Ketika sambungan pn digunakan pada perangkat semikonduktor nyata, tegangan eksternal dapat diterapkan padanya. Besaran dan polaritas tegangan ini menentukan perilaku sambungan dan arus listrik yang melewatinya. Jika kutub positif catu daya terhubung ke P-wilayah, dan negatif – ke N-area, lalu nyalakan hal-transisi disebut langsung. Saat mengubah polaritas yang ditentukan, nyalakan hal-transisi disebut terbalik.
Saat terhubung langsung hal-transisi, tegangan eksternal menciptakan medan transisi yang berlawanan arah dengan medan difusi internal, Gambar 2. Kekuatan medan yang dihasilkan berkurang, yang disertai dengan penyempitan lapisan pemblokiran. Akibatnya, sejumlah besar pembawa muatan mayoritas dapat berpindah secara berdifusi ke wilayah tetangga (arus penyimpangan tidak berubah, karena bergantung pada jumlah pembawa muatan minoritas yang muncul pada batas transisi), yaitu. arus yang dihasilkan akan mengalir melalui persimpangan, terutama ditentukan oleh komponen difusi. Arus difusi bergantung pada ketinggian penghalang potensial dan meningkat secara eksponensial seiring dengan penurunannya.
Peningkatan difusi pembawa muatan melalui persimpangan menyebabkan peningkatan konsentrasi lubang di wilayah tersebut N-jenis dan elektron di daerah tersebut P-jenis. Peningkatan konsentrasi pembawa minoritas karena pengaruh tegangan eksternal yang diterapkan pada sambungan disebut injeksi pembawa minoritas. Pembawa minoritas nonequilibrium berdifusi jauh ke dalam semikonduktor dan mengganggu netralitas listriknya. Pemulihan keadaan netral semikonduktor terjadi karena masuknya pembawa muatan dari sumber eksternal. Hal inilah yang menyebabkan terjadinya arus pada rangkaian luar yang disebut arus searah.
Saat dihidupkan hal-transisi ke arah sebaliknya, tegangan balik eksternal menciptakan medan listrik yang bertepatan dengan arah difusi, yang menyebabkan peningkatan penghalang potensial dan peningkatan lebar lapisan pemblokiran, Gambar 3. Semua ini mengurangi arus difusi pembawa mayoritas. Untuk media non-arus utama, bidang di hal- persimpangan tetap mengalami percepatan, sehingga arus hanyut tidak berubah.
Dengan demikian, arus yang dihasilkan akan mengalir melalui persimpangan, terutama ditentukan oleh arus penyimpangan pembawa minoritas. Karena jumlah pembawa minoritas yang melayang tidak bergantung pada tegangan yang diberikan (hanya mempengaruhi kecepatannya), maka dengan meningkatnya tegangan balik, arus yang melalui sambungan cenderung ke nilai batas. SAYA S, yang disebut arus saturasi. Semakin tinggi konsentrasi pengotor donor dan akseptor, semakin rendah arus saturasi, dan dengan meningkatnya suhu, arus saturasi meningkat secara eksponensial.
1.3. Karakteristik arus-tegangan sambungan p-n
Ketergantungan arus yang melalui hal-transisi dari tegangan yang diterapkan padanya SAYA = F(kamu) disebut karakteristik arus-tegangan hal-transisi, Gambar 4.
Karakteristik arus-tegangan transisi lubang elektron dijelaskan oleh persamaan Ebers-Moll:
, (1)
Di mana SAYA– arus melalui persimpangan pada tegangan kamu;
SAYA S– arus saturasi yang diciptakan oleh pembawa muatan minoritas. SAYA S juga disebut arus termal, karena konsentrasi pembawa minoritas bergantung pada suhu;
Q e– muatan elektron;
k– Konstanta Boltzmann;
T– suhu absolut;
– potensial suhu transisi, kira-kira sama pada suhu kamar dengan 0,025 V = 25 mV.
Jika p-n- transisi dihidupkan ke arah maju, tegangan kamu ambil dengan tanda plus, jika sebaliknya - dengan tanda minus.
Dengan tegangan yang diterapkan langsung 
seseorang dapat diabaikan dibandingkan dengan istilah tersebut 
, dan karakteristik arus-tegangan akan memiliki karakter eksponensial murni.
Dengan tegangan terbalik (negatif). 
ketentuan 
dapat diabaikan dibandingkan dengan kesatuan, dan arusnya ternyata sama 
.
Namun, Persamaan. Ebers-Moll sangat mendekati karakteristik tegangan-arus yang sebenarnya, karena tidak memperhitungkan sejumlah proses fisik yang terjadi pada semikonduktor. Proses tersebut meliputi: pembangkitan dan rekombinasi pembawa pada lapisan pemblokiran, arus bocor permukaan, penurunan tegangan pada resistansi daerah netral, fenomena termal, longsoran salju, dan kerusakan terowongan.
Jika arus yang mengalir melalui sambungan tidak signifikan, maka penurunan tegangan pada resistansi daerah netral dapat diabaikan. Namun, seiring dengan meningkatnya arus, proses ini mempunyai pengaruh yang semakin besar terhadap karakteristik arus-tegangan perangkat, yaitu. karakteristik sebenarnya berjalan pada sudut yang lebih kecil dan merosot menjadi garis lurus ketika tegangan pada lapisan penghalang menjadi sama dengan beda potensial kontak.
Pada tegangan balik tertentu, terjadi peningkatan tajam pada arus balik. Fenomena ini disebut gangguan transisi. Ada tiga jenis kerusakan: terowongan, longsoran salju, dan termal. Kerusakan terowongan dan longsoran adalah jenis kerusakan listrik dan berhubungan dengan peningkatan kekuatan medan listrik di persimpangan. Kerusakan termal ditentukan oleh panas berlebih pada sambungan.
Efek terowongan (efek Zener) terdiri dari transisi langsung elektron valensi dari satu semikonduktor ke semikonduktor lainnya (di mana mereka sudah menjadi pembawa muatan bebas), yang menjadi mungkin pada kekuatan medan listrik yang tinggi pada transisi tersebut. Kekuatan medan listrik yang tinggi pada sambungan dapat dicapai pada konsentrasi pengotor yang tinggi P- Dan N-area dimana ketebalan transisi menjadi sangat kecil.
Secara luas hal-persimpangan yang dibentuk oleh semikonduktor dengan konsentrasi pengotor sedang atau rendah, kemungkinan kebocoran terowongan elektron berkurang dan kerusakan longsoran menjadi lebih mungkin terjadi.
Kerusakan longsoran terjadi ketika jalur bebas rata-rata elektron dalam semikonduktor jauh lebih kecil daripada ketebalan persimpangan. Jika, selama jalur bebasnya, elektron mengumpulkan energi kinetik yang cukup untuk mengionisasi atom dalam transisi, maka terjadi ionisasi tumbukan, disertai dengan penggandaan pembawa muatan seperti longsoran salju. Pembawa muatan bebas yang terbentuk akibat ionisasi tumbukan meningkatkan arus transisi balik.
Kerusakan termal disebabkan oleh peningkatan signifikan dalam jumlah pembawa muatan hal-transisi karena pelanggaran rezim termal. Daya disuplai ke persimpangan P arr = SAYA arr. kamu limbahnya dihabiskan untuk memanaskannya. Panas yang dilepaskan pada lapisan penghalang dihilangkan terutama karena konduktivitas termal kisi kristal. Dalam kondisi pembuangan panas yang buruk dari sambungan, serta ketika tegangan balik pada sambungan meningkat di atas nilai kritis, dimungkinkan untuk memanaskannya hingga suhu di mana terjadi ionisasi termal atom. Pembawa muatan yang terbentuk dalam hal ini meningkatkan arus balik melalui sambungan, yang menyebabkan pemanasan lebih lanjut. Sebagai akibat dari proses yang meningkat ini, transisi menjadi panas yang tidak dapat diterima dan terjadi kerusakan termal, yang ditandai dengan penghancuran kristal.
Peningkatan jumlah pembawa muatan ketika sambungan dipanaskan menyebabkan penurunan resistansi dan tegangan yang dihasilkan melalui sambungan tersebut. Akibatnya, bagian dengan resistansi diferensial negatif muncul pada cabang kebalikan dari karakteristik tegangan-arus selama kerusakan termal.
-ini adalah wilayah yang memisahkan permukaan konduksi elektron dan lubang dalam satu kristal.
Persimpangan elektron-lubang dibuat dalam satu kristal tunggal, di mana diperoleh batas yang cukup tajam antara daerah konduktivitas elektronik dan lubang.
Gambar tersebut menunjukkan dua daerah semikonduktor yang berdekatan, salah satunya mengandung pengotor donor (daerah elektronik, yaitu n-konduktivitas), dan yang lainnya merupakan pengotor akseptor (daerah konduktivitas lubang, yaitu p-konduktivitas). ). Untuk memahami bagaimana semikonduktor jenis ini atau itu terbentuk, kami sarankan membaca artikel -Semikonduktor pengotor.
Dengan tidak adanya tegangan yang diberikan, maka akan terjadi difusi pembawa muatan mayoritas dari satu daerah ke daerah lain. Karena elektron adalah pembawa muatan utama, dan di wilayah n konsentrasinya lebih besar, elektron berdifusi ke wilayah p, mengisi lapisan batas wilayah ini secara negatif. Namun meninggalkan tempatnya, elektron menciptakan tempat kosong - lubang, sehingga mengisi lapisan batas wilayah n secara positif. Jadi, setelah periode waktu yang cukup singkat, muatan ruang yang bertanda berlawanan terbentuk di kedua sisi antarmuka.
Medan listrik yang diciptakan oleh muatan ruang mencegah difusi lebih lanjut dari lubang dan elektron. Ada yang disebut penghalang potensial, yang tingginya dicirikan oleh beda potensial pada lapisan batas.
Persimpangan lubang elektron, dalam desain luarnya, diimplementasikan dalam bentuk dioda semikonduktor.
Jika tegangan luar diberikan pada sambungan lubang elektron sehingga kutub negatif sumber terhubung ke daerah yang mempunyai konduktifitas elektronik, dan kutub positif dihubungkan ke daerah yang mempunyai konduktivitas lubang, maka arah tegangan dari sumber tersebut adalah: Sumber luar akan bertanda berlawanan dengan medan listrik sambungan p-n, hal ini akan menyebabkan peningkatan arus yang melalui sambungan p-n. akan muncularus searah,yang akan disebabkan oleh pergerakan pembawa muatan utama, dalam kasus kita ini adalah pergerakan hole dari daerah p ke daerah n, dan pergerakan elektron dari daerah n ke p. Perlu Anda ketahui bahwa lubang bergerak berlawanan dengan pergerakan elektron, sehingga sebenarnya arus mengalir dalam satu arah. Koneksi ini disebutlangsung. Berdasarkan karakteristik arus-tegangan, hubungan seperti itu akan sesuai dengan bagian grafik di kuadran pertama.
Tetapi jika polaritas tegangan yang diterapkan pada sambungan p-n diubah menjadi sebaliknya, maka elektron dari lapisan batas akan mulai berpindah dari antarmuka ke kutub positif sumber, dan lubang ke kutub negatif. Akibatnya, elektron dan lubang bebas akan menjauh dari lapisan batas, sehingga menciptakan lapisan yang praktis tidak ada pembawa muatan. Akibatnya, arus pada sambungan pn berkurang puluhan ribu kali lipat; Muncul arus balik, yang tidak dibentuk oleh pembawa muatan utama balik. Menurut karakteristik arus-tegangan, hubungan seperti itu akan sesuai dengan bagian grafik di kuadran ketiga.
Karakteristik arus-tegangan
Saat menghubungkan sambungan lubang elektron secara langsung, arus meningkat seiring dengan meningkatnya tegangan. Bila dihubungkan secara terbalik, arusnya mencapai nilai I us, yang disebut arus saturasi.Jika Anda terus menaikkan tegangan saat menyalakannya kembali, kerusakan dioda dapat terjadi. Properti ini juga digunakan di berbagai dioda zener, dll.
Sifat-sifat sambungan pn banyak digunakan dalam bidang elektronika yaitu pada dioda, transistor dan semikonduktor lainnya.
Persimpangan p-n (pe-en) adalah suatu wilayah ruang pada pertemuan dua semikonduktor tipe p dan n, di mana terjadi transisi dari satu jenis konduktivitas ke jenis konduktivitas lainnya, transisi semacam itu disebut juga transisi lubang elektron.
Ada dua jenis semikonduktor: tipe p dan n. Pada tipe n, pembawa muatan utama adalah elektron , dan pada tipe p, yang utama bermuatan positif lubang. Lubang positif muncul setelah elektron dikeluarkan dari atom dan lubang positif terbentuk sebagai gantinya.
Untuk memahami cara kerja sambungan p-n, Anda perlu mempelajari komponen-komponennya, yaitu semikonduktor tipe-p dan tipe-n.
Semikonduktor tipe P dan n dibuat berdasarkan silikon monokristalin, yang memiliki tingkat kemurnian sangat tinggi, sehingga pengotor sekecil apa pun (kurang dari 0,001%) mengubah sifat listriknya secara signifikan.
Pada semikonduktor tipe-n, pembawa muatan utamanya adalah elektron . Untuk mendapatkannya mereka menggunakan kotoran donor, yang dimasukkan ke dalam silikon,- fosfor, antimon, arsenik.
Pada semikonduktor tipe p, pembawa muatan utama bermuatan positif lubang . Untuk mendapatkannya mereka menggunakan kotoran akseptor — aluminium, boron
Semikonduktor tipe n (konduktivitas elektronik)
Atom fosfor pengotor biasanya menggantikan atom utama di lokasi kisi kristal. Dalam hal ini, empat elektron valensi atom fosfor bersentuhan dengan empat elektron valensi dari empat atom silikon tetangganya, membentuk cangkang stabil yang terdiri dari delapan elektron. Elektron valensi kelima dari atom fosfor terikat lemah pada atomnya dan, di bawah pengaruh gaya eksternal (getaran termal kisi, medan listrik eksternal), dengan mudah menjadi bebas, menciptakan peningkatan konsentrasi elektron bebas . Kristal memperoleh konduktivitas elektronik atau tipe-n . Dalam hal ini, atom fosfor, tanpa elektron, terikat erat pada kisi kristal silikon dengan muatan positif, dan elektron adalah muatan negatif yang bergerak. Dengan tidak adanya kekuatan eksternal, mereka saling mengimbangi, yaitu dalam silikon tipe-njumlah elektron konduksi bebas ditentukan jumlah atom pengotor donor yang dimasukkan.
Semikonduktor tipe p (konduktivitas lubang)
Sebuah atom aluminium, yang hanya memiliki tiga elektron valensi, tidak dapat secara mandiri membuat kulit delapan elektron yang stabil dengan atom silikon tetangganya, karena untuk ini ia memerlukan elektron lain, yang diambil dari salah satu atom silikon yang terletak di dekatnya. Atom silikon tanpa elektron memiliki muatan positif dan, karena ia dapat mengambil elektron dari atom silikon tetangganya, atom tersebut dapat dianggap sebagai muatan positif bergerak yang tidak terkait dengan kisi kristal, yang disebut lubang. Atom aluminium yang menangkap elektron menjadi pusat bermuatan negatif, terikat erat pada kisi kristal. Konduktivitas listrik semikonduktor tersebut disebabkan oleh pergerakan lubang, oleh karena itu disebut semikonduktor lubang tipe-p. Konsentrasi lubang sesuai dengan jumlah atom pengotor akseptor yang dimasukkan.
Transisi listrik
Transisi listrik dalam semikonduktor disebut lapisan batas antara dua daerah yang sifat fisiknya mempunyai perbedaan fisika yang signifikan.
Jenis transisi listrik berikut ini dibedakan:
§ lubang elektron, atau persimpangan p–n– transisi antara dua daerah semikonduktor yang mempunyai jenis konduktivitas listrik berbeda;
§ transisi antara dua daerah, jika salah satunya adalah logam dan yang lainnya adalah semikonduktor P- atau N- jenis ( transisi logam-semikonduktor);
transisi antara dua area dengan jenis konduktivitas listrik yang sama, berbeda dalam konsentrasi pengotor;
§ transisi antara dua bahan semikonduktor dengan celah pita berbeda ( heterojungsi).
Pengoperasian sejumlah perangkat semikonduktor (dioda, transistor, thyristor, dll.) didasarkan pada fenomena yang timbul dari kontak antara semikonduktor dengan jenis konduktivitas yang berbeda.
Batas antara dua wilayah kristal tunggal semikonduktor, salah satunya memiliki jenis konduktivitas listrik P, dan yang lainnya seperti N disebut transisi lubang elektron. Konsentrasi pembawa muatan utama di daerah P Dan N mungkin sama atau berbeda nyata. P–n-transisi yang konsentrasi lubang dan elektronnya hampir sama dengan N p N n disebut simetris. Jika konsentrasi pembawa muatan utama berbeda (N p >> N n atau N p<< N n) и отличаются в 100…1000 раз, то такие переходы называют asimetris.
Asimetris hal – n-transisi digunakan lebih luas daripada transisi simetris, jadi di masa mendatang kami hanya akan mempertimbangkannya saja.
Mari kita perhatikan kristal tunggal semikonduktor (Gbr. 1.12), di mana, di satu sisi, pengotor akseptor dimasukkan, yang menyebabkan munculnya
jenis konduktivitas listrik P, dan di sisi lain, pengotor donor dimasukkan, yang menyebabkan jenis konduktivitas listrik muncul di sana N. Setiap pembawa muatan positif seluler di wilayah tersebut P(lubang) berhubungan dengan ion bermuatan negatif dari pengotor akseptor, tetapi tidak bergerak, terletak di simpul kisi kristal, dan di wilayah tersebut N Setiap elektron bebas berhubungan dengan ion pengotor donor yang bermuatan positif, sehingga seluruh kristal tunggal tetap netral secara listrik.
Pembawa muatan listrik bebas, di bawah pengaruh gradien konsentrasi, mulai berpindah dari tempat dengan konsentrasi tinggi ke tempat dengan konsentrasi lebih rendah. Dengan demikian, lubang akan menyebar dari area tersebut P ke wilayah tersebut N, dan elektron, sebaliknya, berasal dari wilayah tersebut N ke wilayah tersebut P. Pergerakan muatan listrik yang diarahkan satu sama lain membentuk arus difusi hal – n-transisi. Namun begitu lubangnya keluar dari area tersebut P akan pindah ke daerah tersebut N, ia dikelilingi oleh elektron, yang merupakan pembawa utama muatan listrik di wilayah tersebut N. Oleh karena itu, kemungkinan besar elektron akan mengisi tingkat bebas dan akan terjadi fenomena rekombinasi, akibatnya tidak akan ada lubang atau elektron, tetapi atom semikonduktor yang netral secara listrik akan tetap ada. Tetapi jika sebelumnya muatan listrik positif setiap lubang dikompensasi oleh muatan negatif ion pengotor akseptor di wilayah tersebut P, dan muatan elektron adalah muatan positif ion pengotor donor di wilayah tersebut N, kemudian setelah rekombinasi lubang dan elektron, muatan listrik dari ion pengotor tidak bergerak yang menghasilkan lubang dan elektron ini tetap tidak terkompensasi. Dan pertama-tama, muatan ion pengotor yang tidak terkompensasi muncul di dekat antarmuka (Gbr. 1.13), di mana lapisan muatan ruang terbentuk, dipisahkan oleh celah sempit. Di antara muatan-muatan ini muncul medan listrik dengan intensitas tertentu E, yang disebut medan penghalang potensial, dan beda potensial pada antarmuka antara dua zona yang menentukan medan ini disebut beda potensial kontak.
Medan listrik ini mulai bekerja pada pembawa muatan listrik yang bergerak. Jadi, ada lubang di area tersebut P– pembawa utama, memasuki zona aksi medan ini, mengalami efek penghambatan dan tolak-menolak darinya dan, bergerak di sepanjang garis gaya medan ini, akan didorong lebih dalam ke area tersebut P. Begitu pula dengan elektron dari wilayah tersebut N, jatuh ke dalam zona aksi bidang penghalang potensial, akan didorong lebih dalam ke area tersebut olehnya N. Jadi, di wilayah sempit di mana medan penghalang potensial bekerja, sebuah lapisan terbentuk di mana praktis tidak ada pembawa muatan listrik bebas dan, sebagai hasilnya, memiliki resistansi yang tinggi. Inilah yang disebut lapisan penghalang.
Jika di daerah tersebut P Jika sebuah elektron bebas, yang merupakan pembawa minoritas untuk wilayah ini, entah bagaimana berakhir di dekat antarmuka, maka elektron tersebut akan mengalami efek percepatan dari medan listrik penghalang potensial, akibatnya elektron tersebut akan terlempar melintasi antarmuka. ke wilayah tersebut N, yang akan menjadi pembawa utama. Begitu pula jika berada di kawasan tersebut N Jika pembawa minoritas (lubang) muncul, maka di bawah pengaruh medan penghalang potensial, ia akan terlempar ke wilayah tersebut P, yang sudah menjadi operator utama. Pergerakan Media Minoritas Melalui hal – n- transisi di bawah pengaruh medan listrik dari penghalang potensial menentukan komponen arus hanyut.
Dengan tidak adanya medan listrik eksternal, keseimbangan dinamis terbentuk antara aliran pembawa muatan listrik mayoritas dan minoritas. Artinya, antara komponen difusi dan penyimpangan arus hal – n-transisi, karena komponen-komponen ini diarahkan satu sama lain.
Diagram potensial hal – n-transisi ditunjukkan pada Gambar. 1.13, dan potensi pada antarmuka antar wilayah dianggap potensi nol. Perbedaan potensial kontak membentuk penghalang potensial dengan ketinggian pada antarmuka. Diagram menunjukkan hambatan potensial bagi elektron yang cenderung berpindah dari kanan ke kiri akibat difusi (dari daerah N ke wilayah tersebut P). Jika potensial positif kita gerakkan ke atas, maka diperoleh gambaran potensial penghalang lubang yang menyebar dari kiri ke kanan (dari daerah P ke wilayah tersebut N).
Dengan tidak adanya medan listrik eksternal dan dalam kondisi kesetimbangan dinamis, tingkat Fermi tunggal terbentuk di kedua daerah konduksi dalam kristal semikonduktor.
Namun sejak di semikonduktor P-Tipe tingkat Fermi
bergeser ke arah atas pita valensi, dan dalam semikonduktor N-jenis -
Ke bagian bawah pita konduksi, lalu ke lebarnya hal – n-transisi, diagram pita energi (Gbr. 1.14) dibengkokkan dan penghalang potensial terbentuk:
dimana adalah penghalang energi yang harus diatasi oleh elektron di wilayah tersebut N agar dia bisa pergi ke daerah itu P, atau serupa untuk lubang di area tersebut P jadi dia bisa pindah ke daerah itu N .
Ketinggian penghalang potensial bergantung pada konsentrasi pengotor, karena ketika berubah, tingkat Fermi berubah, bergeser dari tengah celah pita ke batas atas atau bawah.
1.7.2. Properti gerbang persimpangan p–n
P–n-persimpangan memiliki sifat mengubah hambatan listriknya tergantung pada arah arus yang mengalir melaluinya. Properti ini disebut katup, dan perangkat dengan properti ini disebut katup listrik.
Mari kita pertimbangkan hal – n- persimpangan dimana sumber tegangan eksternal Uin dihubungkan dengan polaritas yang ditunjukkan pada Gambar. 1.15, “+” ke luasnya P-ketik, “–” ke area tersebut N-jenis. Koneksi ini disebut koneksi langsung p–n-transisi (atau bias langsung dari persimpangan p – n). Kemudian kuat medan listrik sumber luar E Vn akan diarahkan terhadap kekuatan medan penghalang potensial E dan oleh karena itu akan menyebabkan pengurangan ketegangan yang dihasilkan E soal:
E potong = E - E masuk , (1.14).
Hal ini, pada gilirannya, akan menyebabkan penurunan ketinggian penghalang potensial dan peningkatan jumlah pembawa mayoritas yang berdifusi melintasi antarmuka ke wilayah yang berdekatan, yang membentuk apa yang disebut arus maju. hal – n-transisi. Dalam hal ini, karena penurunan efek penghambatan dan tolak-menolak dari medan penghalang potensial pada pembawa utama, lebar lapisan pemblokiran berkurang ( '< ) и, соответственно, уменьшается его сопротивление.
Ketika tegangan eksternal meningkat, arus maju hal – n-transisi meningkat. Setelah melewati antarmuka, pembawa mayoritas menjadi pembawa minoritas di wilayah berlawanan dari semikonduktor dan, setelah masuk lebih dalam ke dalamnya, bergabung kembali dengan pembawa mayoritas di wilayah tersebut. Namun selama sumber eksternal terhubung, arus yang melewati persimpangan dipertahankan oleh aliran elektron yang terus menerus dari sirkuit eksternal ke dalam rangkaian. N-wilayah dan keberangkatan mereka dari P-area ke dalam sirkuit eksternal, yang menyebabkan konsentrasi lubang di dalamnya P-wilayah
Pengenalan pembawa muatan melalui hal – n-transisi ketika ketinggian penghalang potensial berkurang ke wilayah semikonduktor, di mana pembawa ini adalah minoritas, disebut injeksi pembawa muatan.
Ketika arus searah mengalir dari daerah lubang R ke wilayah elektronik N lubang disuntikkan, dan elektron disuntikkan dari daerah elektron ke daerah lubang.
Lapisan injeksi dengan resistivitas yang relatif rendah disebut emitor; lapisan di mana pembawa muatan minoritas diinjeksikan - basis.
Pada Gambar. Gambar 1.16 menunjukkan diagram pita energi yang berhubungan dengan bias maju hal – n-transisi.
Jika untuk p-n- sambungkan sumber eksternal dengan polaritas berlawanan “–” ke sambungan P-ketik, “+” ke area tersebut N-type (Gbr. 1.17), maka koneksi seperti itu disebut peralihan terbalik dari sambungan p–n(atau bias balik pada sambungan p–n).
Dalam hal ini, kuat medan listrik sumber tersebut E vn akan diarahkan searah dengan kuat medan listrik E potensi hambatan; ketinggian penghalang potensial meningkat, dan arus difusi pembawa mayoritas praktis menjadi nol. Karena peningkatan pengereman, efek tolak-menolak dari medan listrik total pada pembawa muatan utama, lebar lapisan pemblokiran meningkat (>), dan resistansinya meningkat tajam.
Sekarang selesai p–n-transisi, arus yang sangat kecil akan mengalir, karena perpindahan medan listrik total pada antarmuka pembawa utama yang timbul di bawah pengaruh berbagai faktor pengion, terutama yang bersifat termal. Proses perpindahan pembawa muatan minoritas disebut ekstraksi. Arus ini bersifat melayang dan disebut membalikkan arus persimpangan p-n.
Pada Gambar. Gambar 1.18 menunjukkan diagram pita energi yang berhubungan dengan bias balik hal – n- transisi.
Kesimpulan:
1. P–n- transisi terbentuk di perbatasan P- Dan N-daerah yang dibuat dalam kristal tunggal semikonduktor.
2. Akibat difusi ke dalam hal – n-transisi, timbul medan listrik - penghalang potensial yang mencegah pemerataan konsentrasi pembawa muatan utama di daerah tetangga.
3. Dengan tidak adanya tegangan eksternal kamu vn v hal – n-transisi, keseimbangan dinamis terbentuk: arus difusi menjadi sama besarnya dengan arus penyimpangan yang dibentuk oleh pembawa muatan minoritas, menghasilkan arus yang melalui hal – n-transisi menjadi nol.
4. Dengan bias maju hal – n-transisi, penghalang potensial berkurang dan arus difusi yang relatif besar mengalir melalui persimpangan.
5. Ketika bias terbalik hal – n-transisi, penghalang potensial meningkat, arus difusi berkurang menjadi nol, dan arus penyimpangan kecil mengalir melalui persimpangan. Hal ini menunjukkan bahwa hal – n- persimpangan memiliki konduktivitas satu arah. Properti ini banyak digunakan untuk menyearahkan arus bolak-balik.
6. Lebar hal – n-transisi tergantung: pada konsentrasi pengotor di P- Dan N-daerah, berdasarkan tanda dan besarnya tegangan eksternal yang diberikan kamu ext. Ketika konsentrasi pengotor meningkat, lebarnya hal – n-transisi berkurang dan sebaliknya. Dengan meningkatnya tegangan maju, lebarnya hal – n-transisi menurun. Ketika tegangan balik meningkat, lebarnya hal – n-transisi meningkat.
1.7.3. Karakteristik volt-ampere sambungan p–n
Karakteristik arus-tegangan hal – n-transisi adalah ketergantungan arus yang melalui hal – n-transisi dari besarnya tegangan yang diterapkan padanya. Hal ini dihitung berdasarkan asumsi bahwa tidak ada medan listrik di luar lapisan penipisan, yaitu. semua tegangan diterapkan hal – n-transisi. Total arus yang melalui hal – n-transisi ditentukan oleh jumlah empat suku:
dimana arus hanyut elektron;
Arus penyimpangan lubang;
Arus difusi elektron;
Arus difusi lubang; konsentrasi elektron yang disuntikkan ke dalamnya R- wilayah;
Konsentrasi lubang yang disuntikkan ke dalamnya N- wilayah.
Pada saat yang sama, konsentrasi pembawa minoritas n hal0 Dan hal n0 tergantung pada konsentrasi pengotor Np Dan Tidak sebagai berikut:
Di mana dan saya, pi saya adalah konsentrasi intrinsik pembawa muatan (tanpa campuran) masing-masing elektron dan lubang.
Tingkat difusi pembawa υ n, hal berbeda dapat dibiarkan melayang mendekati kecepatannya υ n, hal dr dalam medan listrik lemah dengan penyimpangan kecil dari kondisi kesetimbangan. Dalam hal ini, persamaan berikut dipenuhi untuk kondisi keseimbangan:
υ p berbeda = υ p dr = υ p , υ n berbeda = υ n dr = ay.
Maka ekspresi (1.15) dapat ditulis sebagai:
, (1.16).
Arus balik dapat dinyatakan sebagai berikut:
Di mana Dn, hal– koefisien difusi lubang atau elektron;
Ln, hal– panjang difusi lubang atau elektron. Sejak parameternya Dn, hal , hal n0 , n hal0 , Ln , P = tergantung pada suhu, maka arus balik lebih sering disebut arus termal.
Dengan tegangan langsung dari sumber eksternal ( kamu vn > 0) suku eksponensial dalam ekspresi (1.16) meningkat dengan cepat, yang menyebabkan peningkatan cepat pada arus maju, yang, seperti telah disebutkan, terutama ditentukan oleh komponen difusi.
Dengan tegangan balik dari sumber eksternal
() suku eksponensial jauh lebih kecil dari kesatuan dan arus p–n-transisi hampir sama dengan arus balik, terutama ditentukan oleh komponen penyimpangan. Bentuk ketergantungan ini ditunjukkan pada Gambar. 1.19. Kuadran pertama berhubungan dengan bagian cabang maju dari karakteristik tegangan arus, dan kuadran ketiga berhubungan dengan cabang terbalik. Ketika tegangan maju meningkat, arus p–n-transisi ke arah maju awalnya meningkat relatif lambat, dan kemudian bagian peningkatan arus maju yang cepat dimulai, yang menyebabkan pemanasan tambahan pada struktur semikonduktor. Jika jumlah panas yang dihasilkan dalam hal ini melebihi jumlah panas yang dikeluarkan dari kristal semikonduktor baik secara alami atau dengan bantuan
perangkat pendingin khusus, maka perubahan ireversibel dapat terjadi pada struktur semikonduktor, hingga rusaknya kisi kristal. Oleh karena itu, arus searah p–n-transisi harus dibatasi pada tingkat aman yang mencegah panas berlebih pada struktur semikonduktor. Untuk melakukan ini, perlu menggunakan resistor pembatas yang dihubungkan secara seri dengan hal – n-transisi.
Dengan meningkatnya tegangan balik yang diterapkan p–n-transisi, arus balik sedikit berubah, karena komponen arus yang menyimpang, yang lazim selama peralihan balik, terutama bergantung pada suhu kristal, dan peningkatan tegangan balik hanya menyebabkan peningkatan kecepatan penyimpangan. operator minoritas tanpa mengubah nomornya. Situasi ini akan dipertahankan sampai nilai tegangan balik tercapai, di mana peningkatan intensif arus balik dimulai - yang disebut kerusakan sambungan p–n.
1.7.4. Jenis kerusakan sambungan p–n
Kerusakan yang dapat dibalik dan tidak dapat diubah mungkin terjadi. Kerusakan yang dapat dibalik adalah kerusakan yang terjadi setelahnya hal – n- transisi tetap beroperasi. Kerusakan yang tidak dapat diubah menyebabkan kerusakan struktur semikonduktor.
Ada empat jenis kerusakan: longsoran salju, terowongan, termal, dan permukaan. Longsoran salju dan kerusakan terowongan akan digabungkan dengan nama - kerusakan listrik, yang dapat dibalik. Yang ireversibel meliputi termal dan permukaan.
Kerusakan longsoran salju karakteristik semikonduktor, dengan ketebalan yang signifikan p–n-persimpangan yang dibentuk oleh semikonduktor yang didoping ringan. Dalam hal ini, lebar lapisan penipisan jauh lebih besar daripada panjang difusi pembawa. Kerusakan terjadi di bawah pengaruh medan listrik yang kuat dengan tegangan E(8…12), .Dalam longsoran salju, peran utama dimiliki oleh pembawa minoritas yang terbentuk di bawah pengaruh panas di p–n-transisi.
Pembawa ini diuji dengan medan listrik p–n-transisi mempunyai efek percepatan dan mulai bergerak cepat sepanjang garis gaya medan ini. Pada nilai intensitas tertentu, pembawa muatan minoritas pada jalur bebas rata-rata l (Gbr. 1.20) dapat berakselerasi hingga kecepatan sedemikian rupa sehingga energi kinetiknya mungkin cukup untuk mengionisasinya pada tumbukan berikutnya dengan atom semikonduktor, yaitu. “mematikan” salah satu elektron valensinya dan melemparkannya ke pita konduksi, sehingga membentuk pasangan elektron-lubang. Pembawa yang dihasilkan juga akan mulai berakselerasi dalam medan listrik, bertabrakan dengan atom netral lainnya, dan prosesnya akan meningkat seperti longsoran salju. Dalam hal ini, peningkatan tajam pada arus balik terjadi dengan tegangan balik yang hampir konstan.
Parameter yang mengkarakterisasi kerusakan longsoran adalah koefisien perkalian longsoran M, yang didefinisikan sebagai jumlah kejadian perkalian longsoran di wilayah medan listrik kuat. Besarnya arus balik setelah perkalian longsoran salju akan sama dengan:
dimana arus awal; kamu– tegangan yang diterapkan; kamu p – tegangan tembus longsoran; N– koefisien sama dengan 3 untuk Ge, 5 untuk Si.
Kerusakan terowongan terjadi sangat tipis p–n-transisi, yang mungkin terjadi pada konsentrasi pengotor yang sangat tinggi N 10 19 cm -3 ketika lebar transisi menjadi kecil (sekitar 0,01 μm) dan pada nilai tegangan balik yang kecil (beberapa volt), ketika terjadi gradien medan listrik yang besar. Kekuatan medan listrik yang tinggi, yang bekerja pada atom-atom kisi kristal, meningkatkan energi elektron valensi dan menyebabkan “kebocoran” terowongannya melalui penghalang energi “tipis” (Gbr. 1.21) dari pita valensi P-daerah pada pita konduksi N-wilayah Selain itu, “kebocoran” terjadi tanpa mengubah energi pembawa muatan. Kerusakan terowongan juga ditandai dengan peningkatan tajam arus balik dengan tegangan balik yang hampir konstan.
Jika arus balik untuk kedua jenis gangguan listrik tidak melebihi nilai maksimum yang diperbolehkan
pemanasan dan penghancuran struktur kristal semikonduktor, keduanya bersifat reversibel dan dapat direproduksi berkali-kali.
Teplov disebut kerusakan p–n- transisi yang disebabkan oleh peningkatan jumlah pembawa muatan dengan meningkatnya suhu kristal. Dengan peningkatan tegangan dan arus balik, daya termal dilepaskan di p–n-transisi, dan, karenanya, suhu struktur kristal. Di bawah pengaruh panas, getaran atom kristal meningkat dan ikatan elektron valensi dengannya melemah, meningkatkan kemungkinan transisinya ke pita konduksi dan pembentukan pasangan pembawa elektron-lubang tambahan. Jika daya listriknya p–n-transisi melebihi nilai maksimum yang diizinkan, kemudian proses pembangkitan panas meningkat seperti longsoran salju, restrukturisasi struktur yang tidak dapat diubah terjadi pada kristal dan p-n- transisi hancur.
Untuk mencegah kerusakan termal, kondisi berikut harus dipenuhi:
dimana adalah disipasi daya maksimum yang diijinkan p-n-transisi.
Kerusakan permukaan. Distribusi kuat medan listrik di p–n-transisi dapat secara signifikan mengubah muatan yang ada pada permukaan semikonduktor. Muatan permukaan dapat menyebabkan peningkatan atau penurunan ketebalan sambungan, akibatnya kerusakan pada permukaan sambungan dapat terjadi pada kekuatan medan yang lebih rendah dari yang diperlukan untuk menyebabkan kerusakan pada sebagian besar semikonduktor. Fenomena ini disebut kerusakan permukaan. Peran penting dalam terjadinya kerusakan permukaan dimainkan oleh sifat dielektrik medium yang berbatasan dengan permukaan semikonduktor. Untuk mengurangi kemungkinan kerusakan permukaan, digunakan lapisan pelindung khusus dengan konstanta dielektrik tinggi.
1.7.5. Kapasitas p–n-transisi
Perubahan tegangan eksternal sebesar hal – n-transisi menyebabkan perubahan lebar lapisan penipisan dan, karenanya, muatan listrik terakumulasi di dalamnya (ini juga disebabkan oleh perubahan konsentrasi pembawa muatan yang disuntikkan di dekat transisi). Berdasarkan ini hal – n- persimpangan berperilaku seperti kapasitor, yang kapasitansinya didefinisikan sebagai rasio perubahan akumulasi hal – n-transisi muatan ke tegangan eksternal yang diterapkan yang menyebabkan perubahan ini.
Membedakan penghalang(atau pengisi daya) dan difusi kapasitas p-n-transisi.
Kapasitansi penghalang berhubungan dengan koneksi terbalik hal – n-persimpangan, yang dianggap sebagai kapasitor biasa, di mana pelat adalah batas lapisan penipisan, dan lapisan penipisan itu sendiri berfungsi sebagai dielektrik yang tidak sempurna dengan peningkatan kerugian dielektrik:
dimana konstanta dielektrik relatif bahan semikonduktor; – konstanta listrik(); S – daerah hal – n-transisi; – lebar lapisan yang habis.
Kapasitansi penghalang meningkat seiring bertambahnya luas hal – n-konstanta transisi dan dielektrik semikonduktor dan pengurangan lebar lapisan penipisan. Tergantung pada area transisinya, C bar dapat berkisar dari beberapa hingga ratusan pikofarad.
Ciri kapasitansi penghalang adalah kapasitansi nonlinier. Ketika tegangan balik meningkat, lebar sambungan meningkat dan begitu pula kapasitansi. Dari bar berkurang. Sifat kecanduan C batang = f (U arr) menunjukkan grafik pada Gambar. 1.22. Rupanya, di bawah pengaruh sampel U kapasitas Dari bar berubah beberapa kali.
Kapasitas difusi mencirikan akumulasi pembawa muatan seluler di N- Dan P-daerah dengan tegangan maju di persimpangan. Praktisnya hanya ada pada tegangan searah, ketika pembawa muatan berdifusi (menginjeksikan) dalam jumlah besar melalui penghalang potensial yang berkurang dan, tanpa sempat bergabung kembali, terakumulasi dalam N- Dan P-wilayah. Setiap nilai tegangan searah sesuai dengan nilai tertentu dari dua muatan berlawanan + Q diferensial Dan -Q berbeda, terakumulasi di N- Dan P-wilayah karena difusi pembawa melalui transisi. Kapasitas Dengan diferensial mewakili rasio muatan terhadap beda potensial:
Dengan peningkatan kamu pr arus maju meningkat lebih cepat daripada tegangan, karena Oleh karena itu, karakteristik arus-tegangan untuk arus maju mempunyai bentuk nonlinier Q berbeda tumbuh lebih cepat dari kamu pr Dan Dengan diferensial meningkat.
Kapasitas difusi jauh lebih besar dari kapasitas penghalang, namun tidak dapat digunakan karena ternyata di-shunt dengan resistensi ke depan yang rendah hal – n-transisi. Perkiraan numerik kapasitansi difusi menunjukkan nilainya mencapai beberapa satuan mikrofarad.
Dengan demikian, p–n- persimpangan dapat digunakan sebagai kapasitor variabel,
dikendalikan oleh besaran dan tanda tegangan yang diberikan.
1.7.6. Kontak logam-semikonduktor
Dalam perangkat semikonduktor modern, selain kontak dengan hal – n-transisi menggunakan kontak logam-semikonduktor.
Kontak logam-semikonduktor terjadi pada titik kontak kristal semikonduktor N- atau R-jenis konduktivitas dengan logam. Proses yang terjadi dalam hal ini ditentukan oleh perbandingan fungsi kerja elektron dari logam dan dari semikonduktor. Di bawah fungsi kerja elektron memahami energi yang diperlukan untuk mentransfer elektron dari tingkat Fermi ke tingkat energi elektron bebas. Semakin rendah fungsi kerjanya, semakin banyak elektron yang dapat lepas dari suatu benda.
Akibat difusi elektron dan redistribusi muatan, netralitas listrik di daerah yang berdekatan dengan antarmuka terganggu, dan timbul medan listrik kontak dan beda potensial kontak:
. (1.21)
Lapisan transisi yang mempunyai medan listrik kontak pada kontak logam-semikonduktor disebut Transisi Schottky, dinamai ilmuwan Jerman W. Schottky, yang merupakan orang pertama yang memperoleh hubungan matematika dasar untuk karakteristik listrik transisi tersebut.
Medan listrik kontak pada transisi Schottky terkonsentrasi hampir di semikonduktor, karena konsentrasi pembawa muatan dalam logam jauh lebih besar daripada konsentrasi pembawa muatan dalam semikonduktor. Redistribusi elektron dalam logam terjadi pada lapisan yang sangat tipis sebanding dengan jarak antar atom.
Tergantung pada jenis konduktivitas listrik semikonduktor dan rasio fungsi kerja dalam kristal, lapisan pembawa listrik yang terkuras, terbalik, atau diperkaya dapat muncul.
1. < , полупроводник N-tipe (Gbr. 1.23, a). Dalam hal ini, keluaran elektron dari logam akan mendominasi ( M) menjadi semikonduktor, oleh karena itu, pembawa mayoritas (elektron) terakumulasi di lapisan semikonduktor dekat antarmuka, dan lapisan ini menjadi diperkaya, yaitu. mengalami peningkatan konsentrasi elektron. Resistansi lapisan ini akan kecil untuk setiap polaritas tegangan yang diberikan, dan oleh karena itu, sambungan seperti itu tidak memiliki sifat penyearah. Ini disebut berbeda transisi yang tidak dapat diperbaiki.
2. < , полупроводник P-tipe (Gbr. 1.23, b). Dalam hal ini, pelepasan elektron dari semikonduktor ke dalam logam akan mendominasi, sementara daerah yang diperkaya dengan pembawa muatan mayoritas (lubang) dan memiliki resistansi rendah juga terbentuk di lapisan batas. Transisi ini juga tidak mempunyai sifat memperbaiki.
3., semikonduktor tipe-n (Gbr. 1.24, a). Dalam kondisi seperti itu, elektron akan berpindah terutama dari semikonduktor ke logam, dan pada lapisan batas semikonduktor akan terbentuk daerah yang kekurangan pembawa muatan utama dan memiliki resistansi yang tinggi. Di sini penghalang potensial yang relatif tinggi tercipta, yang tingginya akan sangat bergantung pada polaritas tegangan yang diberikan. Jika , maka pembentukan lapisan terbalik dimungkinkan ( P-jenis). Kontak ini memiliki properti perbaikan.
4. , semikonduktor P-tipe (Gbr. 1.24, b). Kontak yang terbentuk dalam kondisi seperti itu memiliki sifat penyearah, seperti yang sebelumnya.
Ciri khas dari kontak logam-semikonduktor adalah, tidak seperti kontak konvensional hal – n-transisi disini ketinggian penghalang potensial elektron dan lubang berbeda. Akibatnya, kontak tersebut dapat menjadi non-injeksi dalam kondisi tertentu, mis. ketika arus searah mengalir melalui kontak, pembawa minoritas tidak akan disuntikkan ke wilayah semikonduktor, yang sangat penting untuk perangkat semikonduktor frekuensi tinggi dan berdenyut.
Dioda semikonduktor
Persimpangan lubang elektron adalah lapisan tipis antara dua bagian kristal semikonduktor, di mana satu bagian memiliki konduktivitas elektronik dan bagian lainnya memiliki konduktivitas lubang.
Proses teknologi untuk membuat sambungan lubang elektron bisa berbeda: fusi (dioda paduan), difusi satu zat ke zat lain (dioda difusi), pertumbuhan berorientasi epitaksi dari satu kristal pada permukaan kristal lain (dioda epitaksi), dll. Secara desain, sambungan lubang elektron bisa simetris dan asimetris, tajam dan halus, datar dan runcing, dll. Namun, untuk semua jenis transisi, sifat utamanya adalah konduktivitas listrik asimetris, di mana kristal melewatkan arus dalam satu arah, tetapi tidak meneruskannya ke yang lain.
Struktur transisi elektron-lubang ditunjukkan pada Gambar. 2.1a. Salah satu bagian dari persimpangan ini diolah dengan pengotor donor dan memiliki konduktivitas elektronik (wilayah-N). Bagian lainnya, yang diolah dengan pengotor akseptor, memiliki konduktivitas lubang (wilayah P). Konsentrasi elektron di satu bagian dan konsentrasi lubang di bagian lain berbeda nyata. Selain itu, terdapat konsentrasi kecil pembawa minoritas di kedua wilayah.
Elektron di wilayah N cenderung menembus ke wilayah P, yang konsentrasi elektronnya jauh lebih rendah. Demikian pula lubang dari daerah P berpindah ke daerah N. Sebagai hasil dari gerakan berlawanan dari muatan yang berlawanan, timbul apa yang disebut arus difusi. Elektron dan lubang, setelah melintasi antarmuka, meninggalkan muatan yang berlawanan, yang mencegah aliran arus difusi lebih lanjut. Hasilnya, keseimbangan dinamis terbentuk pada batas dan pada saat penutupan N- dan daerah P, tidak ada arus yang mengalir pada rangkaian. Distribusi kerapatan muatan ruang pada transisi ditunjukkan pada Gambar. 2.1 B.
Dalam hal ini, medan listrik intrinsik E intrinsik muncul di dalam kristal pada antarmuka, yang arahnya ditunjukkan pada Gambar. 2.1. Kekuatan medan ini maksimum pada antarmuka, di mana tanda muatan ruang berubah secara tiba-tiba. Pada jarak tertentu dari antarmuka, tidak ada muatan ruang dan semikonduktornya netral.
Ketinggian penghalang potensial pada sambungan p-n ditentukan oleh beda potensial kontak N- dan wilayah P. Perbedaan potensial kontak, pada gilirannya, bergantung pada konsentrasi pengotor di area berikut:
Di mana J T = kT/q - potensi termal,
Tidak Dan R r- konsentrasi elektron dan lubang di daerah n - dan p -,
n i, adalah konsentrasi pembawa muatan dalam semikonduktor yang tidak didoping.
Beda potensial kontak untuk germanium adalah 0,6...0,7 V, dan untuk silikon - 0,9...1,2 V. Ketinggian penghalang potensial dapat diubah dengan menerapkan tegangan eksternal ke hal-hal- transisi. Jika tegangan eksternal menciptakan medan pada sambungan pn yang bertepatan dengan tegangan internal, maka tinggi penghalang potensial meningkat; dengan polaritas terbalik dari tegangan yang diberikan, tinggi penghalang potensial berkurang.
Beras. 2.1. Persimpangan p-n yang tajam dan distribusi muatan ruang di dalamnya
Jika tegangan yang diberikan sama dengan beda potensial kontak, maka penghalang potensial hilang sama sekali
Karakteristik arus-tegangan dari sambungan p-n mewakili ketergantungan arus yang melalui sambungan ketika nilai dan polaritas tegangan yang diberikan berubah padanya. Jika tegangan yang diberikan mengurangi penghalang potensial, maka disebut tegangan langsung, dan jika tegangan meningkat, disebut tegangan balik.
Penerapan tegangan maju dan mundur pada sambungan pn ditunjukkan pada Gambar. 2.2.
Arus balik pada sambungan pn disebabkan oleh pembawa minoritas di salah satu daerah, yang melayang dalam medan listrik daerah muatan ruang, berakhir di daerah di mana pembawa tersebut sudah menjadi pembawa mayoritas. Karena konsentrasi pembawa mayoritas secara signifikan melebihi konsentrasi pembawa minoritas, munculnya sejumlah kecil pembawa mayoritas tambahan praktis tidak akan mengubah keadaan setimbang semikonduktor. Dengan demikian, arus balik hanya bergantung pada jumlah pembawa minoritas yang muncul pada batas wilayah muatan ruang. Tegangan yang diterapkan secara eksternal menentukan laju perpindahan pembawa dari satu daerah ke daerah lain, tetapi tidak menentukan jumlah pembawa yang melewati persimpangan per satuan waktu. Akibatnya, arus balik yang melalui persimpangan adalah arus konduksi dan tidak bergantung pada ketinggian penghalang potensial, yaitu tetap konstan ketika tegangan balik melintasi persimpangan berubah.
Arus ini disebut arus saturasi dan dilambangkan
Saya arr = Saya S .
Ketika sambungan pn dibias maju, muncul arus (difusi), yang disebabkan oleh difusi pembawa mayoritas yang mengatasi penghalang potensial.
Setelah melewati sambungan pn, pembawa ini memasuki wilayah semikonduktor yang merupakan pembawa minoritas. Dalam hal ini, konsentrasi pembawa minoritas dapat meningkat secara signifikan dibandingkan dengan konsentrasi kesetimbangan. Fenomena ini disebut injeksi pembawa.
Jadi, ketika arus searah mengalir melalui transisi dari daerah elektron ke daerah lubang, akan terjadi injeksi elektron, dan injeksi lubang akan terjadi dari daerah lubang. Arus difusi bergantung pada ketinggian penghalang potensial dan meningkat secara eksponensial seiring dengan penurunannya:
Di mana kamu- tegangan pada sambungan p-n.
Gambar 2 Penerapan tegangan balik (a) dan maju (b) pada sambungan pn
Selain arus difusi, arus maju juga mengandung arus konduksi yang mengalir dalam arah yang berlawanan, oleh karena itu arus total ketika sambungan pn dibias maju akan sama dengan selisih antara arus difusi (2.2) dan arus konduksi:
Persamaan (2.3) disebut persamaan Ebers-Moll, dan karakteristik arus-tegangan yang sesuai dari sambungan p-n ditunjukkan pada Gambar. 2.3. Karena pada T = 300 K potensial termal j t = 25 mV, maka pada U = 0,1 V kita dapat berasumsi bahwa
Resistansi diferensial sambungan p-n dapat ditentukan dengan menggunakan rumus (2.3):
dari mana kita mendapatkannya
Jadi, misalnya, pada arus I = 1A dan j T = 25 mV, resistansi diferensial sambungan adalah 25 mOhm.
Nilai tegangan pembatas pada sambungan p-n dengan bias maju tidak melebihi beda potensial kontak y Ke. Tegangan balik dibatasi oleh rusaknya sambungan pn. Kerusakan pada persimpangan pn terjadi karena perkalian longsoran pembawa minoritas dan disebut kerusakan longsoran. Selama kerusakan longsoran pada sambungan p-n, arus yang melalui sambungan tersebut hanya dibatasi oleh hambatan suplai. persimpangan pn rangkaian listrik (Gbr. 2.3).
Semikonduktor p-n-transisi, mempunyai kapasitansi, yang secara umum didefinisikan sebagai rasio kenaikan muatan pada sambungan dengan kenaikan penurunan tegangan yang melintasinya, yaitu.
C=dq/du.
Beras. 2.3. Karakteristik volt-ampere sambungan p-n
Kapasitansi sambungan bergantung pada nilai dan polaritas tegangan eksternal yang diberikan. Dengan tegangan balik melintasi persimpangan, kapasitansi ini disebut kapasitansi penghalang dan ditentukan oleh rumus
di mana y K adalah beda potensial kontak,
kamu- tegangan balik di persimpangan,
C 6ar (0) - nilai kapasitansi penghalang di kamu=0, yang bergantung pada luas sambungan pn dan sifat kristal semikonduktor.
Ketergantungan kapasitansi penghalang pada tegangan yang diberikan ditunjukkan pada Gambar. 2.4. Secara teoritis, kapasitansi penghalang juga ada pada tegangan searah di persimpangan p-n, tetapi kapasitansi ini dihambat oleh resistansi diferensial r diferensial yang rendah.
Beras. 2.4 Ketergantungan kapasitansi penghalang pada tegangan pada sambungan p-n
Ketika sambungan p-n dibias maju, kapasitansi difusi memiliki pengaruh yang jauh lebih besar, yang bergantung pada nilai arus maju I dan masa pakai pembawa minoritas t. R. Kapasitansi ini tidak berhubungan dengan arus bias, namun memberikan pergeseran fasa yang sama antara tegangan dan arus seperti kapasitansi normal. Nilai kapasitas difusi dapat ditentukan dengan rumus
Total kapasitansi persimpangan di bawah bias maju ditentukan oleh jumlah kapasitansi penghalang dan difusi
Ketika persimpangan dibias mundur, tidak ada kapasitansi difusi dan kapasitansi total hanya terdiri dari kapasitansi penghalang.
Dioda semikonduktor disebut perangkat yang memiliki dua terminal dan berisi satu (atau beberapa) sambungan p-n. Semua dioda semikonduktor dapat dibagi menjadi dua kelompok: penyearah dan khusus. Dioda penyearah, seperti namanya, dirancang untuk menyearahkan arus bolak-balik. Tergantung pada frekuensi dan bentuk tegangan bolak-balik, mereka dibagi menjadi frekuensi tinggi, frekuensi rendah dan berdenyut. Jenis dioda semikonduktor khusus memanfaatkan sifat sambungan pn yang berbeda; fenomena kerusakan, kapasitansi penghalang, adanya area dengan resistansi negatif, dll.
Secara struktural dioda penyearah Mereka dibagi menjadi planar dan titik, dan menurut teknologi manufaktur menjadi paduan, difusi dan epitaksi. Karena luasnya area persimpangan μ-l, dioda planar digunakan untuk menyearahkan arus yang besar. Dioda titik memiliki area transisi kecil dan, karenanya, dirancang untuk menyearahkan arus kecil. Untuk meningkatkan tegangan tembus longsoran digunakan kolom penyearah yang terdiri dari rangkaian dioda yang dihubungkan secara seri.
Dioda penyearah daya tinggi disebut dioda daya. Bahan untuk dioda tersebut biasanya silikon atau galium arsenida. Germanium praktis tidak digunakan karena ketergantungan arus balik yang kuat pada suhu. Dioda paduan silikon digunakan untuk menyearahkan arus bolak-balik hingga 5 kHz. Dioda difusi silikon dapat beroperasi pada frekuensi yang lebih tinggi, hingga 100 kHz. Dioda epitaksi silikon dengan substrat logam (dengan penghalang Schottky) dapat digunakan pada frekuensi hingga 500 kHz. Dioda Gallium arsenide mampu beroperasi pada rentang frekuensi hingga beberapa MHz.
Dengan arus besar yang melalui sambungan pn, tegangan turun secara signifikan di sebagian besar semikonduktor, dan hal ini tidak dapat diabaikan. Dengan mempertimbangkan ekspresi (2.4), karakteristik tegangan arus dari dioda penyearah berbentuk
Di mana R- resistansi volume kristal semikonduktor, yang disebut resistansi seri.
Penunjukan grafis konvensional dari dioda semikonduktor ditunjukkan pada Gambar. 2.5 a, dan strukturnya pada Gambar. 2.5 B. Elektroda dioda U dihubungkan ke area tersebut R, disebut anoda (mirip dengan dioda vakum listrik), dan elektroda dihubungkan ke area tersebut N,- katoda. Karakteristik arus-tegangan statis dioda ditunjukkan pada Gambar. 2.5 V.
Beras. 2.5. Simbol dioda semikonduktor (a), strukturnya (b) dan karakteristik tegangan arus (c)
Dioda daya biasanya dicirikan oleh serangkaian parameter statis dan dinamis. Parameter statis dioda meliputi:
Penurunan tegangan kamu tidak pada dioda pada nilai arus maju tertentu;
Arus balik I о6р pada nilai tegangan balik tertentu;
Nilai rata-rata arus maju I pr av;
Tegangan balik pulsa U o6ri.
Parameter dinamis dioda mencakup karakteristik waktu atau frekuensinya. Parameter ini meliputi:
Waktu pemulihan tegangan balik;
Waktu bangkitnya arus maju I Nar;
Batasi frekuensi tanpa mengurangi mode dioda fmax.
Parameter statis dapat diatur menggunakan karakteristik arus-tegangan dioda, seperti ditunjukkan pada Gambar. 2.5 V. Nilai khas parameter statis dioda daya diberikan dalam tabel. 2.1.
Tabel 2.1 Parameter statis dioda penyearah daya
Membalikkan waktu pemulihan dioda t rev adalah parameter utama dioda penyearah, yang mencirikan sifat inersianya. Hal ini ditentukan ketika dioda beralih dari arus maju tertentu I pr ke tegangan balik tertentu U o6p. Grafik peralihan tersebut ditunjukkan pada Gambar. 26b. Diagram pengujian ditunjukkan pada Gambar. 26 B, adalah penyearah setengah gelombang yang beroperasi pada beban resistif R H dan ditenagai dari sumber tegangan berbentuk persegi panjang.
Tegangan pada masukan rangkaian pada waktu ?=0 melonjak ke nilai positif Um. Karena inersia proses difusi, arus dalam dioda tidak muncul secara instan, tetapi meningkat seiring waktu tm. Seiring dengan bertambahnya arus pada dioda, tegangan melintasi dioda menurun, yang setelah 4a P menjadi sama dengan £/waktu. Pada suatu saat t t mode stasioner dibuat di sirkuit, di mana arus dioda saya=Saya s ~U m /RB .
Situasi ini berlanjut hingga saat ini t2, ketika polaritas tegangan suplai dibalik. Namun, muatan yang terakumulasi pada batas persimpangan ^-i mempertahankan dioda dalam keadaan terbuka selama beberapa waktu, tetapi arah arus dalam dioda berubah ke arah yang berlawanan. Pada dasarnya, resorpsi muatan terjadi pada tepi 5" (transfer rchm (yaitu, pelepasan kapasitas setara). Setelah interval waktu resorpsi /,„
proses mematikan dioda dimulai, yaitu proses mengembalikan sifat pengunciannya,
Pada saat itu< 3 напряжение на диоде становится равным нулю, и в дальнейшем приобретает обратное значение. Процесс восстановления запирающих свойств диода продолжается до момента времени Dan, setelah itu dioda menjadi terkunci. Pada saat ini, arus dalam dioda menjadi sama 1^, dan tegangan mencapai nilai - Um. Jadi waktunya t^ dapat dihitung dari transisi ya melalui nol hingga arus dioda mencapai nilai tersebut 1^.
Pertimbangan proses menghidupkan dan mematikan dioda penyearah menunjukkan bahwa ini bukanlah katup yang ideal dan, dalam kondisi tertentu, mengalir ke arah yang berlawanan. Waktu resorpsi pembawa minoritas di persimpangan /?-i dapat ditentukan dengan rumus
Di mana x hal- seumur hidup pembawa minoritas.
Waktu pemulihan tegangan balik pada dioda dapat diperkirakan dengan menggunakan ekspresi perkiraan
Perlu dicatat kapan Ra =0(yang sesuai dengan pengoperasian dioda pada beban kapasitif), arus balik yang melalui dioda pada saat dimatikan bisa berkali-kali lipat lebih tinggi daripada arus beban dalam mode stasioner.
Dari pemeriksaan grafik pada Gambar. 2.6 a maka rugi-rugi daya pada dioda meningkat tajam ketika dihidupkan dan, terutama, ketika dimatikan. Akibatnya, rugi-rugi dioda meningkat seiring dengan meningkatnya frekuensi tegangan yang disearahkan. Ketika dioda beroperasi pada frekuensi rendah dan bentuk tegangan suplai harmonis, tidak ada pulsa arus dengan amplitudo besar dan rugi-rugi pada dioda berkurang tajam.
Ketika suhu badan dioda berubah, parameternya berubah. Ketergantungan ini harus diperhitungkan ketika mengembangkan peralatan. Tegangan maju pada dioda dan arus baliknya sangat bergantung pada suhu. Koefisien suhu tegangan (TCV) pada dioda mempunyai nilai negatif, karena dengan meningkatnya suhu maka tegangan melintasi dioda menurun. Secara kasar dapat diasumsikan bahwa TKN Naik = -2mB/K.
Arus balik dioda sangat bergantung pada suhu casing dan memiliki koefisien positif. Jadi, dengan peningkatan suhu setiap 10°C, arus balik dioda germanium meningkat 2 kali lipat, dan arus balik dioda silikon sebesar 2,5 kali lipat.
Rugi-rugi pada dioda penyearah dapat dihitung dengan menggunakan rumus
dimana P 11р - rugi-rugi pada dioda pada arah arus maju, R^- rugi-rugi pada dioda pada arus balik, R, k- kerugian pada dioda pada tahap pemulihan terbalik.
Beras. 2 6 Grafik proses membuka dan mengunci dioda (a) dan rangkaian uji (b)
Perkiraan nilai forward loss dapat dihitung dengan menggunakan rumus
dimana /„pep dan (/„pq, adalah nilai rata-rata arus maju dan tegangan maju pada dioda. Demikian pula, Anda dapat menghitung rugi-rugi daya dengan arus balik:
Dan terakhir, kerugian pada tahap pemulihan terbalik ditentukan oleh rumus
dimana /" adalah frekuensi tegangan bolak-balik.
Setelah menghitung rugi-rugi daya pada dioda, suhu badan dioda harus ditentukan dengan menggunakan rumus
dimana G pmax = 150°C adalah suhu maksimum yang diijinkan dari kristal dioda, RnK- ketahanan termal badan dioda persimpangan (diberikan dalam data referensi untuk dioda), G hingga maks - suhu maksimum yang diizinkan dari badan dioda.
Dioda penghalang Schottky Untuk menyearahkan tegangan frekuensi tinggi rendah, dioda penghalang Schottky (SBD) banyak digunakan. Dioda ini menggunakan kontak logam-ke-semikonduktor, bukan sambungan p. Pada titik kontak, muncul lapisan semikonduktor yang kehabisan pembawa muatan, yang disebut lapisan gerbang. Dioda dengan penghalang Schottky berbeda dari dioda dengan sambungan pn dalam parameter berikut:
Penurunan tegangan maju yang lebih rendah;
Memiliki tegangan balik yang lebih rendah;
Arus bocor yang lebih tinggi;
Hampir tidak ada biaya pemulihan terbalik.
Dua karakteristik utama membuat dioda ini sangat diperlukan dalam desain penyearah tegangan rendah dan frekuensi tinggi: penurunan tegangan maju rendah dan waktu pemulihan tegangan balik rendah. Selain itu, tidak adanya pembawa minoritas yang memerlukan waktu pemulihan terbalik berarti secara fisik tidak ada kerugian peralihan pada dioda itu sendiri.
Pada dioda penghalang Schottky, penurunan tegangan maju merupakan fungsi dari tegangan balik. Tegangan maksimum dioda Schottky modern adalah sekitar 150V. Pada tegangan ini, tegangan maju DS adalah 0,2...0,3V lebih kecil dari tegangan maju dioda dengan sambungan p.
Keuntungan dioda Schottky menjadi sangat nyata ketika menyearahkan tegangan rendah. Misalnya, dioda Schottky 45 volt memiliki tegangan maju 0,4...0.6V, dan pada arus yang sama, dioda dengan sambungan // memiliki penurunan tegangan 0,5...1.0V. Ketika tegangan balik turun menjadi 15V, tegangan maju turun menjadi 0,3...0,4V. Rata-rata, penggunaan dioda Schottky pada penyearah dapat mengurangi kerugian sekitar 10...15%. Frekuensi operasi maksimum DS melebihi 200 kHz pada arus hingga 30 A.
Informasi terkait.
