Что происходит в контакте двух проводников n и p типов?

9 ответов на вопрос “Что происходит в контакте двух проводников n и p типов?”

  1. Anadwyn Ответить

    Рассмотрим вначале вольт-амперную характеристику тонкого пере­хода. Тонкий переход носители заряда проходят, не успевая рекомбинировать, поэтому как дырочные токи, так и электронные токи по обе стороны р-я-перехода равны. Дырочный ток на границе слоя объемного заряда со стороны электрон­ного полупроводника при x = -Ln полностью определяется диффу­зионной составляющей, поскольку в этой точке напряженность элект­рического поля равна нулю.
    Плотность дырочного тока в этом случае
    (4.16)
    Аналогичное выражение можно получить для плотности электронного тока:
    (4.17)
    Полный ток, протекающий через р-n-переход, можно рассчитать в любом сечении (S) образца. Проще всего его вычислить на границе р-n-пере­хода,
    I =S( Jp + Jp ) (4.18)
    И тогда
    (4.19)
    где
    (4.20)
    Из полученной формулы видно, что в прямом направлении ток возрас­тает по экспоненциальному закону с ростом напряжения, а в запорном направлении стремится к току насыщения IS,, обусловленному тепловой генерацией неосновных носителей на границе p-n перехода и не зависящему от внеш­него напряжения:
    Если р-л-переход является резко несимметричным, то одно из сла­гаемых в формуле (4.20) будет исчезающе малым. Действительно, пусть, например, n-область легирована значительно сильнее, чем р-область. Тогда в соответствии с законом действующих масс имеем pno< . Поскольку диффузионные длины Lp и Ln не сильно отли­чаются, друг от друга, то получим
    (4.21)
    В общем случае степень асимметрии р-n перехода характеризуется параметром, получившим название коэффициента инжек­ции. Коэффициент инжекции равен отношению большей составляю­щей тока к полному току. В случае, когда nn>>pp коэффициент инжек­ции равен
    (4.22)
    Рассмотрим далее вольт-амперную характеристику толстого пере­хода на примере так называемого p-i-n-диода. Структура такого диода представляет собой два слоя n- и р-типа, разделенных высокоомным слоем собственной проводимости толщиной d. В таком диоде уже нельзя пренебрегать процессами гене­рации и рекомбинации внутри p-n перехода. В случае, когда внешняя разность потенциалов включена в запорном направлении, в промежу­точном i-слое идет генерация носителей заряда со скоростью ni/?i . При напряжении, включенном в прямом направлении, в этом слое идет рекомбинация инжектируемых носителей и плотность тока, связанная с генерацией и рекомбинацией носителей в промежуточном слое толщиной d равна
    (4.23)
    где ?i – время жизни собственных носителей;
    ni – собственная концентрация носителей.
    Полный ток, протекающий через p-i-n переход, можно рассматривать как сумму тока, рассчитанного без учета генерации и реком­бинации внутри перехода и генерационно-рекомбинационной составляющей:
    (4.24)
    Полученная формула справедлива не только в случае явно выраженного i-слоя, но и при плавном изменении концентрации примесей в области обычного р-n перехода. В этом случае роль параметра d играет общая ширина р-п-перехода. Из формулы (4.24) следует условие для определения принад­лежности данного р – n перехода к категории тонкого или толстого: если третье слагаемое в круглых скобках значительно меньше суммы первых двух, то переход можно считать тонким. В противном случае р-n переход необходимо рассматривать как толстый.
    Пробой p-n перехода.С увеличением обратного напряжения на р-n пере-ходе при достижении некоторого значения напряжения Uпроб начинается резкое увеличе­ние тока через диод, приводящее к пробою. Средняя напряженность элек­трического поля в области объ­емного заряда р-n перехода может быть записана как
    E=V/d= (q/2??0)1/2(UND)1/2 (4.25)
    Так как пробой начинается при достижении определенного (для каждых конкретных условий) значения напряженности электрического поля Eпроб, то чем больше d (меньше ND), тем при большем напряже­нии Uпроб начинается пробой. Очевидно, наибольшее Uпроб имеет р-i-n переход, так как ND в его базе наи­меньшая, а ширина области объемного заряда d наи­большая.
    Гетеропереходы.В отличие от р-n перехода, образованного измене­нием концентрации примесей в одном полупроводнико­вом материале (гомопереход), гетеропереходом называ­ют переход, образованный полупроводниками различной физико-химической природы. Примерами гетероперехо­дов могут быть переходы германий – кремний, герма­ний -арсенид галлия, арсенид галлия – форсфид гал­лия и т. д. Для получения гетеропереходов с мини­мальным количеством дефектов на границе раздела кристаллическая решетка одного полупроводника дол­жна с минимальными нару­шениями переходить в кристаллическую решетку дру­гого. В связи с этим полу­проводники, используемые для создания гетероперехо­да, должны иметь близкие значения постоянной решет­ки и идентичные кристалли­ческие структуры. Наиболь­ший практический интерес представляют в настоящее время гетеропереходы, об­разованные полупроводни­ками с различной шириной запрещенной зоны, причем интересными свойствами для полупроводниковых приборов обладают не только гетеропереходы между полупроводниками р- и n-типа, но также и гетеропереходы между полупроводниками с одним типом проводимости: n-n или р-р.
    Рассмотрим энергетическую диаграмму гетеропере­хода между полупроводником n-типа с широкой запрещенной зоной и полупроводником р-типа с уз­кой запрещенной зоной (рис. 4.4). За начало отсчета (0) принята энергия электрона, находящегося в ваку­уме. Величина ? в данном случае – истинная работа выхода электрона. из полупроводника в вакуум. Термодинамическая рабо­та выхода обозначена А.
    При создании контакта между двумя полупроводни­ками уровни Ферми выравниваются. Отличия гетероперехода от энерге­тической диаграммы р-n перехода заключаются в наличии разрывов в зоне проводимости (?EC)и в валент­ной зоне (?EV). В зоне. проводимости величина разры­ва обусловлена разностью истинных работ выхода элек­тронов из р и n полупроводников:
    ?EC = ?2 – ?1 (4.26)
    а в валентной зоне, кроме этого, еще и неравенством значений энергий EV.
    Поэтому потенциальные барьеры для электронов и дырок будут различными: потенциаль­ный барьер для электронов в зоне проводимости мень­ше, чем для дырок в валентной зоне. При подаче напря­жения в прямом направлении потенциальный барьер для электронов уменьшится и электроны из n-полупро-водника инжектируются в р-полупроводник. Потенци­альный барьер для дырок в р-области также уменьшит­ся, но все же останется достаточно большим для того, чтобы инжекции дырок из р-области в n-область прак­тически не было. В этом случае коэффициент инжекции (?) может быть равным единице.


    Рис. 4.4. Энергетическая диа­грамма двух полупроводников р- и n-типа с различной шири­ной запрещенной зоны (а) и р –n гетероперехода (б)
    Для достижения лучших параметров прибора эта вели­чина должна быть максимальной. В гомопереходе это достигается более сильным легиро­ванием примесями n-области относительно р-области. Однако по этому пути нельзя идти бесконеч­но, так как, с одной стороны, существует предел рас­творимости примеси в полупроводнике и, с другой, при сильном легировании полупроводника в него одновре­менно с примесью вносится множество различных де­фектов, которые ухудшают параметры р-n перехода. В этом направлении перспективным является использо­вание гетероперехода.
    Если гетеро­переход образован полупроводниками с равным количе­ством примесей (пп=pp) и для простоты считать, что эффективные массы и другие параметры носителей за­ряда равны, то можно написать
    Ip /In=exp[-(Egn –Egp)/kT] (4.27)
    При использовании, например, n-кремния и р-германия Egn–Egp=0,4 эВ. Так как kT/q=0,025В, то 1р /1п = е –16, что практически равно нулю, т. е. ток через гетеропере­ход состоит только из электронов, инжектированных из n-области в р-область. В гомопереходе при этих же условиях Iр/In =:1, т. е. токи электронов и дырки равны.
    Таким образом, гетеропереход позволяет осуществ­лять практически одностороннюю инжекцию носителей заряда. Существенно отметить, что односторонняя ин-жекция сохраняется и при увеличении тока через гете­ропереход, тогда как в гомопереходе она нарушается.

  2. Thordiris Ответить

    Рассмотрим явление прохождения электрического тока через контакт полупроводников p- и n-типов. На следующем рисунке изображен такой контакт.
    рисунок
    Левая часть представленного полупроводника содержит акцепторные примеси. Правая часть представленного полупроводника содержит донорные примеси. Соответственно левая часть является полупроводником p-типа, а правая полупроводником n-типа.
    Между полупроводниками образуется особенная зона – зона перехода. В ней совсем мало зарядов, тут происходит рекомбинация электронов и дырок.

    Контакт полупроводников р- и п- типов

    На рисунке электроны представлены кружочками голубого цвета, а дырки – кружочками серого цвета. Контакт двух полупроводников n- и p- типов называют p-n- переходом, или n-p – переходом.
    В результате контакта между полупроводниками начинается диффузия. Некоторая часть электронов переходит к дыркам, а некоторая часть дырок переходит на сторону электронов. В результате чего полупроводники заряжаются: n- положительно, а p – отрицательно.
    После того, как электрическое поле, которое будет возникать в зоне перехода, начнет препятствовать перемещению электронов и дырок, диффузия прекратится.
    Для исследования свойств pn-перехода подключим его в цепь так, как показано на следующей схеме.
    рисунок
    Сначала подключим источник питания так, чтобы потенциал на сторону полупроводника p-типа приходился положительный потенциал, а на сторону n-типа отрицательный.
    рисунок
    При таком подключении проводимость полупроводника будет велика. Ток через переход будет создаваться основными носителями: из n в p – электронами, а из p в n – дырками.
    Сопротивление будет очень маленьким. Такое подключение pn-перехода называется прямым. Теперь изменим полярность подключения источника питания.
    рисунок
    Значение силы тока значительно уменьшится, чем в предыдущем случае. Ток в этом случае будет создаваться неосновными носителями, число которых значительно меньше, чем число основных носителей.

    Вольт-амперная характеристика

    Проводимость в этому случае будет маленькой, а сопротивление большим. Образуется запирающий слой. Такое подключение pn-перехода называется обратным.
    При исследовании свойств какого либо элемента, часто строят зависимость силы тока от разности потенциалов. Данный тип зависимости получил в физике название вольт-амперной характеристики. Иногда для удобства записи пишут просто ВАХ.
    На следующем графике показаны вольт-амперные характеристики прямого и обратного подключения pn-перехода.
    рисунок
    Сплошной линией нарисована вольт-амперная характеристика прямого подключения pn-перехода, а пунктирной – обратного подключения.
    На основе свойств pn-перехода сделаны различные радиотехнические элементы, например, диоды.

    Нужна помощь в учебе?


  3. FarWay Ответить

    26.01.2015
    Урок № 37 (9 класс)
    Тема: Термисторы
    Электрический ток через контакт полупроводников р- и п-типов
    (p-n переход)
    Особое значение в технике имеет приведение в контакт полупроводников различных проводимостей. Что же произойдет при таком контакте? Вследствие диффузии зарядов начнется проникновение электронов в p-полупроводник, а дырок – в n-полупроводник. В результате чего на границе образуется так называемый запирающий слой, который своим электрическим полем препятствует дальнейшему обмену зарядами (рис. 6).

    Рис. 1. Запирающий слой при p-n переходе
    Для построения вольт-амперной характеристики n-p перехода была собрана следующая схема (см. рис. 2), благодаря которой можно как менять полярность, так и величину напряжения, подаваемого на p-n переход.

    Рис.2. Схема для получения характеристики и сама вольт-амперная характеристика p-n перехода соответственно.
    На рисунке 16.10 изображена схема полупроводника, правая часть которого содержит донорные примеси и поэтому является полупроводником n-типа, а левая – акцепторные примеси и представляет собой полупроводник р-типа; между ними – зона перехода – зона, обедненная зарядами. В ней происходит рекомбинация электронов и дырок. Электроны изображены голубыми кружочками, дырки – серыми. Контакт двух полупроводников называют р-n– или n-р-переходом.

    При образовании контакта электроны частично переходят из полупроводника n-типа в полупроводник р-типа, а дырки – в обратном направлении. В результате полупроводник n-типа заряжается положительно, ар-типа – отрицательно. Диффузия прекращается после того, как электрическое поле, возникающее в зоне перехода, начинает препятствовать дальнейшему перемещению электронов и дырок.
    Включим полупроводник с р-n-переходом в электрическую цепь (рис.16.11). Подключим сначала батарею так, чтобы потенциал полупроводника р-типа был положительным, а n-типа – отрицательным. При этом ток через р-n-переход создается основными носителями: из области n в область р – электронами, а из области р в область n – дырками (рис.16.12).


    Вследствие этого проводимость всего образца велика, а сопротивление мало.
    Рассмотренный здесь переход и называют прямым. Зависимость силы тока от разности потенциалов – вольт-амперная характеристика прямого перехода – изображена на рисунке 16.13 сплошной линией.

    Изменим теперь полярность подключения батареи. Тогда при той же разности потенциалов сила тока в цепи окажется значительно меньше, чем при прямом переходе. Это обусловлено следующим. Электроны через контакт идут теперь из области р в область n, а дырки – из области n в область р. Но ведь в полупроводнике р-типа мало свободных электронов, а в полупроводнике n-типа мало дырок. Теперь переход через контакт осуществляется неосновными носителями, число которых мало (рис.16.14). Вследствие этого проводимость образца оказывается незначительной, а сопротивление – большим. Образуется так называемый запирающий слой. Такой переход называют обратным. Вольт-амперная характеристика обратного перехода изображена на рисунке 16.13 штриховой линией.

    Таким образом, р-n-переход можно использовать для выпрямления электрического тока. Такое устройство называется полупроводниковым диодом.
    Полупроводниковые диоды изготовляют из германия, кремния, селена и других веществ.
    Рассмотрим, как создают р-n-переход, используя германий, обладающий проводимостью n-типа, с небольшой добавкой донорной примеси. Этот переход не удается получить путем механического соединения двух полупроводников с различными типами проводимости, так как при этом получается слишком большой зазор между полупроводниками. Толщина же р-n-перехода должна быть не больше межатомных расстояний, поэтому в одну из поверхностей образца вплавляют индий. Для создания полупроводникового диода полупроводник с примесью р-типа, содержащий атомы индия, нагревается до высокой температуры. Пары примеси n-типа (например, мышьяка) осаждают на поверхность кристалла. Вследствие диффузии они внедряются в кристалл, и на поверхности кристалла с проводимостью р-типа образуется область с электронным типом проводимости (рис.16.15).
    Для предотвращения вредных воздействий воздуха и света кристалл германия помещают в герметичный металлический корпус.
    Схематическое изображение диода приведено на рисунке 16.16. Полупроводниковые выпрямители обладают высокой надежностью и имеют большой срок службы. Однако они могут работать лишь в ограниченном интервале температур (от -70 до 125°С).

    p-n-переход по отношению к току оказывается несимметричным: в прямом направлении сопротивление перехода значительно меньше, чем в обратном.
    Свойства р-n-перехода используют для выпрямления переменного тока. На протяжении половины периода изменения тока через переход, когда потенциал полупроводника р-типа положителен, ток свободно проходит через р-n-переход. В следующую половину периода ток практически равен нулю.
    2. Полупроводниковые приборы
    Малые размеры и очень большое качество пропускаемых сигналов сделали полупроводниковые приборы очень распространенными в современной электронной технике. В состав таких приборов может входить не только вышеупомянутый кремний с примесями, но и, например, германий. Одним из таких приборов является диод – прибор, способный пропускать ток в одном направлении и препятствовать его прохождению в другом. Он получается вживлением в полупроводниковый кристалл p- или n-типа полупроводника другого типа (рис. 11).

    Рис. 3. Обозначение диода на схеме и схема его устройства соответственно
    Другим прибором, теперь уже с двумя p-n переходами, называется транзистор. Он служит не только для выбора направления пропускания тока, но и для его преобразования.
    Следует отметить, что в современных микросхемах используется множество комбинаций диодов, транзисторов и других электрических приборов.
    Рис. 12. Схема строения транзистора и его обозначение на электрической схеме соответственно
    Транзистор – хитроумный прибор. Понять принципы работы транзистора нелегко, но ведь его сумели изобрести! Надеемся, что вы сможете понять, как он работает, даже по краткому описанию.
    Рассмотрим один из видов транзисторов из германия или кремния с введенными в них донорными и акцепторными примесями. Распределение примесей таково, что создается очень тонкая (толщиной порядка нескольких микрометров) прослойка полупроводника n-типа между двумя слоями полупроводника р-типа (рис.16.17). Эту тонкую прослойку называют основанием, или базой.

    В кристалле образуются два р-n-перехода, прямые направления которых противоположны. Три вывода от областей с различными типами проводимости позволяют включать транзистор в схему, изображенную на рисунке 16.17. В данной схеме левый р-n-переход является прямым и отделяет базу от области с проводимостью р-типа, называемую эмиттером. Если бы не было правого р-n-перехода, в цепи эмиттер – база существовал бы ток, зависящий от напряжения источников (батареи Б1 и источника переменного напряжения) и сопротивления цепи, включая малое сопротивление прямого перехода эмиттер – база.
    Батарея Б2 включена так, что правый р-n-переход в схеме (см. рис. 16.17) является обратным. Он отделяет базу от правой области с проводимостью р-типа, называемой коллектором. Если бы не было левого р-n-перехода, сила тока в цепи коллектора была бы близка к нулю, так как сопротивление обратного перехода очень велико. При существовании же тока в левом р-n-переходе появляется ток и в цепи коллектора, причем сила тока в коллекторе лишь немного меньше силы тока в эмиттере.
    Это объясняется следующим. При создании напряжения между эмиттером и базой основные носители полупроводника р-типа (дырки) проникают в базу, где они являются уже неосновными носителями. Поскольку толщина базы очень мала и число основных носителей (электронов) в ней невелико, попавшие в нее дырки почти не объединяются (не рекомбинируют) с электронами базы и проникают в коллектор за счет диффузии. Правый р-n-переход закрыт для основных носителей заряда базы – электронов, но не для дырок. В коллекторе дырки увлекаются электрическим полем и замыкают цепь. Сила тока, ответвляющегося в цепь эмиттера из базы, очень мала, так как площадь сечения базы в горизонтальной (см. рис. 16.17) плоскости много меньше сечения в вертикальной плоскости.
    Сила тока в коллекторе, почти равная силе тока в эмиттере, изменяется вместе с током через эмиттер. Сопротивление резистора R мало влияет на ток в коллекторе, и это сопротивление можно сделать достаточно большим. Управляя током эмиттера с помощью источника переменного напряжения, включенного в его цепь, мы получим синхронное изменение напряжения на резисторе R.
    При большом сопротивлении резистора изменение напряжения на нем может в десятки тысяч раз превышать изменение напряжения сигнала в цепи эмиттера. Это означает усиление напряжения. Поэтому на нагрузке R можно получить электрические сигналы, мощность которых во много раз превосходит мощность, поступающую в цепь эмиттера.
    Применение транзисторов. Современная электроника базируется на микросхемах и микропроцессорах, включающих в себя колоссальное число транзисторов. Компьютеры, составленные из микросхем и микропроцессоров, фактически изменили окружающий человека мир. В настоящее время не существует ни одной области человеческой деятельности, где компьютеры не служили бы активными помощниками человека. Например, в космических исследованиях или высокотехнологичных производствах работают микропроцессоры, уровень организации которых соответствует искусственному интеллекту.
    Транзисторы (рис.16.18, 16.19) получили чрезвычайно широкое распространение в современной технике. Они заменяют электронные лампы в электрических цепях научной, промышленной и бытовой аппаратуры. Портативные радиоприемники, использующие такие приборы, в обиходе называются транзисторами. Преимуществом транзисторов (так же как и полупроводниковых диодов) по сравнению с электронными лампами является прежде всего отсутствие накаленного катода, потребляющего значительную мощность и требующего времени для его разогрева. Кроме того, эти приборы в десятки и сотни раз меньше по размерам и массе, чем электронные лампы. Работают они при более низких напряжениях.


    Свойства р-n-перехода в полупроводниках используются для усиления и генерации электрических колебаний.
    Домашнее задание:
    1. Ф.Я.Божинова, Н.М.Кирюхин, Е.А.Кирюхина. Физика, 9 класс, «Ранок», Харьков, 2009. § 23 (с.125-129) читать.
    2. Ответить на вопросы (устно):
    1. Что происходит в контакте двух проводников n– и р-типов?
    2. Что такое запирающий слой?
    3. Какой переход называют прямым?
    4. Для чего служит полупроводниковый диод?
    5. Почему база транзистора должна быть узкой?
    6. Как надо включать в цепь транзистор, у которого база является полупроводником р-типа, а эмиттер и коллектор – полупроводниками n-типа?
    7. Почему сила тока в коллекторе почти равна силе тока в эмиттере?

  4. VideoAnswer Ответить

  5. VideoAnswer Ответить

Добавить ответ

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *