Первооткрыватель p-n перехода в полупроводниках академик В.Е. Лашкарев
В XV – XIX и начале XX века – более 400 лет(!) – создатели вычислительных средств использовали десятичную систему счисления. Для представления цифр применялось колесо с десятью зубцами, а чисел – набор таких колес.
В. Е. Лашкарев
Именно так в XYII веке были созданы простейшие устройства для суммирования, вычитания и умножения чисел (машины Паскаля, и Лейбница), в которых использовалось от 8 до 13 колес.
В XVIII веке английский ученый Чарльз Беббидж спроектировал и частично построил «аналитическую машину» – первую цифровую вычислительную машину с программным управлением, включающую пять устройств – арифметическое, память управления, ввода и вывода (как в первых ЭВМ). Арифметическое устройство и память были спроектированы на основе зубчатых колес общим количеством более 50 тыс.!
В середине XX века с переходом от десятичной к двоичной системе счисления для этой цели стали использовать электромагнитные реле и электронные лампы (почти одновременно).
Затем большое распространение получила память и логические элементы в которых использовались ферритные сердечники. Постепенно эти и многие другие достаточно громоздкие и ненадежные носители информации были вытеснены элементами на базе транзисторов, которые, совершенствуясь, превратились в интегральные схемы, содержащие вначале тысячи, а позднее миллионы компонентов.
За пятьдесят лет использования транзисторов у них не появилось серьезных конкурентов. Естественно задать вопрос – кто был первооткрывателем физических эффектов, положенных в основу транзистора? Чтобы ответить, раскроем еще одно «белое пятно» в развитии информационных технологий в Украине. Оно связано с именем и деятельностью выдающегося украинского физика Вадима Евгеньевича Лашкарева (1903–1974 гг.) Он по праву должен был бы войти в группу американских ученых (Джон Бардин, Вильям Шокли, Уотер Браттейн), которые в 1956 г. были удостоены Нобелевской премии по физике за открытие транзисторного эффекта.
Еще в 1941 г.
В. Е. Лашкарев опубликовал статью «Исследование запирающих слоев методом термозонда» (Известия АН СССР сер. физ. т. 5, 1941 г.) и в соавторстве с К. М. Косоноговой статью «Влияние примесей на вентильный фотоэффект в закиси меди» (там же). Он установил, что обе стороны «запорного слоя» расположенного параллельно границе раздела медь-закись меди, знаки носителей тока противоположные. Впоследствии это явление получило название p-n перехода (p – от positive, n – от negative). Им же «был раскрыт механизм инжекции – важнейшего явления на основе которого действуют полупроводниковые диоды и транзисторы» (Н. Н. Боголюбов и др. «Памяти Вадима Евгеньевича Лашкарева», Успехи физических наук, т. 117, вып. 2, с. 377, 378. 1975 г.).
Первое сообщение в американской печати о появлении полупроводникового усилителя-транзистора появилось в июле 1948 г. – спустя 7 лет после статьи Лашкарева. Его изобретатели американские ученые Бардин и Браттейн пошли по пути создания т. н. точечного транзистора на базе кристалла германия n-типа.
Первый обнадеживающий результат был получен ими в конце 1947 г. Однако, прибор вел себя неустойчиво, его характеристики отличались непредсказуемостью, и поэтому практического применения точечный транзистор не получил.
В 1951 г. в США появился более надежный плоскостной транзистор n-p-n типа. Его создал Шокли. Транзистор состоял из трех слоев германия n, p и n типа, общей толщиной в 1 см и был совсем не похож на последующие миниатюрные, а со временем и невидимые глазу компоненты интегральных схем.
Уже через несколько лет значимость изобретения американских ученых стала очевидной, и они были отмечены Нобелевской премией. Возможно, что начавшаяся «холодная война» или существовавший тогда «железный занавес» помешали добавить еще одного лауреата – В. Е. Лашкарева. Его интерес к полупроводникам не был случайным. Начиная с 1939 г. и до конца жизни он последовательно и результативно занимался исследованием их физических свойств. В дополнение к двум первым работам в 1950 г. он и В. И.
Ляшенко опубликовали статью «Электронные состояния на поверхности полупроводника» (Юбил. сборн. к 70-летию акад. А. Ф. Иоффе, 1950 г.), в которой описали результаты исследований поверхностных явлений в полупроводниках, положенные в дальнейшем в основу работы интегральных схем на базе полевых транзисторов.
Под его руководством в начале 50-х годов в Институте физики НАН Украины было организовано производство точечных транзисторов.
Сформированная В. Е. Лашкаревым научная школа в области физики полупроводников становится одной из ведущих в Советском Союзе. Признанием значимости ее научных результатов стало создание в 1960 г. Института полупроводников НАН Украины, директором которого был назначен В. Е. Лашкарев.
Ученый родился и получил высшее образование в Киеве, затем работал в Ленинграде. К сожалению, первые годы его творческой деятельности совпали с годами репрессий, начавшихся после убийства Кирова в 1934 г. Он был арестован и выслан в Архангельск, где заведовал кафедрой физики в мединституте до 1939 г.
Последующие самые плодотворные 35 лет своей жизни он провел в Киеве, оставив после себя целую плеяду учеников, выросших в крупных ученых, успешно продолжающих начатые В. Е. Лашкаревым исследования.
Подводя итог, можно сказать, что В. Е. Лашкарев является пионером информационных технологий в Украине, в бывшем Советском Союзе в области технологии компонентов (транзисторной элементной базы) средств вычислительной техники. Вполне справедливо считать его и одним из первых в мире основоположников транзисторной микроэлектроники.
Опубликовано на сайте «Музей истории компьютерной науки и техники в Украине».
Перепечатывается с разрешения редакции.
P-N переход
Добавлено 12 июня 2016 в 17:00
Если блок полупроводника P-типа соединить с блоком полупроводника N-типа (рисунок ниже (a)), результат не будет иметь никакого значения. У нас будут два проводящих блока соприкасающихся друг с другом, не проявляя никаких уникальных свойств. Проблема заключается в двух отдельных и различных кристаллических структурах.
Количество электронов уравновешивается количеством протонов в обоих блоках. Таким образом, в результате ни один блок не имеет какого-либо заряда.
Тем не менее, один полупроводниковый кристалл, изготовленный из материала P-типа с одной стороны и материала N-типа с другой стороны (рисунок ниже (b)), обладает уникальными свойствами. У материала P-типа основными являются положительные носители заряда, дырки, которые свободно передвигаются по кристаллической решетке. У материала N-типа основными и подвижными являются отрицательные носители заряда, электроны. Вблизи перехода электроны материала N-типа диффундируют через переход, соединяясь с дырками в материале P-типа. Область материала P-типа вблизи перехода приобретает отрицательный заряд из-за привлеченных электронов. Так как электроны покинули область N-типа, та приобретает локальный положительный заряд. Тонкий слой кристаллической решетки между этими зарядами теперь обеднен основными носителями, таким образом, он известен, как 
Эта область становится непроводящим материалом из собственного полупроводника. По сути, мы имеем почти изолятор, разделяющий проводящие легированные области P и N типов.
(b) Монокристалл, легированный примесями P и N типа, создает потенциальный барьер.
Такое разделение зарядов в P-N-переходе представляет собой потенциальный барьер. Этот потенциальный барьер может быть преодолен под воздействием внешнего источника напряжения, заставляющего переход проводить электрический ток. Формирование перехода и потенциального барьера происходит во время производственного процесса. Величина потенциального барьера зависит от материалов, используемых при производстве. Кремниевые P-N-переходы обладают более высоким потенциальным барьером, по сравнению с германиевыми переходами.
На рисунке ниже (a) батарея подключена так, что отрицательный вывод источника поставляет электроны к материалу N-типа.
Эти электроны диффундируют к переходу. Положительный вывод источника удаляет электроны из полупроводника P-типа, создавая дырки, которые диффундируют к переходу. Если напряжение батареи достаточно велико для преодоления потенциала перехода (0,6В для кремния), электроны из области N-типа и дырки из области P-типа объединяются, уничтожая друг друга. Это освобождает пространство внутри решетки для перемещения в сторону перехода большего числа носителей заряда. Таким образом, токи основных зарядов областей N-типа и P-типа протекают в сторону перехода. Рекомбинация в переходе позволяет току батареи протекать через P-N переход диода. Такое включение называется
(b) Обратное смещение притягивает носителей зарядов к выводам батареи, подальше от перехода. Толщина обедненной области увеличивается. Устойчивый ток через батарею не протекает.
Если полярность батареи изменена на противоположную, как показано выше на рисунке (b), основные носители зарядов притягиваются от перехода к клеммам батареи.
Условное обозначение диода, показанное ниже на рисунке (b), соответствует пластине легированного полупроводника на рисунке (a). Диод представляет собой однонаправленное устройство. Электронный ток протекает только в одном направлении, против стрелки, соответствующем прямому смещению. Катод, полоса на условном обозначении диода, соответствует полупроводнику N-типа. Анод, стрелка, соответствует полупроводнику P-типа.
Примечание: в оригинале статьи предлагается алгоритм запоминания расположения типов полупроводника в диоде. Неуказывающая (Not-pointing) часть условного обозначения (полоса) соответствует полупроводнику N-типа.
Указывающая (Pointing) часть условного обозначения (стрелка) соответствует P-типу.
(c) График зависимости тока от напряжения кремниевого диода
Если к диоду приложено прямое смещение (как показано на рисунке (a) выше), при увеличении напряжения от 0 В ток будет медленно возрастать. В случае с кремниевым диодом протекающий ток можно будет измерить, когда напряжение приблизится к 0,6 В (рисунок (c) выше). При увеличении напряжения выше 0,6 В ток после изгиба на графике начнет резко возрастать. Увеличение напряжения выше 0,7 В может привести к току, достаточно большому, чтобы вывести диод из строя. Прямое напряжение Uпр является одной из характеристик полупроводников: 0,6–0,7 В для кремния, 0,2 В для германия, несколько вольт для светоизлучающих диодов. Прямой ток может находиться в диапазоне от нескольких мА для точечных диодов до 100 мА для слаботочных диодов и до десятков и тысяч ампер для силовых диодов.
Если диод смещен в обратном направлении, то протекает только ток утечки собственного полупроводника. Это изображено на графике слева от начала координат (рисунок (c) выше). Для кремниевых диодов этот ток в самых экстремальных условиях будет составлять примерно 1 мкА. Это ток при росте напряжения обратного смещения увеличивается незаметно, пока диод не будет пробит. При пробое ток увеличивается настолько сильно, что диод выходит из строя, если последовательно не включено сопротивление, ограничивающее этот ток. Обычно мы выбираем диод с обратным напряжением, превышающим напряжения, которые могут быть приложены при работе схемы, чтобы предотвратить пробой диода. Как правило, кремниевые диоды доступны с напряжениями пробоя 50, 100, 200, 400, 800 вольт и выше. Также возможно производство диодов с меньшим напряжением пробоя (несколько вольт) для использования в качестве эталонов напряжения.
Ранее мы упоминали, что обратный ток утечки до микроампера в кремниевых диодах обусловлен проводимостью собственного полупроводника.
Для германия ток утечки на несколько порядков выше. Так как германиевые полупроводники сегодня редко используются на практике, то это не является большой проблемой.
Подведем итоги
P-N переходы изготавливаются из монокристаллического куска полупроводника с областями P и N типа в непосредственной близости от перехода.
Перенос электронов через переход со стороны N-типа к дыркам на сторону P-типа с последующим взаимным уничтожением создает падение напряжения на переходе, составляющее от 0,6 до 0,7 вольта для кремния и зависящее от полупроводника.
Прямое смещение P-N перехода при превышении значения прямого напряжения приводит к протеканию тока через переход. Прикладываемая внешняя разность потенциалов заставляет основных носителей заряда двигаться в сторону перехода, где происходит рекомбинация, позволяющая протекать электрическому току.
Обратное смещение P-N перехода почти не создает ток. Прикладываемое обратное смещение оттягивает основных носителей заряда от перехода. Это увеличивает толщину непроводящей обедненной области.
Через P-N переход, к которому приложено обратное смещение, протекает обратный ток утечки, зависящий от температуры. В небольших кремниевых диодах он не превышает микроампер.
Оригинал статьи:
- The P-N Junction
Теги
PN переходНазад
Оглавление
Вперед
Работа соединения PN — полупроводниковые диоды
ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ
Теперь, когда вы знакомы с материалами P- и N-типа, с тем, как эти материалы соединяются вместе, образуя диод, и с функцией диода, давайте продолжим обсуждение работы PN-перехода.
Но прежде чем мы сможем понять, как работает PN-переход, мы должны сначала рассмотреть ток, протекающий в материалах, из которых состоит переход, а затем то, что первоначально происходит внутри перехода, когда эти два материала соединяются вместе.
Течение тока в материале N-типа
Проводимость в полупроводнике N-типа или кристалле аналогична проводимости в медном проводе. То есть, когда к материалу приложено напряжение, электроны будут двигаться через кристалл так же, как ток течет по медному проводу. Это показано на рисунке выше. Положительный потенциал батареи будет притягивать свободные электроны в кристалле. Эти электроны покинут кристалл и перейдут на положительный полюс батареи. Когда электрон покидает кристалл, электрон с отрицательной клеммы батареи входит в кристалл, таким образом завершая путь тока. Следовательно, большинство носителей тока в материале N-типа (электроны) отталкиваются отрицательной стороной батареи и движутся через кристалл к положительной стороне батареи.
Течение тока в материале P-типа
Протекание тока через материал P-типа показано на рисунке выше. Проводимость в материале P осуществляется положительными дырками, а не отрицательными электронами. Отверстие перемещается от положительной клеммы материала P к отрицательной клемме. Электроны из внешней цепи попадают на отрицательную клемму материала и заполняют отверстия вблизи этой клеммы. На положительном полюсе электроны удаляются из ковалентных связей, создавая тем самым новые дырки. Этот процесс продолжается по мере того, как постоянный поток дырок (дырочный ток) движется к отрицательному выводу.
Обратите внимание, что как в материалах N-типа, так и в материалах P-типа ток во внешней цепи состоит из электронов, движущихся от отрицательной клеммы батареи к положительной клемме батареи. Дырочный поток, с другой стороны, существует только внутри самого материала.
Перегородка
Хотя материал N-типа имеет избыток свободных электронов, он по-прежнему электрически нейтрален.
Это связано с тем, что донорные атомы в материале N остались с положительными зарядами после того, как свободные электроны стали доступны за счет ковалентной связи (число протонов превысило количество электронов). Следовательно, каждому свободному электрону в N-материале соответствует положительно заряженный атом, уравновешивающий его. Конечным результатом является то, что N-материал имеет нулевой общий заряд.
По тем же соображениям материал P-типа также электрически нейтрален, поскольку избыток дырок в этом материале точно уравновешивается количеством электронов. Имейте в виду, что дырки и электроны все еще могут свободно перемещаться в материале, потому что они слабо связаны со своими родительскими атомами.
Казалось бы, если бы мы соединили материалы N и P одним из процессов, упомянутых ранее, все дырки и электроны соединились бы. Наоборот, этого не происходит. Вместо этого электроны в материале N диффундируют (перемещаются или рассеиваются) через переход в материал P и заполняют некоторые из отверстий.
В то же время дырки в материале P диффундируют через переход в материал N и заполняются электронами материала N. Этот процесс, называемый РЕКОМБИНАЦИЕЙ СОЕДИНЕНИЯ, уменьшает количество свободных электронов и дырок вблизи соединения. Поскольку в этой области наблюдается истощение или отсутствие свободных электронов и дырок, она известна как ОБЛАСТЬ ИСКЛЮЧЕНИЯ.
Потеря электрона из материала N-типа создала положительный ион в материале N, в то время как потеря дырки из материала P создала отрицательный ион в этом материале. Эти ионы зафиксированы в структуре кристаллической решетки и не могут двигаться. Таким образом, они образуют слой фиксированных зарядов по обеим сторонам перехода, как показано на рисунке выше. На стороне N перехода находится слой положительно заряженных ионов; на стороне P перехода находится слой отрицательно заряженных ионов. Электростатическое поле, представленное на рисунке небольшой батареей, создается на стыке между противоположно заряженными ионами. Диффузия электронов и дырок через переход будет продолжаться до тех пор, пока величина электростатического поля не увеличится до такой степени, что электроны и дырки больше не будут иметь достаточно энергии, чтобы преодолеть его, и будут отталкиваться отрицательными и положительными ионами соответственно.
В этой точке устанавливается равновесие, и для всех практических целей движение носителей через узел прекращается. По этой причине электростатическое поле, создаваемое положительными и отрицательными ионами в обедненной области, называется барьером.
Только что описанное действие происходит почти мгновенно при образовании соединения. Затронуты только носители в непосредственной близости от перекрестка. Носители в остальной части материала N и P относительно нетронуты и остаются в сбалансированном состоянии.
Смещение вперед
Внешнее напряжение, прикладываемое к PN-переходу, называется BIAS. Если, например, батарея используется для подачи смещения на PN-переход и подключена так, что ее напряжение противодействует полю перехода, это уменьшит барьер перехода и, следовательно, будет способствовать протеканию тока через переход. Этот тип смещения известен как прямое смещение, и он заставляет соединение оказывать только минимальное сопротивление протеканию тока.
Прямое смещение показано на рисунке выше.
Обратите внимание, что положительная клемма батареи смещения подключена к
Материал P-типа и отрицательная клемма батареи соединены с материалом N-типа. Положительный потенциал отталкивает дырки к стыку, где они нейтрализуют часть отрицательных ионов. В то же время отрицательный потенциал отталкивает электроны к стыку, где они нейтрализуют часть положительных ионов. Поскольку ионы по обе стороны барьера нейтрализуются, ширина барьера уменьшается. Таким образом, влияние напряжения батареи в направлении прямого смещения заключается в снижении барьерного потенциала на переходе и обеспечении возможности пересечения перехода основными носителями. Течение тока в PN-переходе с прямым смещением относительно простое. Электрон покидает отрицательную клемму батареи и движется к клемме материала N-типа. Он входит в материал N, где он является основным носителем, и движется к краю барьера соединения. Из-за прямого смещения барьер оказывает меньшее сопротивление электрону, и он проходит через обедненную область в материал P-типа.
Электрон теряет энергию при преодолении противодействия переходного барьера и, войдя в материал Р, соединяется с дыркой. Отверстие образовалось, когда электрон был извлечен из материала P положительным потенциалом батареи. Созданная дырка движется через материал P к соединению, где она соединяется с электроном.
Важно помнить, что в условиях прямого смещения проводимость осуществляется БОЛЬШИМИ носителями тока (дырками в материале P-типа и электронами в материале N-типа). Увеличение напряжения батареи увеличит количество основных носителей, достигающих перехода, и, следовательно, увеличит протекающий ток. Если напряжение батареи увеличить до точки, при которой барьер значительно уменьшится, будет протекать сильный ток, и переход может быть поврежден из-за возникающего тепла.
Обратное смещение
Если батарея, упомянутая ранее, подключена к переходу так, что ее напряжение помогает переходу, это увеличит барьер перехода и, таким образом, обеспечит высокое сопротивление току, протекающему через переход.
Этот тип смещения известен как обратное смещение.
Для обратного смещения переходного диода отрицательная клемма батареи подключается к материалу P-типа, а положительная клемма батареи — к материалу N-типа, как показано на рисунке выше. Отрицательный потенциал притягивает дырки от края барьера перехода на стороне P, в то время как положительный потенциал притягивает электроны от края барьера на стороне N. Это действие увеличивает ширину барьера, потому что на стороне P перехода больше отрицательных ионов, а на стороне N перехода больше положительных ионов. Обратите внимание, что на рисунке ширина барьера увеличилась. Это увеличение количества ионов предотвращает протекание тока через переход основными носителями. Однако ток, протекающий через барьер, не совсем равен нулю из-за пересечения перехода неосновными носителями. Как вы помните, когда на кристалл воздействует внешний источник энергии (например, свет, тепло и т. д.), генерируются электронно-дырочные пары. Электронно-дырочные пары создают неосновные носители тока.
В обеих областях имеются неосновные носители тока: дырки в N-материале и электроны в P-материале. При обратном смещении электроны в материале P-типа отталкиваются к переходу отрицательным полюсом батареи. Когда электрон движется через соединение, он нейтрализует положительный ион в материале N-типа. Точно так же отверстия в материале N-типа будут отталкиваться положительным полюсом батареи в направлении соединения. Когда отверстие пересекает соединение, оно нейтрализует отрицательный ион в материале P-типа. Это движение неосновных носителей заряда называется ПОТОКОМ ТОКА МЕНЬШИНСТВА, потому что дырки и электроны происходят из электронно-дырочных пар, которые генерируются в структуре кристаллической решетки, а не из-за добавления примесных атомов.
Поэтому, когда PN-переход смещен в обратном направлении, не будет протекать ток из-за основных носителей, но будет очень небольшой ток из-за неосновных носителей, пересекающих переход. Однако при нормальных рабочих температурах этим малым током можно пренебречь.
Таким образом, наиболее важным моментом, который следует помнить о диоде с PN-переходом, является его способность оказывать очень небольшое сопротивление протеканию тока в направлении прямого смещения, но максимальное сопротивление протеканию тока при обратном смещении. Хороший способ проиллюстрировать этот момент — построить график зависимости приложенного напряжения от измеренного тока. На рисунке ниже показан график зависимости напряжения от тока (характеристическая кривая) для типичного диода с PN-переходом.
Чтобы определить сопротивление по кривой на этом рисунке, мы можем использовать закон Ома:
Р = В/Я
Например, в точке А напряжение прямого смещения составляет 0,6 вольт, а ток прямого смещения составляет 2 мА. Этот
представляет собой сопротивление 300 Ом (0,6 В/2 мА = 300 Ом). Однако в точке В напряжение 0,8 вольта, а сила тока 50 миллиампер. Это приводит к сопротивлению диода 16 Ом. Обратите внимание, что при увеличении напряжения прямого смещения сопротивление уменьшилось с 300 Ом до 16 Ом.
Другими словами, когда прямое смещение увеличивается, барьер перехода становится меньше, а его сопротивление протеканию тока уменьшается.
С другой стороны, диод очень мало проводит при обратном смещении. Обратите внимание, что в точке C напряжение обратного смещения составляет 80 вольт, а сила тока составляет всего 10 наноампер. Это приводит к сопротивлению 8 ГОм, что значительно больше, чем сопротивление перехода с прямым смещением. Из-за этих необычных особенностей диод с PN-переходом часто используется для преобразования переменного тока в постоянный (выпрямление).
6.24 Перекресток P-N
6.24 Перекресток P-N
|
Далее: 6. 25 Транзистор |
6.24 Перекресток PN
P-n переход — рабочая лошадка полупроводников приложения. В этом разделе объясняется его физическая природа и почему он может выступать в качестве выпрямителя тока, между прочим.
P-n переход создается легированием одной стороны полупроводника.
кристалл n-типа, а другая сторона p-типа. Как
показано внизу рисунка 6.33, n
сторона имеет заметное количество электронов проводимости, показанных черным цветом
точки. Эти электроны были предоставлены атомами-донорами. Донор
атомы, отдав один из своих отрицательно заряженных электронов, имеют
становятся положительно заряженными и отображаются в виде обведенных плюсов.
Сторона p имеет заметное количество дырок, квантовых состояний которые потеряли свои электроны. Отверстия показаны в виде маленьких кружков на рисунке. Поскольку отрицательно заряженный электрон отсутствует на дырка ведет себя как положительно заряженная частица. Пропавший без вести электроны поглощаются атомами-акцепторами. Эти атомы имеют поэтому приобрели отрицательный заряд и показаны минусом в кружке знаки.
Атомы застряли в кристалле и не могут двигаться. Электрический
проводимость осуществляется посредством движения электронов и дырок.
Но при нормальных условиях значительная электрическая проводимость может
происходят только в одном направлении.
Это превращает p-n переход в
«диод», выпрямитель тока.
Увидеть основную причину нетрудно. В так называемом прямое
направление, допускающее значительный ток,
как электроны на стороне n, так и дырки на стороне p
боковой поток к стыку между n и p
стороны. (Обратите внимание, что поскольку электроны заряжены отрицательно, они движутся
в направлении, противоположном течению.) Вблизи
переход, входящие электроны n-стороны могут попасть в
входящие р-боковые отверстия. Говоря более формально, электроны
рекомбинировать с отверстиями. Это легко может случиться. Прямой ток
течет свободно, если подходит прямое смещение
напряжение равно
применяется.
Однако, если подается напряжение с обратным смещением , то
обычно очень небольшой ток будет течь. При значительном токе в
обратном направлении, как электроны на стороне n, так и на стороне
отверстия на стороне p должны были бы вытекать из соединения.
Таким образом, новые электроны проводимости и дырки должны были бы быть созданы вблизи
узел для их замены.
Но случайное тепловое движение может создать
только несколько. Поэтому ток ничтожен.
Хотя этот простой аргумент объясняет, почему p-n-переход может действовать в качестве диода этого недостаточно. Это не объясняет истинного реакция тока на напряжение. Это также не объясняет другие применение p-n переходов, таких как транзисторы, напряжение стабилизаторы, светодиоды, солнечные батареи и т.д.
Оказывается, в прямом направлении происходит рекомбинация входящие электроны и дырки сильно затруднены электростатическим барьер, который развивается на поверхности контакта между n-типом и материал р-типа. Этот барьер известен как «встроенный потенциал». На рисунке он показан зеленым цветом 6.33.
Рассмотрим сначала p-n-переход в тепловом равновесии, когда
тока нет. Соединение показано в нижней части
рисунок 6.33. Сторона n имеет избыточное количество
электроны проводимости. Отрицательный заряд этих электронов равен
уравновешивается положительно заряженными донорными атомами.
Точно так же
p сторона имеет избыточное количество отверстий. Положительный заряд
эти дырки уравновешиваются отрицательно заряженными атомами-акцепторами.
На стыке из-за случайного теплового движения n-сторона электроны хотели бы диффундировать на p-сторону. Точно так же Отверстия на p-стороне хотели бы распространиться на n-сторону. Но что не может продолжаться бесконечно. Эти диффузионные процессы вызывают чистый отрицательный заряд вытекает из n-стороны, а чистый положительный зарядка со стороны р. Это производит электростатическое барьер; он отталкивает дальнейшие электроны n-стороны от p боковые и р-боковые отверстия с н-й стороны.
Барьер принимает физическую форму двойного слоя положительного
заряды рядом с отрицательными зарядами. Этот слой называется «областью пространственного заряда». Он проиллюстрирован на рисунке
6.33. Двойные слои распространены на контактных поверхностях.
между различными твердыми телами. Однако тот, что на p-n переходе
несколько необычен, так как состоит из ионизированного донора и акцептора
атомы.
В космосе драгоценно мало электронов и дырок
область заряда, а значит, и заряды доноров и акцепторов
больше не компенсируются электронами, соответственно дырками.
Причина отсутствия электронов и дырок в пространственном заряде можно понять из рисунка 6.32: когда числа электронов и дырок становятся сравнимыми, их не так много. либо. Отсутствие электронов и дырок объясняет, почему пространственный заряд область также известна как «слой истощения».
Двойной слой относительно толстый. Это должно быть, чтобы компенсировать тот факт, что доля атомов, являющихся донорами или акцепторами, довольно маленький. Типичная толщина составляет 10 м, но может варьироваться. сильно зависит от уровня легирования и любого приложенного внешнего напряжения.
Электрон n-стороны, который пытается пройти через пространство
область заряда сильно оттянута положительными донорами позади нее
и отталкивается назад отрицательными акцепторами перед ним. Поэтому
происходит скачок в электростатической потенциальной энергии
электрон проходит через эту область.
Это увеличение потенциальной энергии
показан зеленым цветом на рис. 6.33. Он поднимает электрон
уровни энергии на p-стороне относительно n-стороны. В
в частности, это делает химические потенциалы, или уровни Ферми,
две стороны равны. Он должен это сделать; различия в химическом потенциале
производить чистую диффузию электронов, раздел 6.16. Для
чтобы диффузия прекратилась, химический потенциал должен стать везде
такой же.
Через соединение все еще проходит некоторый поток электронов и дырок,
даже при отсутствии чистого тока. Это происходит из-за случайного теплового
движение. Для упрощения его описания будем считать, что существует
отсутствие существенной рекомбинации электронов и дырок при их прохождении
через область пространственного заряда, ни создание новых электронов и
отверстия. Это стандартное предположение, но отнюдь не тривиальное.
Это
требует большой очистки полупроводника. Дефекты кристаллов могут
действуют как «центры рекомбинации», места, которые помогают электронам и
дырки рекомбинируют. Например, если вы попытаетесь просто нажать отдельные
кристаллы n и p вместе создают p-n
развязка, работать не будет. У него будет слишком много дефектов там, где
кристаллы встречаются. Правильная рекомбинация электронов и дырок
должно происходить рядом с перекрестком, но в основном за пределами пространства
область заряда.
Рассмотрим теперь сначала тепловой поток электронов и дырок через
соединение, когда нет чистого тока. Он нарисован на рисунке
6.34а. Все эти электроны на n-стороне хотели бы
диффундировать на p-сторону, но электростатический барьер
сдерживая их. Только очень немногие электроны обладают достаточной энергией, чтобы
это через. Требуемое количество энергии – это электростатическая энергия.
увеличиваются над стыком. Эта энергия будет называться
. Для электронов n-стороны, чтобы пройти через
барьер, они должны иметь по крайней мере столько энергии над
дно зоны проводимости n-стороны.
Относительное количество
электронов на этих энергетических уровнях в первую очередь определяется
Фактор Максвелла-Больцмана (6.33). Это подразумевает наличие
в раз меньше электронов на квантовое состояние
с дополнительной энергией, чем есть на дне
полосы проводимости.
Пересечения этих нескольких очень удачливых электронов производят крошечную ток через переход. Указывается как в рисунок 6.34а. Электроны называют большинством носителей в русскую сторону, потому что практически нет дыр в той стороне, чтобы нести ток. Отметим также, что на рисунке показано отрицательные токи для электронов, потому что это дает направление, которое электроны действительно движутся. Течения в этом обсуждении будут предполагается на единицу площади соединения, что объясняет, почему символ используется вместо . Соединение в два раза больше производит удвоить ток, все остальное то же самое. Все остальное одинаково включает игнорирование краевых эффектов.
Минимальный ток большинства электронов n-стороны равен
уравновешивается столь же незначительным, но противоположным током
генерируются неосновными электронами p-стороны, которые переходят в
н сторона.
Хотя p-сторона имеет очень низкую проводимость
зонные электроны, число электронов в каждом состоянии остается прежним
как у электронов n-стороны с достаточной энергией, чтобы пересечь
барьер. И обратите внимание, что для электронов p-стороны нет
барьер. Если они диффундируют в область пространственного заряда,
вместо этого электростатический потенциал поможет им проникнуть в n
сторона.
Для дыр история эквивалентна. Потому что у них наоборот заряд от электронов, тот самый барьер, который удерживает электроны n-стороны вне p-стороны также сохраняют p-боковые отверстия из n-стороны.
Суть в том, что нет чистого тока. И не должно быть; в противном случае у вас была бы батарея, которая работала бесплатно. Батарейки должны питаться за счет химической реакции.
Но теперь предположим, что внешнее напряжение прямого смещения
применяется, что снижает барьер на величину
. Что происходит дальше, показано на рисунке
6.34б. Электроны большинства n-стороны будут
сейчас хлынет через опущенный барьер, и
р-сторона большинства отверстий.
Действительно, фактор Максвелла-Больцмана
для большинства носителей, которые могут пройти через барьер, увеличивается
по фактору. Это очень
большой коэффициент, если изменение напряжения превышает примерно 0,025 вольт,
т. к. составляет около 0,025 эВ при нормальных температурах. Токи
большинства носителей взрываются, как показано на рисунке. И
следовательно, то же самое делает и чистый ток.
Токи неосновных носителей заметно не меняются. Что угодно неосновные носители диффундируют в область объемного заряда, но все проходят через это. Обратите внимание, что уровни Ферми n и p стороны больше не совпадают, когда есть ток. если есть тока система не находится в тепловом равновесии.
На рис. 6.34c показан случай, когда обратное смещение
подается напряжение. Обратное напряжение увеличивает барьер для
большинство перевозчиков. Число, у которого еще достаточно энергии, чтобы пересечь
соединение уничтожается практически до нуля. Все, что осталось, это
остаточный малый обратный ток неосновных носителей через
узел.
Основываясь на этом обсуждении, легко написать примерное
выражение для чистого тока через переход:
| (6.37) |
Последний член представляет собой чистый обратный ток из-за меньшинства перевозчики. Согласно приведенному выше обсуждению, этот ток не изменяться в зависимости от приложенного напряжения. Другой термин — чистый форвард. текущий из-за большинства носителей. Согласно вышеизложенному дискуссия, она отличается от течения меньшинства, прежде всего, Экспонента Максвелла-Больцмана. Энергия в экспоненте равна электростатическая энергия из-за внешней разности потенциалов на узел.
При прямом смещении экспонента взрывается, производя значительные текущий. Для обратного смещения экспонента практически равна нулю и остается только небольшой обратный ток меньшинства.
Уравнение (6.37) известно как «уравнение диода Шокли».
Это хорошо работает для германия, но не
очень хорошо для кремния. Кремний имеет гораздо большую ширину запрещенной зоны. Что
делает токи меньшинства еще намного меньше, что хорошо. Но
соответственно небольшое обратное смещение и слегка прямое смещение
токи чувствительны к электронно-дырочной генерации обедненного слоя,
соответственно рекомбинация. Фактор выдумки, называемый «фактором идеальности», часто добавляется к аргументу
экспоненциальный для улучшения согласия.
Даже для германия уравнение диода Шокли применимо только к ограниченный диапазон. В уравнение не входит сопротивление полупроводник. Если ток быстро увеличивается, падение напряжения из-за к сопротивлению тоже, и его надо добавить к падению напряжения над развязкой. Это в конечном итоге сделает отношение тока к напряжению линейное, а не экспоненциальное. И если обратное напряжение слишком велико, явление обсуждается в разделе 6.26 появляются.
Ключевые моменты
- P-n переход представляет собой интерфейс между Сторона n-типа и p-типа полупроводникового кристалла.
- В нормальных условиях он будет проводить только значительное ток в одном направлении, называемом прямым направлением.
- В прямом направлении электроны n-стороны и отверстия p-стороны перемещаются к стыку.
- Уравнение диода Шокли описывает зависимость тока от напряжения отношение p-n переходов, но только в ограниченном диапазоне.
- На стыке существует область пространственного заряда. Он обеспечивает барьер для большинства перевозчиков. Однако он ускоряет миноритарные перевозчики, проходящие через перекресток.
Далее: 6.  |