Что такое p-n переход, для чего он нужен и как работает
Рубрика: Статьи про радиодетали
Опубликовано 10.09.2020 · Комментарии: 4 · На чтение: 11 мин · Просмотры:
Post Views: 1 959
Глобально p-n переход – это основа всей современной электроники. И в этой статье мы подробно разберёмся что это за переход, для чего он нужен и как работает.
Содержание
Атомы и ковалентная связь
Для начала давайте разберемся на уровне атомов что и как работает. Это будет небольшое предисловие.
Вся материя состоит из молекул, а молекулы в свою очередь из атомов. И у каждого атома есть протоны, нейтроны и электроны.
Протоны образуют с нейтронами ядро, в котором их равное количество.
Исключение — это водород у которого есть только один протон в ядре, без нейтрона.
Вокруг ядра находятся орбиты электронов (кстати, сейчас принято считать, что это облако электронов).
Между ними действуют сильные и слабые силы, которые являются основой атомов. Далее на изображениях не будем указывать протоны и нейтроны для простоты восприятия.
Конечно, можно погрузиться и дальше, что есть мезоны, кварки и другие фундаментальные частицы. А еще, что на электронных оболочках атомов электроны распределены в виде «газа» и их не получится точно обнаружить, только с определенной долей вероятности. Однако, это не обязательно знать для понимания принципов работы общей цифровой электроники.
Достаточно просто принять тот факт, что есть атомы, у которых присутствуют ядра с положительным зарядом, а вокруг этого ядра находятся орбиты с электронами.
Электроны и протоны имеют противоположные знаки.
В электрически нейтральном атоме количество электронов и протонов одинаково. Все электроны распределены по разным уровням. Кто ближе к ядру – по два электрона, следующий уровень по 4 электрона и так далее.
Но если по какой-либо причине атом теряет электрон, то такой атом становится положительным ионом.
Ему не хватает электрона на своей внешней электронной орбите, которая называется валентным уровнем. С валентного уровня у атома проще «забрать» электрон. А такие электроны, которые находятся на валентном уровне, называются валентными электронами.
Положительный ион (атом, у которого не хватает электронов) будет со знаком +, так как у него дефицит электронов, и он будет притягивать или притягиваться к свободному электрону (зависит от среды).
Все атомы в молекулах соединены друг с другом на валентном уровне, то есть при помощи ковалентной связи.
На валентном уровне связь ядра с электронами намного меньше, чем на других, поэтому атомы могут образовывать материю, соединяясь с другими атомами. Так и получаются химические реакции и соединения атомов друг с другом.
Полупроводники и кристаллическая решетка
Теперь плавно переходим к полупроводникам.
Не путайте кремень и кремний. Кремень – это минерал, а кремний – это химический элемент, который был открыт в 1810 году.
Особенность полупроводников заключается в том, что их атомы друг с другом образуют парные связи.
Допустим, есть атом кремния. У него 4 электрона на валентном уровне. Если к нему присоединить еще 4 атома кремния, то получится кристаллическая решетка. 4 атома связаны друг с другом 4 своими электронами.
На картинке показана связь атомов в плоскости. В реальности она естественно, находится не в одной плоскости, а в пространстве.
То есть, каждый атом может образовывать устойчивую связь друг с другом, по 4 штуки с каждой стороны и плоскости.
Особенность полупроводников заключается в том, что эта кристаллическая решётка очень устойчива.
Кстати, проводимость полупроводников сильно зависит от внешних условий (давление, температура, радиация, свет).
Намного сильнее, чем у других материалов. Это все связано с особенностью кристаллической решетки, которая позволят делать солнечные батареи, датчики, камеры и много чего еще.
Намного сильнее, чем у других материалов. Это все связано с особенностью кристаллической решетки, которая позволят делать солнечные батареи, датчики, камеры и много чего еще.Итак, атомы полупроводников без примесей электрически нейтральны.
И что самое главное, они все равно будут связаны друг с другом. Общая ковалентная связь позволят им обмениваться друг с другом электронами.
Проводимость полупроводников в нормальных условиях практически такая же, как у диэлектриков, то есть очень низкая.
Проводимость кристаллической решетки с примесями
Свободных электронов в чистом полупроводнике мало, и это объясняет низкую проводимость материала.
Однако, при повышении температуры электроны на валентном уровне получают большую энергию, и могут быстрее покидать свои орбиты. Поэтому материал становится более проводимым при повышении температуры.
И из-за этого полупроводники получили свое название.
Это и проводник, и диэлектрик в одном флаконе, который меняет свою проводимость из-за внешних условий.Донорская примесь и n-тип
Если добавить в кристаллическую решетку кремния атом, у которого 5 валентных электронов, то из-за него в кристалле появятся свободные электроны.
Например, есть атом мышьяка (As) и атомы кремния (Si).
4 валентных электрона мышьяка образуют валентную связь с другими атомами кремния. А вот один электрон будет находится в зоне проводимости. То есть, он станет свободным электроном.
А вот атом мышьяка, который непреднамеренно отдал свой электрон, станет положительным ионом. И несмотря на это, кристаллическая решетка остается стабильной.
Полупроводник с примесью, в котором находятся свободные электроны, называется полупроводником n-типа. Основные носители заряда – свободные электроны. Неосновные – дырки.
Примеси добавляют при помощи легирования. Оно может быть, как металлургическим (повышением температуры, изготовление сплавов), так химическим (ионное и диффузное).
Если подать ток по такому материалу, то свободные электроны из примеси притягиваются положительным потенциалом. А с отрицательного потенциала приходят «новые» электроны, взамен старым, которые ушли к положительному потенциалу.
Акцепторная примесь и p-тип
А что будет, если в полупроводник добавить атом с тремя валентными электронам, например бор (B)?
Тогда три валентных электрона атома бора создадут связь с другими атомами кремния. Однако теперь в кристалле с такой примесью будет не хватать одного электрона.
Это отсутствие электрона называется «дыркой». По сути, это положительный заряд, но для простоты понимания его принято называть дыркой.
Это не ион и не элементарная частица. Это дефицит электрона у атомов. И тот атом, у которого будет не хватать электрона на своей орбите, будет притягивать к себе и свободные электроны, которые оказались в кристалле, и электроны от соседних атомов.
Такая примесь в кристалле также повышает его проводимость.
И эта примесь называется акцепторной. То есть, примесные атомы создают дефицит электронов в кристаллической решетке.
Поэтому, такой полупроводник с акцепторной примесью называются p-типом. Его основные носители заряда – дырки. А неосновные – электроны.
Если пустить ток по такому материалу, то к отрицательному потенциалу будет притягиваться дырка к новому поступающему электрону из источника тока. А вот к положительному потенциалу будут уходить электроны, которые находились в кристалле.
Кстати, примесный атом бора получается отрицательно заряженным ионом, поскольку при прохождении тока на его орбите будет не 3 электрона, а 4, что является для него избытком.
Ток неосновных зарядов
Как уже было сказано выше, у p-типа основные носители заряда — это дырки, а у n-типа — это электроны. Неосновные носители соответственно, наоборот. И неосновные носители зарядов тоже участвуют при прохождении тока.
Конечно, неосновных носителей зарядов намного меньше, чем основных, но не стоит их полностью игнорировать, особенно когда речь идет о p-n переходе.
Создание p-n перехода
Что будет, если соединить два кусочка кремния c примесями p-типа и n-типа вместе? Получится p-n переход. Или как его еще называют — электронно-дырочный переход.
Этот переход является разграничительной зоной между p-областью и n-областью.
И особенностью этого перехода является то, что этот переход состоит из ионизированных примесных атомов, которые не позволяют свободным зарядам из двух разных областей соединяться друг с другом. Он образовался от такого явления, как диффузионный ток.
Этот ток возникает при нагреве (изготовлении перехода). Носители зарядов рекомбинируют друг с другом и уравновешивают баланс. Диффузионный ток под воздействием тепла хаотичный, и не имеет упорядоченного направления, если на него не действует вешнее напряжение.
Например, электроны из n-области начинают накапливаться возле положительных ионов примеси, но так как с другой стороны находятся отрицательные ионы n-области, они не могут перейти этот барьер.
С дырками ситуация аналогична.
Свободные электроны из n-области не могут перейти в p-область из-за барьера, который создан ионизированными донорскими примесями. Здесь создается электрическое поле, которое действует как барьер для дырок и электронов. И из-за этого в p-n переходе отсутствуют свободные носителя зарядов. Переход их попросту отталкивает от себя с двух сторон.
Кстати, еще одно название барьера – обедненная область.
А в целом, кристалл остается электрически нейтральным. Если бы не было этого барьера, свободные носители заряды уравновесили бы друг друга.
Преодоление потенциального барьера
Чтобы свободные электроны и дырки могли пройти через этот барьер, нужно приложить внешнее напряжение, которое будет превышать напряжение, требуемое для перехода барьера.
Подключим к n-области минус источника тока, а к p-области плюс источника тока. Такое включение называется прямым. Еще n-область в приборах называют катодом, а p-область — анодом.
Напряжение источника должно быть выше, чем то, которое требуется для открытия p-n перехода.
Допустим, потенциальный барьер равен 0,125 Вольт. Чтобы преодолеть его, подключим источник с напряжением 5 В.
Чтобы не перегружать восприятие, на схеме не показаны неосновные носители зарядов.
И благодаря воздействию электрического поля внешнего источника, свободным носителям хватает энергии для того, чтобы перейти этот потенциальный барьер и преодолеть его электрическое поле. Переход подключен с прямым смещением.
Свежий электрон идет с источника, переходит в n-область, далее преодолевает барьер и переходит дырке, где происходит рекомбинация. И далее этот электрон идет на встречу к дырке, которая идет с положительного потенциала, подключенного к p-области. То есть, по p-n переходу проходит электрический ток. Этот ток называют еще диффузионным током или током прямого включения – когда основные носители зарядов упорядочено движутся к внешнему источнику тока.
Аналогична ситуация с дырками. Положительный потенциал внешнего источника, который подключён к p-области, будет забирать электрон, а на его месте появится дырка. Дырка в свою очередь будет двигаться к барьеру и далее к отрицательному потенциалу источника.
Ток, который создается дырками называется дырочным. Соответственно, ток, который создается электронами – электронным.
А на этой схеме переход показан без барьера, но с обратным током.
Неосновные носители зарядов в свою очередь действуют наоборот, от чего и возникает дополнительное сопротивление в p-n переходе.
Обратный ток может быть равен всего нескольким микроамперам.
Обратное включение
Поменяем полярность внешнего источника на противоположную. Минус к p-области, а плюс к n-области. Что же будет происходить с барьером и током зарядов?
Барьер увеличится за счет того, что основные носители зарядов будут притягиваться к внешнему источнику. Увеличится сопротивление потенциального барьера и напряжение его открытия.
Однако, не смотря на все это, через p-n переход будет протекать обратный ток.
Этот обратный ток очень мал, поскольку создается неосновными носителями заряда. Он еще называется дрейфовым током.
Применение p-n перехода
Вот так и работает простой диод, который состоит из p-n перехода. По-простому, p-n переход – это и есть классический диод. И он может работать как при прямом включении, так и при обратном. А вообще, вся современная цифровая техника состоит из p-n переходов.
Транзисторы, тиристоры, микросхемы, логические элементы, процессоры и многое другое основано именно на этом.
Контролируемый лавинообразный пробой
А что будет, если превысить напряжение потенциального барьера? Например, оно равно 7 В. А на схеме источник 5 В. Если подключим источник на 8 В, то наступит лавинообразный ток.
Неосновные носители зарядов будут забирать с собой основные. От части этот процесс контролируем, если не превышать напряжение источника выше, чем может выдержать p-n переход.
Электрический пробой
Если еще больше повысим напряжение, то будет электрический пробой. Эти явления широко используются на практике, например, в качестве стабилизаторов.
Ток не пойдет по цепи пока не будет то напряжение, которое требуется для открытие обратного смещенного p-n перехода.
И электрический пробой контролируется. Стабилитроны (так называются диоды, которые работают в таком режиме) делаются специально с широкими p-n переходами, которые долго работают под постоянными нагрузками.
Тепловой пробой
Но если радиодеталь изначально не рассчитана электрический пробой, то она быстро нагреется и произойдет тепловой пробой. Дырки и электроны получат тепловую энергию, из-за которой барьер полностью разрушится. Переход нагревается и трескается под действием температуры. Это необратимый процесс.
Вообще, когда техника «перегорает» — это и есть явление теплового пробоя, то есть превышение допустимой температуры.
И во время пайки тоже может случиться тепловой пробой. Достаточно немного перегреть деталь и p-n переход будет разрушен.
Соответственно, если пустить по диоду ток, который превышает его пропускную способность, то тоже случится тепловой пробой. Тоже самое касается и рассеиваемой мощности.
Как избавиться от обратного тока
А можно ли избавиться от обратного тока? Для этого в переход добавляют металлические примеси, которые убирают неосновные носители зарядов при обратном включении.
Но и обратный ток можно использовать на практике.
Например, с его помощью реализуются обратная связь, некоторые функции и измерения.
Как еще применяется обратное включение
А еще, обратное включение очень похоже на конденсатор. Взгляните на схему. Это же две обкладки конденсатора, посередине которого есть «диэлектрик». И электронно-дырочный переход обладает емкостью. И это тоже используется на практике. Так называется полупроводниковый конденсатор.
В радиоприёмниках используют вместо подстрочных конденсаторов варикапы. Варикапы легко настроить. Нужно всего лишь подать напряжение обратным смещением определенного значения, для повышения или понижения емкости.
Конечно, это не основное применение p-n перехода. Переход используется во всей цифровой технике по-разному.
Выпрямители, усилители, генераторы, процессоры, солнечные батареи и много другое. И то, что было описано выше про принцип работы p-n перехода – это принцип работы обычного диода.
Итог
Это наиболее простое описание принципа работы p-n перехода. Он бывает разных типов, и в полупроводниках есть физические явления, которые возникают при различных условиях.
Да и изготовление полупроводниковых радиодеталей бывает разным. Полупроводники разделяются на целые классы со своими особенностями. А микропроцессорное производство – это отдельный вид искусства.
Post Views: 1 959
Электронно-дырочный переход
Диод p-n переход
Электронно-дырочный переход — это область, которая разделяет поверхности электронной и дырочной проводимости в монокристалле.
Электронно-дырочный переход изготавливают в едином монокристалле, в котором получена достаточно резкая граница между областями электронной и дырочной проводимостей.
На рисунке изображены две граничащие области полупроводника, одна из которых содержит донорную примесь (область электронной, то есть n-проводимости), а другая акцепторную примесь (область дырочной проводимости, то есть p-проводимости). Чтобы понять как формируется тот или иной тип полупроводника, рекомендуем прочесть статью — Примесные полупроводники.
При отсутствии приложенного напряжения наблюдается диффузия основных носителей зарядов из одной области в другую. Так как электроны это основные носители заряда, и в области n их концентрация больше они диффундируют в p-область заряжая отрицательно приграничный слой этой области. Но уходя со своего места электроны создают вакантные места – дырки, тем самым заряжая приграничный слой n-области положительно. Таким образом, через достаточно короткий промежуток времени с обеих сторон поверхности раздела образуются противоположные по знаку пространственные заряды.
Электрическое поле, создаваемое пространственными зарядами, препятствует дальнейшей диффузии дырок и электронов. Возникает так называемый потенциальный барьер, высота которого характеризуется разностью потенциалов в пограничном слое.
Электронно-дырочный переход, во внешнем исполнении реализуется в виде полупроводникового диода.
Если к электронно-дырочному переходу приложить внешнее напряжение так, что к области с электронной проводимостью подключён отрицательный полюс источника, а к области с дырочной проводимостью – положительный, то направление напряжения внешнего источника будет противоположно по знаку электрическому полю p-n перехода, это вызовет увеличение тока через p-n переход. Возникнет 
Такое подключение называют прямым
Но если изменить полярность приложенного к p-n переходу напряжения на противоположное, то электроны из пограничного слоя начнут движение от границы раздела к положительному полюсу источника, а дырки к отрицательному. Следовательно, свободные электроны и дырки будут отдаляться от пограничного слоя, создавая тем самым прослойку, в которой практически отсутствуют носители зарядов. В результате ток в p-n переходе снижается в десятки тысяч раз, его можно считать приближённо равным нулю. Возникает обратный ток, который образован не основными носителями заряда.Такое подключение называют
При прямом подключении электронно-дырочного перехода, ток возрастает с увеличением напряжения.
При обратном подключении ток достигает значения Iнас, называемое током насыщения. Если продолжать увеличивать напряжение при обратном включении, то может настать пробой диода. Это свойство также используется в различных стабилитронах и т.д.
Свойства p-n перехода широко применяются в электронике, а именно в диодах, транзисторах и других полупроводниках.
Читайте также — Проводимость полупроводников
Обеспечение плавного перехода для членов команды в конце проекта Управление проектами для чайников
Изучить книгу Купить на Amazon
В рамках успешного завершения собственного проекта вам необходимо помочь членам вашей команды выполнить свои обязанности по проекту и перейти к следующим заданиям. Упорядоченная и согласованная обработка этого перехода позволяет людям сосредоточить свою энергию на выполнении своих задач по вашему проекту, вместо того, чтобы думать, где и когда будут их следующие задания.
В частности, сделайте следующее:- Признание и документирование вклада членов команды. Выразите признательность людям за их помощь в вашем проекте и поделитесь с ними своей оценкой их работы. Найдите минутку, чтобы поблагодарить их руководителей за то, что они предоставили их для вашего проекта, и дайте руководителям оценку их работы.
Как правило, делитесь положительными отзывами публично; делитесь конструктивной критикой и предложениями по улучшению в частном порядке. В обоих случаях обязательно делитесь своими комментариями с членами команды лично и пишите о своем разговоре.
- Помогите людям спланировать переход к новым заданиям. Если уместно, помогите людям найти их следующие задания по проекту. Помогите им разработать график свертывания их участия в вашем проекте, убедившись, что они выполняют все свои оставшиеся обязательства. Подумайте о том, чтобы провести итоговое совещание по проекту или обед, чтобы члены вашей команды завершили свою работу и отношения в проекте.
- Сообщите организации, что ваш проект завершен. Вы можете сделать это объявление по электронной почте, в объявлении во внутренней сети компании, на собрании или в общеорганизационной публикации, например в информационном бюллетене. Вам необходимо сделать это объявление по следующим трем причинам:
- Чтобы предупредить людей в вашей организации о том, что запланированные результаты вашего проекта теперь доступны
- Чтобы подтвердить людям, поддержавшим ваш проект, что их усилия привели к успешному результату
- Чтобы люди знали, что они больше не могут взимать плату за время или ресурсы для вашего проекта
- Уделите немного времени, чтобы члены команды и другие лица, поддержавшие ваш проект, узнали о реальных результатах затраченного времени и труда. Ничто не может дать членам вашей команды более сильную мотивацию для перехода к следующему заданию и предоставления постоянной высококачественной поддержки, чем сообщение им о положительных результатах их предыдущей тяжелой работы.
Эта статья из книги:
- Управление проектами для чайников,
Об авторах книги:
Джонатан Л. Портни, MBA, PMP ® , имеет более чем 15-летний опыт работы в области управления проектами и является сертифицированным специалистом по управлению проектами. Его отец, Стэнли Э. Портни, PMP ® , , был всемирно признанным экспертом в области управления проектами и автором всех предыдущих изданий «Управление проектами для чайников».
Джонатан Л. Портни, MBA, PMP ® , имеет более чем 15-летний опыт работы в области управления проектами и является сертифицированным специалистом по управлению проектами. Его отец, Стэнли Э. Портни, PMP ® , , был всемирно признанным экспертом в области управления проектами и автором всех предыдущих изданий «Управление проектами для чайников».
Эту статью можно найти в категории:
- Управление проектами,
Национальный родительский центр по переходу и занятости
Перейти к основному содержанию
PACER.org
Национальный центр предотвращения издевательств
Узнайте больше о нас
Узнайте больше о нас
Узнайте больше об учебном центре
Узнайте больше об учебном центре
5 9 наши истории
Узнайте больше о наших историях
Узнайте больше о наших видео
Узнайте больше о наших видео
Узнайте больше о библиотеке ресурсов
Узнайте больше о библиотеке ресурсов
Меняющаяся роль родителей
В этом 6-минутном видео, взятом из недавней презентации на родительской конференции, содиректор NPCTE Барб Зиемке обсуждает «сейсмический сдвиг», который родителям молодежи с ограниченными возможностями придется совершить при переходе к взрослой жизни.
.
Прокладывая путь: советы для родителей по обеспечению успеха в старшей школе и за ее пределами
Информация для родителей старшеклассников, содержащая множество практических советов и ресурсов по:
- Общение и командная работа
- Учебные привычки и выбор курса
- Празднование и поддержка
- Подготовка к будущему
Проверьте это
Сотни колледжей в США открывают двери в высшие учебные заведения для студентов с ограниченными умственными возможностями. 36-минутный фильм «Открывая двери в колледж» показывает, как студенты, такие как Кертис, Джанет, Фудия и Мисси, возглавляют эту инклюзивную революцию, погружаясь в классы, жилую жизнь, внеклассные мероприятия и весь опыт колледжа в Миллерсвилле и Темпле. Университеты
Все разделы
Планирование перехода в среднюю и старшую школу
Планирование перехода в среднюю и старшую школу
Планирование перехода можно начать за много лет до того, как молодые люди с ограниченными возможностями закончат среднюю школу.
Узнайте о некоторых первых шагах, которые вы можете предпринять.
Высшее образование
Высшее образование
Высшее образование может открыть двери возможностей для молодежи с ограниченными возможностями. Узнайте о различиях между доступом к общежитию в старшей школе и колледже, а также другую важную информацию о высшем образовании.
Трудоустройство
Трудоустройство
Трудоустройство является важным аспектом переходного периода. Этот раздел содержит ресурсы по поиску этой первой работы, пониманию того, какие услуги доступны для поддержки трудоустройства, и помощи молодежи в отстаивании своих интересов.
Независимая и общественная жизнь
Независимая и общественная жизнь
Хотите узнать, как помочь вашей молодежи вести независимую жизнь в обществе? Ознакомьтесь с этими ресурсами по личностно-ориентированному планированию и самоопределению.
Законы и права
Законы и права
Изучите основные положения основных федеральных законов об инвалидах, а также предоставляемые ими права и услуги.
Просмотреть все разделы (8)
Просмотреть все разделы (8)
Независимо от того, начинаете ли вы процесс планирования перехода или ищете информацию по определенной теме, Учебный центр является всеобъемлющим источником информации, предназначенным для поддержки различных потребностей семей. .
Все видео
Подготовка к взрослой жизни Серия:
Взять на себя заботу о своем собственном здоровье
Эта серия из 4 частей о переходе от педиатрической к взрослой медицинской помощи была разработана Молодежным консультативным советом PACER. Сериал ориентирован на молодежь, родителей, поставщиков медицинских услуг и учителей, чтобы улучшить разговоры о молодежи, отвечающей за собственное здоровье.
Посмотреть видео Просмотреть все доступные серии
Темы
- Работа
- Независимая жизнь
- Высшее образование
- Все темы (85)
Полная библиотека ресурсов
| Картирование снов: переход во взрослую жизнь Книга: 50 страниц. В этой книге описаны практические шаги, которые родители могут предпринять, чтобы помочь спланировать переход своего ребенка из средней школы к работе во взрослом возрасте, послесреднему образованию или профессиональной подготовке и самостоятельной жизни. Он включает разделы «Поговорите со своим ребенком» и контрольные списки, которые помогут начать обсуждение будущего вашего ребенка, а также список ресурсов. Книги стоят 8 долларов каждая (бесплатно для родителей из Миннесоты). | |
Позвоните в PACER по телефону (952) 838-9000 и закажите товар ST-40. | |
(Читать отрывок)Будьте в курсе событий Ежедневно на Facebook
Качественная информация и ресурсы для семей подростков переходного возраста с ограниченными возможностями.
