usmjereno suprotno kontaktnom, odnosno potencijalna barijera se smanjuje (prednagib). Kako se primijenjeni napon povećava, broj većinskih nosilaca koji su sposobni da prevladaju potencijalnu barijeru raste eksponencijalno. Koncentracija manjinskih nosača na obje strane prijelaza elektron-rupa raste zbog ubrizgavanja manjinskih nosača, istovremeno u R- I n- Područje kroz kontakte ulazi u jednake količine glavnih nosača, uzrokujući neutralizaciju naelektrisanja ubrizganih nosača. Kao rezultat, brzina rekombinacije se povećava i kroz prijelaz elektron-rupa pojavljuje se struja različita od nule. Kako se primijenjeni napon povećava, ova struja raste eksponencijalno.

U obrnutom polaritetu (obrnuto pristrano), kada je spojen pozitivni pol napajanja n- područje, a negativno - do R- području, potencijal u području tranzicije postaje jednak UD+U, Gdje U- veličina primijenjenog napona.

Povećanje potencijalne barijere dovodi do difuzije glavnih nosilaca p-n- tranzicija postaje zanemarljiva. Istovremeno, tokovi manjinskih prevoznika kroz tranziciju se ne mijenjaju, jer za njih nema barijere. Tokovi manjinskih nosilaca su određeni brzinom termičkog stvaranja parova elektron-rupa. Ovi parovi difundiraju do barijere i razdvojeni su njenim poljem, što rezultira p-n- Spoj nosi struju zasićenja, koja je obično mala i gotovo nezavisna od primijenjenog napona.

Dakle, zavisnost struje kroz p-n- prelaz sa primenjenog napona U(volt-amperska karakteristika) ima izraženu nelinearnost. Kada se promijeni predznak napona, struja prolazi p-n- tranzicija se može promijeniti za 10 5 -10 6 puta. Time p-n- Spoj je ventilski uređaj pogodan za ispravljanje naizmjeničnih struja (vidi Poluvodička dioda).

Priroda strujno-naponske karakteristike - zakrivljenost uzlazne grane, granični napon, apsolutne vrijednosti struja, koeficijent ispravljanja (omjer prednje i povratne struje pri naponu od 1 V), i ostali parametri su određeni tipom poluprovodnika, koncentracijom i vrstom raspodjele nečistoća u blizini n-p-tranzicija.

Promjena primijenjenog napona na p-n- tranzicija, dovodi do proširenja ili smanjenja područja prostornog naboja. Prostorni naboji su nepokretni donori i akceptorski joni vezani za kristalnu rešetku, stoga povećanje prostornog naboja može biti samo zbog širenja njegovog područja i, posljedično, smanjenja kapaciteta p-n- tranzicija. S direktnim pristrasnošću, kapacitivnosti sloja prostornog naboja dodaje se difuzioni kapacitet, koji se još naziva i kapacitivnost punjenja ili barijere, zbog činjenice da povećanje napona za p-n- tranzicija dovodi do povećanja koncentracije manjinskih nosilaca, odnosno do promjene naboja. Ovisnost kapacitivnosti o primijenjenom naponu omogućava korištenje p-n- tranzicija kao električni kondenzator promjenljivog kapaciteta - varikap.

Zavisnost od otpora p-n- prijelaz od veličine i znaka primijenjenog napona omogućava da se koristi kao podesivi otpor - varistor.

Prilikom primjene dovoljno velike reverzne pristranosti na spoj elektron-rupa U = U pr Dolazi do električnog kvara, u kojem teče velika obrnuta struja. Stanje u kojem dolazi do električnog kvara p-n- tranzicija, je normalan način rada nekih poluvodičkih uređaja, kao što su zener diode.

Ovisno o fizičkim procesima koji uzrokuju nagli porast obrnute struje, razlikuju se tri glavna mehanizma kvara p-n- prelazi: tunelski, lavinski, termalni.

Tunelski (zenerov) slom nastaje kada nosioci tuneliraju kroz barijeru (pogledajte efekat tunela), kada, na primjer, dođe do tunelskog curenja elektrona iz valentnog pojasa str-regije u provodnom pojasu n-oblasti poluprovodnika. Na toj lokaciji dolazi do tuneliranja elektrona p-n-prijelaz u kojem, kao rezultat njegove nehomogenosti, nastaje najveća jačina polja. Probojni napon tunela p-n- prijelaz ne ovisi samo o koncentraciji doping nečistoće i kritičnoj jakosti polja pri kojoj se tunelska struja povećava kroz p-n- prelaza, ali i na debljinu p-n- tranzicija. Sa povećanjem debljine p-n- tranzicije, smanjuje se vjerovatnoća tunelskog curenja elektrona, a slom lavine postaje vjerovatniji.

Tokom sloma lavine p-n- tranzicije na srednjem slobodnom putu u području prostornog naboja, nosilac naboja dobija energiju dovoljnu da ionizira kristalnu rešetku, odnosno zasniva se na udarnoj jonizaciji. Sa povećanjem jakosti električnog polja, intenzitet udarne ionizacije se jako povećava i proces umnožavanja slobodnih nosilaca naboja (elektrona i rupa) poprima lavinski karakter. Kao rezultat toga, struja u p-n- prijelaz se povećava neograničeno do termičkog sloma.

Toplotni slom povezan s nedovoljnim odvođenjem topline u pravilu je lokaliziran u pojedinim područjima gdje se uočava strukturalna heterogenost. p-n- tranzicija, a samim tim i nehomogenost obrnute struje koja teče kroz njega. Povećanje temperature uzrokuje daljnje povećanje reverzne struje, što zauzvrat uzrokuje povećanje temperature. Toplotni slom je nepovratan proces koji prevladava u poluvodičima s relativno uskim pojasom.

IN p-n- Na prijelazima može doći i do kvara na površini. Površinski probojni napon određen je količinom naboja lokaliziranog na površini poluvodiča na izlaznoj točki p-n- prelaz napolje. Po svojoj prirodi, površinski slom može biti tunelski, lavinski ili termički.

Pored korišćenja nelinearnosti strujno-naponske karakteristike i zavisnosti kapacitivnosti od napona, p-n- spojevi nalaze različite primjene na temelju ovisnosti razlike kontaktnog potencijala i struje zasićenja o koncentraciji manjinskih nosilaca. Koncentracija manjinskih nosača značajno se menja pod različitim spoljnim uticajima - termičkim, mehaničkim, optičkim itd. Na tome se zasniva princip rada različitih tipova senzora: temperatura, pritisak, jonizujuće zračenje itd. p-n- spojevi se također koriste za pretvaranje svjetlosne energije u električnu energiju u solarnim ćelijama.

Spojevi elektron-rupa nisu samo osnova raznih vrsta poluvodičkih dioda, već su uključeni i kao sastavni elementi u složenije poluvodičke uređaje - tranzistori, tiristori itd. Ubrizgavanje i naknadna rekombinacija manjinskih nosača u p-n- spojevi se koriste u diodama koje emituju svjetlost i laserima za ubrizgavanje.

Ako je poluvodički blok P-tipa spojen na poluvodički blok N-tipa (slika ispod (a)), rezultat neće napraviti nikakvu razliku. Imat ćemo dva provodna bloka koja se dodiruju bez pokazivanja bilo kakvih jedinstvenih svojstava. Problem leži u dva odvojena i različita kristalne strukture. Broj elektrona je uravnotežen brojem protona u oba bloka. Dakle, rezultat je da nijedan blok nema naboj.

Međutim, jedan poluprovodnički čip napravljen od materijala P-tipa s jedne strane i materijala N-tipa s druge strane (slika ispod (b)) ima jedinstvena svojstva. U materijalu P-tipa, glavni nosioci su nosioci pozitivnog naboja, rupe, koje se slobodno kreću duž kristalne rešetke. U materijalu N-tipa, nosioci negativnog naboja, elektroni, su glavni i mobilni. U blizini spoja, elektroni iz materijala N-tipa difundiraju kroz spoj, kombinujući se s rupama u materijalu P-tipa. Područje materijala P-tipa u blizini spoja dobiva negativan naboj zbog privučenih elektrona. Pošto su elektroni napustili područje N-tipa, on dobija lokalni pozitivan naboj. Tanki sloj kristalne rešetke između ovih naboja sada je osiromašen većinskim nosiocima, pa je poznat kao region iscrpljivanja. Ova oblast postaje neprovodni materijal od sopstvenog poluprovodnika. U suštini, imamo skoro izolator koji razdvaja provodljive dopirane oblasti P i N tipova.

(a) Poluprovodnički blokovi tipa P i N nemaju upotrebljiva svojstva kada su u kontaktu.
(b) Monokristal dopiran nečistoćama tipa P i N stvara potencijalnu barijeru.

Ovo razdvajanje naelektrisanja u P-N spoju predstavlja potencijalnu barijeru. Ova potencijalna barijera može se prevladati primjenom vanjskog izvora napona, uzrokujući da spoj provodi električnu struju. Do formiranja prelazne i potencijalne barijere dolazi tokom procesa proizvodnje. Veličina potencijalne barijere zavisi od materijala koji se koriste u proizvodnji. Silicijumski P-N spojevi imaju veću potencijalnu barijeru u poređenju sa germanijumskim spojevima.

Na slici ispod (a), baterija je povezana tako da negativni terminal izvora opskrbljuje elektronima materijal N-tipa. Ovi elektroni difundiraju prema spoju. Pozitivni terminal izvora uklanja elektrone iz P-tipa poluvodiča, stvarajući rupe koje difundiraju prema spoju. Ako je napon baterije dovoljno visok da savlada potencijal spoja (0,6V za silicijum), elektroni iz N-tipa regiona i rupe iz regiona P-tipa se kombinuju, poništavajući jedni druge. Ovo oslobađa prostor unutar mreže za kretanje prema prijelazu više nosioci naboja. Dakle, struje glavnih naelektrisanja regiona N-tipa i P-tipa teku ka prelazu. Rekombinacija na spoju omogućava struji baterije da teče kroz P-N spoj diode. Ovo uključivanje se zove predrasuda.

(a) Bias naprijed gura nosioce naboja prema spoju, gdje se rekombinacija odražava u struji baterije.
(b) Obrnuta pristranost privlači nosioce naboja na terminale baterije, dalje od spoja. Povećava se debljina osiromašenog područja. Ne postoji stalna struja koja teče kroz bateriju.

Ako je polaritet baterije obrnut kao što je prikazano na slici (b) iznad, većina nosilaca naboja se privlače od spoja do terminala baterije. Pozitivni terminal baterije povlači se od prijelaza glavnih nosilaca naboja u području N-tipa, elektrona. Negativni terminal se udaljava od tranzicije većine nosilaca u području P-tipa, rupa. Ovo povećava debljinu neprovodnog područja iscrpljivanja. Nema rekombinacije glavnih nosača; pa stoga nema provodljivosti. Ova veza baterije se zove obrnuto pristrasnost.

Simbol diode prikazan ispod na slici (b) odgovara dopiranoj poluvodičkoj pločici na slici (a). Dioda je jednosmjerno uređaj. Elektronska struja teče samo u jednom smjeru, protiv strelice, što odgovara prednaponu. Katoda, pruga na simbolu diode, odgovara poluvodiču N-tipa. Anoda, strelica, odgovara poluprovodniku tipa P.

Napomena: originalni članak predlaže algoritam za pamćenje lokacije tipova poluvodiča u diodi. Neindikativno ( N ot-pointing) dio simbol(band) odgovara poluprovodniku N-tip. pokazujući ( P namaz) dio simbola (strelica) odgovara P-tip.

(a) PN spoj prema naprijed
(b) Odgovarajući simbol diode
(c) Grafikon struje u odnosu na napon silikonske diode

Ako je dioda usmjerena naprijed (kao što je prikazano na slici (a) iznad), kako napon raste od 0 V, struja će se polako povećavati. U slučaju silicijumske diode, protok struje se može meriti kada se napon približi 0,6 V (slika (c) iznad). Kada se napon poveća iznad 0,6 V, struja nakon savijanja na grafikonu će početi naglo da raste. Povećanje napona iznad 0,7 V može rezultirati strujom dovoljno velikom da uništi diodu. Prednji napon U pr je jedna od karakteristika poluprovodnika: 0,6-0,7 V za silicijum, 0,2 V za germanijum, nekoliko volti za svetleće diode. Struja naprijed može se kretati od nekoliko mA za točkaste diode do 100 mA za diode niske struje i do desetina i tisuća ampera za energetske diode.

Ako je dioda obrnuto pristrasna, tada teče samo struja curenja njenog vlastitog poluvodiča. Ovo je prikazano na grafikonu lijevo od početka (slika (c) iznad). Za silicijumske diode, ova struja će biti približno 1 µA u najekstremnijim uslovima. Ova struja se neprimjetno povećava s povećanjem napona obrnutog prednapona sve dok se dioda ne pokvari. Tokom kvara, struja se toliko povećava da dioda pokvari osim ako se otpornik ne poveže serijski da ograniči ovu struju. Obično biramo diodu sa obrnutim naponom većim od napona koji se može primijeniti tijekom rada kola kako bi se spriječio kvar diode. Obično su silikonske diode dostupne sa naponom proboja od 50, 100, 200, 400, 800 volti i više. Također je moguće proizvesti diode sa nižim naponom proboja (nekoliko volti) za korištenje kao standarde napona.

Ranije smo spomenuli da je mikroamperska struja obrnutog curenja u silicijumskim diodama posljedica vodljivosti intrinzičnog poluvodiča. Ovo curenje se može objasniti teorijom. Toplotna energija stvara nekoliko parova elektron-rupa koji provode struju curenja prije rekombinacije. U stvarnoj praksi, ova predvidljiva struja je samo djelić struje curenja. Većina struje curenja je zbog površinske vodljivosti zbog nedostatka čistoće površine poluvodiča. Obje komponente struje curenja rastu s temperaturom, približavajući se mikroamperima za male silikonske diode.

Za germanijum, struja curenja je nekoliko redova veličine veća. Pošto se germanijumski poluprovodnici danas retko koriste u praksi, to nije veliki problem.

Hajde da sumiramo

P-N spojevi su napravljeni od jednog kristalnog komada poluprovodnika sa regijama tipa P i N u neposrednoj blizini spoja.

Prenos elektrona preko spoja sa strane N-tipa na rupe na strani P-tipa, praćen međusobnom anihilacijom, stvara pad napona na spoju u rasponu od 0,6 do 0,7 volti za silicijum, u zavisnosti od poluprovodnika.

Prednapon P-N spoja kada je vrijednost napona prema naprijed uzrokuje protok struje kroz spoj. Primijenjena vanjska razlika potencijala uzrokuje da se većinski nosioci naboja kreću prema spoju, gdje dolazi do rekombinacije, omogućavajući struji da teče.

Obrnuti prednapon P-N spoja ne proizvodi gotovo nikakvu struju. Primijenjena obrnuta bias povlači većinu nosioca naboja od spoja. Ovo povećava debljinu neprovodnog područja iscrpljivanja.

Obrnuta struja curenja teče kroz P-N spoj na koji se primjenjuje obrnuto prednapon, ovisno o temperaturi. U malim silikonskim diodama ne prelazi mikroampere.

Princip rada poluvodičkih uređaja objašnjava se svojstvima takozvanog spoja elektron-rupa (p-n spoja) - međusklopa između područja poluvodiča s različitim mehanizmima provodljivosti.

Prijelaz elektron-rupa - ovo je oblast poluprovodnika u kojoj dolazi do prostorne promene tipa provodljivosti (od elektronski n-područje do rupa p-regija). Budući da je koncentracija rupa u p području prijelaza elektron-rupa mnogo veća nego u n području, rupe iz n područja imaju tendenciju da difundiraju u elektronsko područje. Elektroni difundiraju u p-područje.

Da bi se stvorila provodljivost n- ili p-tipa u originalnom poluprovodniku (obično 4-valentni germanij ili silicijum), dodaju mu se atomi 5-valentnih ili 3-valentnih nečistoća, respektivno (fosfor, arsen ili aluminij, indij itd. )

Atomi 5-valentne nečistoće (donori) lako doniraju jedan elektron vodljivom pojasu, stvarajući višak elektrona u poluprovodniku koji nisu uključeni u formiranje kovalentnih veza; provodnik dobija n-tip provodljivosti. Uvođenje 3-valentne nečistoće (akceptora) dovodi do toga da potonji, uzimajući jedan elektron iz atoma poluvodiča, stvaraju nedostajući kovalentna veza, daje mu p-tip provodljivosti, budući da se rupe nastale u ovom slučaju (prazni energetski nivoi u valentnom pojasu) ponašaju električno ili magnetna polja kao nosioci pozitivnih naboja. Rupe u poluprovodniku p-tipa i elektroni u poluprovodniku n-tipa nazivaju se većinski nosioci za razliku od manjinskih nosilaca (elektrona u poluprovodniku p-tipa i rupa u poluprovodniku n-tipa), koji nastaju zbog termičkih vibracija atoma u kristalnoj rešetki.

Ako se poluvodiči s različitim tipovima vodljivosti dovedu u kontakt (kontakt se stvara tehnološki, ali ne mehanički), tada elektroni u poluvodiču n-tipa mogu zauzeti slobodne razine u valentnom pojasu poluvodiča p-tipa. desiće se rekombinacija elektrona sa rupama u blizini interfejsa različitih tipova poluprovodnika.

Ovaj proces je sličan difuziji slobodnih elektrona iz n-tipa poluvodiča u poluvodič p-tipa i difuziji rupa u suprotnom smjeru. Kao rezultat odlaska glavnih nosilaca naboja, na sučelju različitih vrsta poluvodiča stvara se sloj osiromašen mobilnim nosačima, u kojem će se pozitivni ioni nalaziti u n-području. donator atomi; a u p-regiji - negativni ioni akceptor atomi. Ovaj sloj, osiromašen mobilnim nosačima i koji se proteže do frakcija mikrona, jeste tranzicija elektron-rupa.

Potencijalna barijera u pn spoju.

Ako se odnosite na poluvodič električni napon, tada u zavisnosti od polariteta ovog napona, p-n spoj pokazuje potpuno drugačija svojstva.

Svojstva p-n spoj kada je direktno povezan.

Osobine p-n spoja tokom reverznog prebacivanja.

Dakle, uz određeni stupanj aproksimacije, možemo pretpostaviti da električna struja teče kroz p-n spoj ako je polaritet napona izvora napajanja ravan, a, naprotiv, nema struje kada je polaritet obrnut.

Međutim, osim ovisnosti rezultujuće struje o vanjskoj energiji, na primjer, izvoru napajanja ili svjetlosnim fotonima, koji se koristi u brojnim poluvodičkim uređajima, postoji i termalna proizvodnja. U ovom slučaju, koncentracija intrinzičnih nosilaca naboja naglo opada, a samim tim I OBR Također, ako je prijelaz izložen vanjskoj energiji, tada se pojavljuje par slobodnih naboja: elektron - rupa. Bilo koji nosilac naboja rođen u području prostornog nabojastr–n prijelaz, bit će podignut električno polje E VN i izbačen: elektron – un– površina, rupa – u str– region. Nastaje električna struja koja je proporcionalna širini područja prostornog naboja. To je zbog činjenice da što više E VN , što je šire područje u kojem postoji električno polje u kojem dolazi do stvaranja i razdvajanja nosilaca naboja. Kao što je gore spomenuto, brzina stvaranja nosioca naboja u poluvodiču ovisi o koncentraciji i energetskom položaju dubokih nečistoća koje postoje u materijalu.

Iz istog razloga, maksimalna radna temperatura poluvodiča je viša. Za germanijum je 80ºC, silicijum: 150ºC, galijum arsenid: 250ºC (D E= 1,4 eV). At viša temperatura povećava se broj nosilaca naboja, smanjuje se otpor kristala, a poluvodič se termički uništava.

Strujno-naponska karakteristika p-n spoja.

Volt-amper karakteristike (napon-naponska karakteristika) je grafička zavisnost protoka r-n spoj struja iz vanjskog napona primijenjenog na njega I=f(U) . Strujno-naponska karakteristika p-n spoja sa direktnim i obrnutom vezom data je u nastavku.

Sastoji se od ravno(0-A) i obrnuto(0-B-C) grane; vrijednosti su iscrtane na okomitoj osi naprijed i nazad struja , a na osi apscise su vrijednosti naprijed i nazad napon .

Napon iz vanjskog izvora primijenjen na kristal sa r-p tranzicije, fokusira se gotovo u potpunosti na tranziciju bez nosioca. U zavisnosti od polariteta, postoje dve opcije za uključivanje DC napona - direktno i obrnuto.

At direktno kada je uključen (sl. desno - gore), vanjsko električno polje usmjereno je prema unutrašnjem i djelomično ili potpuno ga slabi, smanjuje visinu potencijalne barijere ( Rpr ). At obrnuto kada je uključen (sl. desno - dole), električno polje se poklapa u pravcu sa poljem r-p tranzicije i dovodi do povećanja potencijalne barijere ( Rev ).

Strujno-naponska karakteristika p-n spoja opisana je analitičkom funkcijom:

Gdje

U - vanjski napon odgovarajućeg znaka primijenjen na prijelaz;

Io = It - obrnuto (termički) trenutni p-p tranzicija;

- temperaturni potencijal, gdje k- Boltzmannova konstanta, q- elementarnog naboja(kod T = 300K, 0,26 V).

Na jednosmjernom naponu ( U>0 ) - eksponencijalni član se brzo povećava [ ], jedinica u zagradama se može zanemariti i uzeti u obzir . Sa obrnutim naponom ( U<0 ) eksponencijalni član teži nuli, a struja kroz spoj je skoro jednaka obrnutoj struji; Ip-n = -Io .

Volt-amper p-n karakteristika-spoj pokazuje da čak i pri relativno malim naponima naprijed, otpor spoja opada, a struja naprijed naglo raste.

Slom p–n spoja.

Proboj naziva se oštra promjena u načinu rada spoja pod obrnutim naponom.

Karakteristična karakteristika ove promjene je naglo smanjenje diferencijalni prelazni otpor (Rdiff ). Odgovarajući dio strujno-naponske karakteristike prikazan je na slici desno (obrnuta grana). Nakon što kvar počne, blagi porast obrnutog napona je praćen naglim povećanjem obrnute struje. Tokom procesa kvara, struja se može povećati sa konstantnim i čak opadajućim (u apsolutnoj vrijednosti) obrnutim naponom (u potonjem slučaju, diferencijalni otpor Rdiff ispada negativno).

Dolazi do kvara lavina, tunel, termalni. Obično se nazivaju i tunelski i lavinski kvarovi električni kvar.