Жазықтық электрондық-кемтіктік p-n өткел

Электрондық-кемтіктік p-n- өткел деп p- және n-типті шала өткізгіштердің арасындағы шекараны айтамыз. Егер өткел ауданының сызықтық өлшемдері қалыңдығынан әлдеқайда үлкен болса, онда өткел жазық, ал егер өлшемдері шамалас болса – нүктелік деп аталады. Беттескен екі шала өткізгішті қарастырайық.

2.1 Тепе-теңдік күйдегі p-n өткел

Өткелдің тепе-теңдік күйі – бұл сыртқы кернеу (U_сырт= 0) түсірілмеген күйі.

P- және n-типті екі шала өткізгішті біріктіреміз (2.1,а-сурет). Қоспалардың, демек, тасымалдаушылардың бастапқы шоғырлануы бірдей емес (2.1,б- сурет): p_p0>>p_n0 және n_n0>>n_p0. Сонымен қатар, өткел симметриялы емес (p_p0>n_n0). Өткел шекарасындағы шоғырлану градиенті кемтіктердің p- облыстан n-облысқа диффузиясын, және керісінше, электрондардың n-облыстан p- облысқа диффузиясын туындатады. Өткел маңында кемтіктер электрондармен рекомбинацияланады және p-облыста иондалған акцепторлардың көлемдік теріс заряды, ал n-облыста иондалған донорлардың көлемдік оң заряды пайда болады (2.1,в -сурет).

Осылайша, екі шала өткізгіштің шекарасында, қозғалатын заряд тасымалдаушылары жоқ, сондықтан электр ағысына кедергісі жоғары l₀ жабушы қабат пайда болады. Жабушы қабаттың қалыңдығы әдетте бірнеше микрометрден аспайды.

Донорлар мен акцепторлардың кеңістіктік зарятарының көлемдік тығыздықтары бір-біріне тең, яғни q×N_д = – q×N_а. Көлемдік заряд есебінен p-n өткелде Е өрісі пайда болады (2.1,г -сурет), оның кернеулігі өткел шекарасында ең үлкен шамаға жетеді. Бұл өріс негізгі тасымалдаушылардың диффузиясына кедергі жасайды (диффузиялық ток кемиді), бірақ қосалқы заряд тасымалдаушылардың қозғалысына септігін тигізеді. Е өрісінің әсерінен қосалқы заряд тасымалдаушылардың қарама-қарсы бағыттардағы қозғалысы әсерінен, яғни кемтіктердің n-облыстан p-облысқа, ал электрондардың p-облыстан n-облысқа қозғалысынан, ығу тогы пайда болады. Оқшауланған шала өткізгіште токтардың қосындысы нөлге тең, сондықтан динамикалық тепе- теңдік орнайды. Өткел облысында энергетикалық диаграммалардың қисаюы болады және қабаттар шекарасында беттесу потенциалдарының айырмасы деп аталатын потенциалдық тосқауыл пайда болады j_к = DЕ/q (2.1, д -сурет).

DЕ электр өрісі кернеулігінің өзгерісін, мысалы, электрондар үшін энергиялық диаграммадағы өткізгіштік аймақтың түбінің ығысуы бойынша анықтауға болады, q – электрон заряды.

Потенциалдық тосқауыл

j_к = DЕ/q = (Е_cp – E_cn)/q = (кТ/q) ln(p_p/p_n) = (кТ/q) ln(n_n/n_p) =

= (кТ/q) ln[(N_aN_д)/n_i²],

мұндағы кТ/q=j_T – температуралық потенциал.

Т =300 К болғанда j_T = 0,026 В.

Назар аударатын бір жәйт – рекомбинацияланушы зарядтардың саны екі жақта да бірдей, ал шоғырлануы әртүрлі болғандықтан өткел n облысқа толығымен дерлік жинақталады.

2.2 p-n өткелдің тура ығысуы

p-n өткелге тура ығысу кернеуін U_тура берейік (2.2,а -сурет), яғни p-облысқа плюс, ал n- облысқа – минус. U_тура p-n өткелдің потенциалдық тосқауыл шамасын j_к азайтады U_ауыс=j_к – U_тура.

p-n өткелдің ені азаяды да, негізгі заряд тасушылар өткелге қарай қозғалып, инжекция есебінен диффузиялық ток өседі. Инжекция – негізгі заряд тасушылар­ды өткел арқылы, тура ығысу кезінде олар қосалқыға айналатын облысқа енгізу.

Әдетте U_тура – вольттың ондық бөліктеріне, ал I_тура – бірден бастап ондаған миллиамперге жетуі мүмкін.

2.3 p-n өткелдің кері ығысуы

p-n өткелге кері ығыстыру кернеуін түсірейік (2.2,б-сурет). p-облысқа минус, ал n-облысқа – плюс береміз. Потенциалдық тосқауыл шамасы өседі. Жабушы қабат кеңейеді, U_ауыс = j_к+U_кері. Заряд тасушылар өткелден алыстайды да, өткел кедергісі жоғарылайды. Диффузиялық ток кемиді де, кері ток шамасы өседі. Кері ығысуда экстракция орын алды – кері ығысу салдарынан қосалқы заряд тасушыларды, негізгі тасушыға айналатын облысқа енгізу.

|U_кері | > j_Т болғанда, кері ток I_кері, p-n өткелдің ығу тогыныңқанығу шамасына I₀ ұмтылады. I₀ тек қосалқы тасушылардан туындағандықтан U_кері кернеуінен тәуелсіз.

U_кері шамасы ондаған және жүздеген вольтқа жетуі мүмкін (жылу әсерінен тесілумен шектеледі), I_кері – бірлеген және жүздеген микроампер болады.

Тура және кері ығысуды қарастыра отырып, мынандай маңызды қорытынды жасауға болады: қосалқы тасушылардың үлесі негізгі тасушылардың үлесінен біршама аз болғандықтан, қосалқы тасушылардан туындаған кері ток, негізгі тасушылардан туындаған тура токтан біршама аз (I_кері << I_тура), яғни өткел біржақты өткізгіштікке немесе түзеткіштік қасиетке ие болады.