![]() КАТЕГОРИИ:
АстрономияБиологияГеографияДругие языкиДругоеИнформатикаИсторияКультураЛитератураЛогикаМатематикаМедицинаМеханикаОбразованиеОхрана трудаПедагогикаПолитикаПравоПсихологияРиторикаСоциологияСпортСтроительствоТехнологияФизикаФилософияФинансыХимияЧерчениеЭкологияЭкономикаЭлектроника
|
Контакти двох напівпровідників з різним типом провіднос-ті. Напівпровідникові діоди. Тунельні діодиНапівпровідники з донорними домішками називаються напівпровідниками n-типу. Напівпровідники з акцепторними домішками називаються напівпровідниками p-типу. Якщо привести такі два напівпровідники до ідеального електричного контакту, то на межі їх поділу одержимо p-n-перехід. Фізично p-n-перехід є подвійним електричним шаром, який утворюється на межі поділу напівпровідників з різним типом провідності. Причому слід відмітити, що подвійний електричний шар створюється лише не основними носіями. Виникнення подвійного електричного шару відбувається в результаті складних процесів дифузії основних носіїв біля межі поділу напівпровідників. Дифузійні потоки електронів і дірок через межу поділу напівпровідників розпочинаються одночасно зразу ж після створення стійкого електричного контакту між напівпровідниками під впливом відповідних градієнтів концентрацій Утворений p-n-перехід має своє внутрішнє електричне поле, яке направлене з сторони n-напівпровідника в сторону p-напівпровідника.
Рис. 2.41
По суті це поле перешкоджає переходу основних зарядів через межу поділу напівпровідників. В умовах рівноваги через межу поділу двох напівпровідників зможуть переходити лише ті вільні носії, енергія яких вища за висоту потенціального бар’єра p-n-переходу. Зупинимось на здатності p-n-переходів випрямляти змінний електричний струм . В загальному випадку через p-n-перехід діода можуть переходити як основні носії у вигляді двох дифузних струмів Ід і Іе, так і не основні носії у вигляді двох дрейфових струмів Ід´ і Іе´. Дрейфові струми створюються лише не основними зарядами і вони на кілька порядків менші дифузних струмів основних носіїв. У рівноважному стані сумарний струм основних і не основних носіїв дорівнює нулю. Зовнішня різниця потенціалів, прикладена до p-n-переходу може по-рушити цю рівновагу. Результуючий струм через p-n-перехід перестає бу-ти рівним нулю. Нехай до p-n-переходу діода прикладена зовнішня різниця потенціа-лів так, що в якийсь момент на n-напівпровідник подається додатний потенціал, а на p-напівпровідник подається від’ємний потенціал (рис.2.42). Напруженості внутрішнього і зовнішнього полів збігаються за напрямком.
Рис. 2.42
Як внутрішнє так і зовнішнє поля перешкоджають дифузії основних носіїв. Діод відкритий лише для неосновних носіїв, яких в обох напівпровідниках дуже мало. Сумарний струм, який буде проходити через діод складається з двох дрейфових струмів неосновних носіїв, що мають різні напрямки
І=Ід´ + Іе´. Потенціальний бар’єр між двома напівпровідниками зріс на величину qeU (рис. 2.43).
Рис. 2.43
Струм, який протікає через p-n-перехід, називається зворотним струмом і від величини зовнішньої різниці потенціалів практично не залежить. Нехай зовнішня різниця потенціалів, прикладена до p-n-переходу в певний момент часу так, як показано на рис. 2.44.
Рис. 2.44
Напрямок напруженості внутрішнього поля ЕВ не збігається з напрямком напруженості зовнішнього поля ЕЗ. Потенціальний бар’єр, який створюється цими полями дорівнює φ – qeU. З рис. 2.44 видно, що струм через p-n-перехід має створюватись дифузією основних зарядів, тобто струмами, які течуть в різних напрямках
І = Ід + Іе.
Рівень Фермі ЕФв цьому випадку для напівпровідників n-типу і p-типу збігається, в той час як при зворотній різниці потенціалів рівні дещо зміщені на величину qeU (рис. 2.45).
Рис. 2.45
Струм для випадку прикладеної зовнішньої різниці потенціалів, показаної на рис. 2.44 і 2.45 називається прямим струмом. Прямий струм перевищує величину зворотного струму не менше як у 1000 разів. З ростом величини зовнішньої напруги прямий струм зростає за експоненціальним законом. Рівняння залежності струму через p-n-перехід від прикладеної до нього різниці потенціалів називається вольтамперною характеристикою
де U – зовнішня різниця потенціалів, прикладена до p-n-переходу з урахуванням експоненціального закону; І0 – величина струму, до якого прямує величина зворотнього струму при збільшенні за абсолютною величиною зворотної напруги. При кімнатній температурі величина kT≈0,025 еВ. При прямій напрузі U = +0,1 еВ величина Вольтамперна характеристика p-n-переходу нелінійна, тому p-n-перехід має властивість односторонньої провідності. Опір у зворотному напрямі має досить значну величину, порівняно з опором у прямому напрямі. При підвищенні температури прямий струм через p-n-перехід зростає, але не значно, тому що його величина залежить від концентрації основних носіїв заряду. При кімнатній температурі концентрація основних носіїв близька до стану насичення. Зворотний струм з підвищенням температури зростає досить швидко, оскільки концентрація неосновних носіїв зростає досить швидко за експоненціальним законом. Вольтамперна характеристика діода показана на рис. 2.46
Рис. 2.46
Масштаби прямого і зворотного струмів, прямої і зворотної напруги вольтамперної характеристики відрізняються відповідно на три і більше ніж на два порядки. Напівпровідникові діоди, для побудови яких використані високолеговані напівпровідники, називаються тунельними діодами. В основі роботи таких діодів лежить тунельний ефект проникнення електронів через потенціальний бар’єр в області p-n-переходу. В тунельному діоді p-n-перехід утворюється на межі електронної і діркової областей кристала з великою концентрацією донорів і акцепторів. Від цього ширина p-n-переходу в тунельному діоді досить незначна. Донорні і акцепторні рівні в таких напівпровідниках розчіплюються в зони. Донорні рівні практично перекриваються з зоною провідності, а акцепторні рівні перекриваються з валентною зоною. Тому ширина забороненої зони в такому випадку зменшується. Рівні Фермі в таких високолегованих напівпровідниках розміщуються відповідно в зоні провідності і у валентній зоні. В такому діоді дно зони провідності p-напівпровідника розміщується нижче стелі валентної зони p-області. Частина електронів в зоні провідності n-напівпровідника розміщуються на рівнях з енергіями, які дорівнюють енергіям електронів в валентній зоні p-напівпровідника. Аналогічно густина електронів в валентній зоні p-напівпровідника розміщується на рівнях з енергіями, які дорівнюють енергіям електронів в зоні провідності n-напівпровідника. Невелика ширина p-n-переходу робить можливим проникнення електронів через цей перехід за рахунок тунельного ефекту. В цьому випадку утворюються відповідні умови для таких переходів, тобто утворюються з протилежної сторони p-n-переходу необхідні вакансії, або вакантні рівні. Тунельні діоди працюють на досить низьких напругах і споживають незначну енергію. Використовують тунельні діоди там, де бракує енергетичних потужностей, а саме – в космічній техніці, сучасній телевізійній і радіоапаратурі.
|