Принцип действия полупроводниковых диодов.

Полупроводниковые вентили

Принцип действия полупроводниковых диодов.

В полупроводнике типа п основными носителями электричества являются электроны, а в полупроводнике типа р - дырки.

При соединении двух пластинок кремния и германия, одна из кото­рых обладает проводимостью п, другая - р, электроны из полупровод­ника типа п будут стремиться проникнуть (диффундировать) в полупро­водник типа р (рис. 1, а), т.е. в область, где имеется недостаток электро­нов. В результате полупроводник типа п теряет часть электронов и за­ряжается положительно. На границе раздела у него образуется слой положительно заряженных ионов (рис. 1, б). Аналогично дырки будут переходить из полупроводника типа р в полупроводник типа n, вслед­ствие чего на границе раздела в полупроводнике типа р образуется слой отрицательно заряженных ионов. Благодаря такому скоплению прост­ранственных электрических зарядов разных знаков в месте соприкосно­вения двух полупроводников возникает электрическое поле, которое имеет определенную напряженность Е_пер и создает между двумя полу­проводниками некоторую разность потенциалов U_пер. Это поле препя­тствует дальнейшему переходу (диффузии) основных носителей элект­ричества из одного полупроводника в другой, т. е. образует своеобраз­ный барьер, называемый потенциальным.

Разность потенциалов Dj=U_пер на границе между слоями двух полупроводников характеризует высоту потенциального барьера; чем больше U_пер , тем труднее преодолеть потенциальный барьер основным носителям электричества. Большая часть электронов, движущихся из полупроводника типа п в полупроводник типа р, натолкнувшись на по­тенциальный барьер, тормозится и возвращается обратно в полупровод­ник типа п (рис. 1, в). То же самое происходит с дырками при их дви­жении из полупроводника типа р в полупроводник типа п (они возвра­щаются в полупроводник типа р). Только отдельные основные носите­ли, имеющие большую энергию, пробиваются через тормозящее поле в соседнюю область, образуя диффузионный ток через переход.Таким образом, на границе двух полупроводников с разным типом проводи­мости создается электронно-дырочный переход, обладающий повышенным сопротивлением для основных носителей электричества. Его элект­рическое поле всегда направлено от полупроводника типа п к полупроводнику типа р.

Если же увеличить внешнее электрическое поле и, следовательно, энергию электронов и дырок, то они смогут преодолеть потенциальный барьер.

Для неосновных носителей электричества (дырок в полупроводнике типа п и электронов в полупроводнике типа р), которые обусловлены собственной проводимостью проводника, а не примесями, электрическое поле в электронно-дырочном переходе будет уже не тормозящим, а ускоряющим. Поэтому любой электрон легко переходит из полупроводника типа р в полупроводник типа п и любая дырка так легко перемещается из полупроводника типа п в полупроводник типа р. Перемещение этих неосновных носителей под действием электрического поля электронно-дырочного перехода создает дрейфовый ток, или ток проводимости. Диффузионный ток и ток проводимости проходят через электронно-дырочный переход навстречу друг другу. При отсутствии внешнего электрического поля эти два тока взаимно уравновешиваются и общий ток через переход равен нулю.

Если полупроводник типа р соединить с отрицательным полюсом источника тока (рис. 2, а), а положительный его полюс соединить с полупроводником типа п, то электроны, находящиеся в большом количестве в полупроводнике типа п, устремятся к положительному по­люсу, а дырки, находящиеся в полупроводнике типа р, — к отрицате­льному. Движение этих носителей электричества создает кратковремен­ный ток, аналогичный току, возникающему при заряде конденсатора.

Рис. 1. Возникновение потенциального барьера в месте соприкосновения полупро­водников типа п и р.

а — диффузия электронов и дырок через электронно-дырочный переход; б — возникновение двойного слоя разноименных электрических зарядов на границе раздела двух полупроводников;

в — пути прохождения основных носителей электричества через переход; 1,2— электроны и дырки соответственно с малой и большей энергией

Рис. 2. Включение электронно-дырочного перехода в обратном направлении (а) и потенциальный барьер при таком включении (б) :

1 - основные носители; 2 — неосновные носители

По мере протекания тока полупроводник типа п заряжается положи­тельно (из него уходят отрицательные электроны), а полупроводник типа р — отрицательно (из него уходят положительные дырки), вслед­ствие чего будет возрастать разность потенциалов между указанными полупроводниками. Когда разность потенциалов между ними станет рав­ной внешнему напряжению U_ВН источника тока, уход электронов и ды­рок из полупроводников типов п и р к источнику тока прекратится и система из двух рассматриваемых полупроводников будет вести себя, подобно заряженному конденсатору. При этом в электронно-дырочном переходе будет действовать суммарное напряжение

U_пер + U_ВН и потен­циальный барьер (рис, 2,б) сильно возрастет (внешнее поле, создавае­мое источником тока. будет усиливать внутреннее поле в электронно-дырочном переходе).

При таких условиях число основных носителей электричества, ко­торые могут преодолеть увеличенный потенциальный барьер, будет неве­лико и диффузионный ток I_диф. резко уменьшится. Кроме того, из-за смещения электронов к отрицательному полюсу, а дырок к положитель­ному возрастает ширина электронно-дырочного перехода (истощенного слоя), что приводит к увеличению его внутреннего сопротивления. Это способствует еще большему уменьшению диффузионного тока.

Уже при внешнем напряжении 0,5—1 В и полярности приложенного напряжения, показанной на рис. 10,б, тормозящие силы суммарного электрического поля оказываются настолько большими, что практи­чески поток основных носителей электричества исчезает, диффузион­ный ток падает до нуля и через электронно-дырочной переход протекает только ток проводимости I_пров., обусловленный неосновными носите­лями. Но так как число их во много раз меньше, чем число основных но­сителей, ток проводимости будет очень мал. Следовательно, сопротив­ление электронно-дырочного перехода будет в этом случае очень вели­ко. Напряжение, поданное на электронно-дырочный переход при подклю­чении его по схеме, показанной на рис. 10, а и б, называют запирающим, или обратным (п — плюс; р — минус). Протекающий при этом по цепи ток называют обратным током I_обр или током запирания. В общем случае I_обр = I_пров – I_диф.

При противоположном включении источника (рис. 3, а) внешнее электрическое поле будет помогать основным носителям электричест­ва диффундировать через электронно-дырочный переход, так как оно будет ослаблять действие электрического поля в этом переходе. При этом потенциальный барьер сильно уменьшится и будет равен разности напряжений U_пер - U_ВН (рис. 11, б); уменьшается также и ширина истощенного слоя. Диффузионный ток I_диф. резко возрастет и будет во много раз превышать ток проводимости I_пров. Следовательно, сопротивление электронно-дырочного перехода в этом случае резко уменьшается.

Если внешнее напряжение U_ВН будет больше напряжения U_ПЕР, то потенциальный барьер в электронно-дырочном переходе будет вообще отсутствовать и ток через переход будет ограничиваться только внутренним сопротивлением самих полупроводников и внешним сопротивлением электрической цепи, в которую они включены.

Показанное на рисунке 11, а и б включение электронно-дырочного перехода (n - минус; p - плюс ) называют прямым; ему соответствуют понятия прямой ток и прямое напряжение. В общем случае I_пр = I_диф - I_пров .

Измерение высоты потенциального барьера при подаче на него напряжения и ширины электронно-дырочного перехода часто характеризуют понятием «смещение перехода». При подаче на переход прямого напряжения он смещается в прямом направлении (ширина его уменьшается ),при подаче обратного напряжения -в обратном направлении (ширина увеличивается).

Таким образом, система из двух полупроводников с проводимостью разного типа имеет способность пропускать ток в одном направлении и препятствовать его прохождению в другом. Иначе говоря ,она обладает односторонней проводимостью, т.е. может быть использована в качестве электрического вентиля. При подаче на такой вентиль прямого напряжения он будет открыт. Сопротивление его в этом случае мало, поэтому он может пропускать большие токи при малом падении напряжения. Приподаче обратного (запирающего) напряжения сопротивление его будет велико, поэтому через вентиль будет протекать малый ток даже при больших напряжениях. В настоящее время наибольшее распространение получили два вида полупроводниковых вентилей: кремниевые и германиевые. На основе вентильных свойств р-п-перехода созданы различ­ные полупроводниковые приборы - диоды, транзисторы, динисторы, тиристоры и симисторы.

Все эти приборы отличаются друг от друга только числом р-п-пере-ходов (например, диод имеет один р-п-переход, транзистор - два) и некоторыми технологическими особенностями их производства. Их условные обозначения приведены в табл. 1.