Ja reālās pusvadītāju ierīcēs izmanto pn savienojumu, tam var pielikt ārēju spriegumu. Šī sprieguma lielums un polaritāte nosaka krustojuma uzvedību un caur to plūstošo elektrisko strāvu. Ja barošanas avota pozitīvais pols ir pievienots lpp-reģions, un negatīvs – uz n-zonu, pēc tam ieslēdzot p-n-pāreju sauc par tiešo. Mainot norādīto polaritāti, ieslēdzot p-n-pāreju sauc par apgriezto.
Tiešā savienojuma gadījumā p-n-pāreja, ārējais spriegums pārejā rada lauku, kas ir pretējs iekšējam difūzijas laukam virzienā, 2. attēls. Iegūtā lauka stiprums samazinās, ko pavada bloķējošā slāņa sašaurināšanās. Rezultātā liels skaits vairākuma lādiņu nesēju spēj difūzi pārvietoties uz kaimiņu reģionu (driftstrāva nemainās, jo ir atkarīga no mazākuma nesēju skaita, kas parādās pārejas robežās), t.i. caur krustojumu plūdīs iegūtā strāva, ko galvenokārt nosaka difūzijas komponents. Difūzijas strāva ir atkarīga no potenciālās barjeras augstuma un palielinās eksponenciāli, tai samazinoties.
Palielināta lādiņnesēju difūzija caur krustojumu izraisa caurumu koncentrācijas palielināšanos reģionā n-tips un elektroni apgabalā lpp-tips. Šo mazākuma nesēja koncentrācijas palielināšanos, ko rada krustojumam pievadīta ārējā sprieguma ietekme, sauc par mazākuma nesēja iesmidzināšanu. Nelīdzsvaroti mazākuma nesēji dziļi izkliedējas pusvadītājā un izjauc tā elektrisko neitralitāti. Pusvadītāja neitrālā stāvokļa atjaunošana notiek lādiņu nesēju ienākšanas dēļ no ārēja avota. Tas ir iemesls strāvai ārējā ķēdē, ko sauc par tiešo.
Kad ieslēgts p-n-pāreja pretējā virzienā, ārējais reversais spriegums rada elektrisko lauku, kas sakrīt ar difūzijas virzienu, kas noved pie potenciālās barjeras palielināšanās un bloķējošā slāņa platuma palielināšanās, 3. attēls. Tas viss samazina lielāko nesēju difūzijas strāvas. Ne-mainstream medijiem lauks in p-n- krustojums turpina paātrināties, un tāpēc dreifējošā strāva nemainās.
Tādējādi iegūtā strāva plūdīs caur krustojumu, ko galvenokārt nosaka mazākuma nesēja dreifējošā strāva. Tā kā dreifējošo mazākuma nesēju skaits nav atkarīgs no pielietotā sprieguma (tas ietekmē tikai to ātrumu), tad, palielinoties reversajam spriegumam, strāva caur krustojumu tiecas uz robežvērtību. es S, ko sauc par piesātinājuma strāvu. Jo lielāka ir donoru un akceptoru piemaisījumu koncentrācija, jo mazāka ir piesātinājuma strāva, un, pieaugot temperatūrai, piesātinājuma strāva pieaug eksponenciāli.
1.3. Strāvas-sprieguma raksturlielums p-n krustojumam
Caurplūdes strāvas atkarība p-n-pāreja no tai pieliktā sprieguma es = f(U) sauc par strāvas-sprieguma raksturlielumu p-n-pāreja, 4. attēls.
Elektronu caurumu pārejas strāvas-sprieguma raksturlielumu apraksta vienādojums Ebers-Mols:
, (1)
Kur es– strāva caur krustojumu pie sprieguma U;
es S– mazākuma lādiņnesēju radītā piesātinājuma strāva. es S sauc arī par termisko strāvu, jo mazākuma nesēju koncentrācija ir atkarīga no temperatūras;
q e– elektronu lādiņš;
k– Bolcmaņa konstante;
T- absolūtā temperatūra;
– pārejas temperatūras potenciāls, aptuveni vienāds istabas temperatūrā līdz 0,025 V = 25 mV.
Ja р-n- pāreja ir ieslēgta virzienā uz priekšu, spriegums U ņem ar plus zīmi, ja otrādi - ar mīnus zīmi.
Ar tiešu pievadīto spriegumu 
vienu var neņemt vērā, salīdzinot ar terminu 
, un strāvas-sprieguma raksturlielumam būs tīri eksponenciāls raksturs.
Ar pretējo (negatīvo) spriegumu 
termiņš 
var neņemt vērā, salīdzinot ar vienotību, un strāva izrādās vienāda 
.
Tomēr Eq. Ebers-Molsļoti aptuveni sakrīt ar reālajiem strāvas-sprieguma raksturlielumiem, jo tajā nav ņemti vērā vairāki fizikālie procesi, kas notiek pusvadītājos. Pie šādiem procesiem pieder: nesēju ģenerēšana un rekombinācija bloķēšanas slānī, virsmas noplūdes strāvas, sprieguma kritums neitrālo reģionu pretestībā, termiskās, lavīnu un tuneļa sabrukšanas parādības.
Ja strāva, kas plūst caur krustojumu, ir nenozīmīga, tad sprieguma kritumu pāri neitrālo reģionu pretestībai var neņemt vērā. Taču, palielinoties strāvai, šis process arvien vairāk ietekmē ierīces strāvas-sprieguma raksturlielumu, t.i. tā patiesais raksturlielums iet mazākā leņķī un deģenerējas taisnā līnijā, kad spriegums uz barjeras slāņa kļūst vienāds ar kontakta potenciāla starpību.
Pie noteikta reversa sprieguma tiek novērots straujš reversās strāvas pieaugums. Šo parādību sauc par pārejas sadalījumu. Ir trīs veidu bojājumi: tuneļa, lavīnas un termiski. Tuneļu un lavīnu bojājumi ir elektrisko bojājumu veidi, un tie ir saistīti ar elektriskā lauka intensitātes palielināšanos krustojumā. Termisko sadalījumu nosaka krustojuma pārkaršana.
Tuneļa efekts (Zener efekts) sastāv no tiešas valences elektronu pārejas no viena pusvadītāja uz otru (kur tie jau būs brīvi lādiņu nesēji), kas kļūst iespējama pie liela elektriskā lauka intensitātes pārejas brīdī. Tik augstu elektriskā lauka intensitāti krustojumā var sasniegt ar lielu piemaisījumu koncentrāciju lpp- Un n-zonas, kur pārejas biezums kļūst ļoti mazs.
Plašā p-n-savienojumi, ko veido pusvadītāji ar vidēju vai zemu piemaisījumu koncentrāciju, samazinās elektronu tuneļa noplūdes iespējamība un lielāka kļūst lavīnas sabrukšana.
Lavīnas sadalīšanās notiek, ja elektrona vidējais brīvais ceļš pusvadītājā ir ievērojami mazāks par savienojuma biezumu. Ja elektroni sava brīvā ceļa laikā uzkrāj pietiekamu kinētisko enerģiju, lai pārejā jonizētu atomus, tad notiek triecienjonizācija, ko pavada lādiņnesēju lavīnas pavairošana. Triecienjonizācijas rezultātā izveidotie brīvie lādiņnesēji palielina reversās pārejas strāvu.
Termisko sabrukumu izraisa ievērojams lādiņnesēju skaita pieaugums p-n-pāreja termiskā režīma pārkāpuma dēļ. Strāvas padeve krustojumā P arr = es arr. U atkritumi tiek tērēti to apkurei. Barjeras slānī izdalītais siltums tiek noņemts galvenokārt kristāla režģa siltumvadītspējas dēļ. Sliktos apstākļos siltuma noņemšanai no krustojuma, kā arī tad, kad reversais spriegums krustojumā palielinās virs kritiskās vērtības, ir iespējams to uzsildīt līdz temperatūrai, kurā notiek atomu termiskā jonizācija. Šajā gadījumā izveidotie lādiņnesēji palielina pretējo strāvu caur krustojumu, kas noved pie tā tālākas sildīšanas. Šāda pieaugoša procesa rezultātā pāreja kļūst nepieņemami uzkarsēta un notiek termiskais sabrukums, ko raksturo kristāla iznīcināšana.
Lādiņu nesēju skaita palielināšanās, kad krustojums tiek uzkarsēts, samazina tā pretestību un tajā radītā sprieguma samazināšanos. Rezultātā strāvas-sprieguma raksturlīknes reversajā atzarā termiskā sadalījuma laikā parādās sadaļa ar negatīvu diferenciālo pretestību.
-šis ir reģions, kas atdala elektronu un caurumu vadīšanas virsmas vienā kristālā.
Elektronu caurumu savienojums ir izveidots vienā monokristālā, kurā tiek iegūta diezgan asa robeža starp elektroniskās un caurumu vadītspējas apgabaliem.
Attēlā parādīti divi blakus esošie pusvadītāja apgabali, no kuriem viens satur donora piemaisījumu (elektroniskās, ti, n-vadītspējas apgabals), bet otrs - akceptora piemaisījumu (cauruma vadītspējas apgabals, tas ir, p-vadītspēja ). Lai saprastu, kā veidojas šis vai cita veida pusvadītājs, iesakām izlasīt rakstu -Piemaisījumu pusvadītāji.
Ja nav pielietota sprieguma, tiek novērota lielāko lādiņu nesēju difūzija no viena reģiona uz otru. Tā kā elektroni ir galvenie lādiņu nesēji, un n apgabalā to koncentrācija ir lielāka, tie izkliedējas p-apgabalā, negatīvi uzlādējot šī reģiona robežslāni. Bet, atstājot savu vietu, elektroni rada brīvas vietas - caurumus, tādējādi pozitīvi uzlādējot n-apgabala robežslāni. Tādējādi pēc diezgan īsa laika perioda abās saskarnes pusēs veidojas pretējas zīmes telpas lādiņi.
Kosmosa lādiņu radītais elektriskais lauks novērš tālāku caurumu un elektronu difūziju. Ir ts potenciālā barjera, kura augstumu raksturo potenciālu starpība robežslānī.
Elektronu caurumu savienojums ārējā dizainā ir realizēts pusvadītāju diodes formā.
Ja elektronu cauruma savienojumam tiek pielikts ārējs spriegums tā, ka avota negatīvais pols ir savienots ar apgabalu ar elektronisko vadītspēju, bet pozitīvais pols ir savienots ar apgabalu ar cauruma vadītspēju, tad avota sprieguma virziens ir ārējais avots pēc zīmes būs pretējs p-n savienojuma elektriskajam laukam, tas izraisīs strāvas palielināšanos caur p-n krustojumu. radīsieslīdzstrāva,ko izraisīs galveno lādiņnesēju kustība, mūsu gadījumā tā ir caurumu kustība no p apgabala uz n apgabalu un elektronu kustība no n apgabala uz p. Jums jāzina, ka caurumi pārvietojas pretēji elektronu kustībai, tāpēc faktiski strāva plūst vienā virzienā. Šo savienojumu sauctiešā veidā. Strāvas-sprieguma raksturlīknē šāds savienojums atbilst grafikas daļai pirmajā kvadrantā.
Bet, ja mainīsit p-n krustojumam pieliktā sprieguma polaritāti uz pretējo, tad elektroni no robežslāņa sāks pārvietoties no saskarnes uz avota pozitīvo polu un caurumi uz negatīvo. Līdz ar to brīvie elektroni un caurumi attālināsies no robežslāņa, tādējādi izveidojot slāni, kurā praktiski nav lādiņu nesēju. Rezultātā strāva pn krustojumā samazinās desmitiem tūkstošu reižu, to var uzskatīt par aptuveni vienādu ar nulli. Rodas apgrieztā strāva, kuru neveido galvenie lādiņnesēji Šo savienojumu sauc otrādi. Strāvas-sprieguma raksturlīknē šāds savienojums atbilst grafikas daļai trešajā kvadrantā.
Strāvas-sprieguma raksturlielums
Tieši savienojot elektronu caurumu savienojumu, strāva palielinās, palielinoties spriegumam. Savienojot apgrieztā secībā, strāva sasniedz vērtību I us, ko sauc par piesātinājuma strāvu.Ja turpināsit palielināt spriegumu, to atkal ieslēdzot, var rasties diodes bojājums. Šis īpašums tiek izmantots arī dažādās zenera diodēs utt.
Pn savienojumu īpašības plaši izmanto elektronikā, proti, diodēs, tranzistoros un citos pusvadītājos.
p-n (pe-en) pāreja ir telpas apgabals divu p un n tipa pusvadītāju savienojuma vietā, kurā notiek pāreja no viena vadītspējas veida uz citu, šādu pāreju sauc arī par elektronu caurumu pāreju.
Ir divu veidu pusvadītāji: p un n tipi. N tipa gadījumā galvenie lādiņu nesēji ir elektroni , un p-tipā galvenie ir pozitīvi uzlādēti caurumiem. Pozitīvs caurums parādās pēc tam, kad elektrons ir noņemts no atoma un tā vietā tiek izveidots pozitīvs caurums.
Lai saprastu, kā darbojas p-n pāreja, jums ir jāizpēta tā komponenti, tas ir, p-veida un n-veida pusvadītājs.
P un n tipa pusvadītāji ir izgatavoti uz monokristāliskā silīcija bāzes, kam ir ļoti augsta tīrības pakāpe, tāpēc mazākie piemaisījumi (mazāk par 0,001%) būtiski maina tā elektriskās īpašības.
N tipa pusvadītājā galvenie lādiņu nesēji ir elektroni . Lai tos iegūtu, viņi izmanto donoru piemaisījumi, kas tiek ievadīti silīcijā,- fosfors, antimons, arsēns.
P-veida pusvadītājā galvenie lādiņnesēji ir pozitīvi uzlādēti caurumiem . Lai tos iegūtu, viņi izmanto akceptoru piemaisījumi — alumīnijs, bors
Pusvadītāju n tips (elektroniskā vadītspēja)
Piemaisījuma fosfora atoms parasti aizvieto galveno atomu kristāla režģa vietās. Šajā gadījumā četri fosfora atoma valences elektroni nonāk saskarē ar četriem blakus esošo četru silīcija atomu valences elektroniem, veidojot stabilu astoņu elektronu apvalku. Fosfora atoma piektais valences elektrons izrādās vāji saistīts ar savu atomu un ārējo spēku (režģa termiskās vibrācijas, ārējā elektriskā lauka) ietekmē viegli atbrīvojas, radot palielināta brīvo elektronu koncentrācija . Kristāls iegūst elektronisku jeb n-veida vadītspēju . Šajā gadījumā fosfora atoms, kuram nav elektronu, ir stingri saistīts ar silīcija kristāla režģi ar pozitīvu lādiņu, un elektrons ir kustīgs negatīvs lādiņš. Ja nav ārēju spēku, tie kompensē viens otru, t.i., silīcijā n-veidatiek noteikts brīvās vadīšanas elektronu skaits ievadīto donoru piemaisījumu atomu skaits.
Pusvadītāja p tips (caurumu vadītspēja)
Alumīnija atoms, kuram ir tikai trīs valences elektroni, nevar patstāvīgi izveidot stabilu astoņu elektronu apvalku ar blakus esošajiem silīcija atomiem, jo tam ir nepieciešams cits elektrons, kuru tas atņem no viena no tuvumā esošajiem silīcija atomiem. Silīcija atomam bez elektroniem ir pozitīvs lādiņš, un, tā kā tas var satvert elektronu no blakus esošā silīcija atoma, to var uzskatīt par mobilo pozitīvu lādiņu, kas nav saistīts ar kristāla režģi, ko sauc par caurumu. Alumīnija atoms, kas ir notvēris elektronu, kļūst par negatīvi lādētu centru, kas ir stingri saistīts ar kristāla režģi. Šāda pusvadītāja elektrovadītspēja ir saistīta ar caurumu kustību, tāpēc to sauc par p-veida caurumu pusvadītāju. Caurumu koncentrācija atbilst ievadīto akceptora piemaisījumu atomu skaitam.
Elektriskās pārejas
Elektriskā pāreja pusvadītājā sauc robežslāni starp diviem reģioniem, kuru fizikālajās īpašībās ir būtiskas fiziskās atšķirības.
Izšķir šādus elektrisko pāreju veidus:
§ elektronu caurums, vai p–n krustojums– pāreja starp diviem pusvadītāja apgabaliem ar dažāda veida elektrovadītspēju;
§ pārejas starp diviem apgabaliem, ja viens no tiem ir metāls un otrs pusvadītājs p- vai n- tips ( metāla-pusvadītāju pāreja);
§ pārejas starp divām zonām ar vienāda veida elektrovadītspēju, kas atšķiras pēc piemaisījumu koncentrācijas;
§ pārejas starp diviem pusvadītāju materiāliem ar dažādām joslu spraugām ( heterojunkcijas).
Vairāku pusvadītāju ierīču (diodes, tranzistori, tiristori utt.) darbība balstās uz parādībām, kas rodas, saskaroties starp pusvadītājiem ar dažāda veida vadītspēju.
Robeža starp diviem pusvadītāju monokristāla apgabaliem, no kuriem vienam ir šāda veida elektrovadītspēja lpp, un otrs ir kā n sauc par elektronu caurumu pāreju. Galveno lādiņnesēju koncentrācijas reģionos lpp Un n var būt vienādi vai būtiski atšķirīgi. P–n-pāreju, kurā caurumu un elektronu koncentrācijas ir gandrīz vienādas ar N p N n, sauc par simetrisku. Ja galveno lādiņnesēju koncentrācijas ir atšķirīgas (N p >> N n vai N p<< N n) и отличаются в 100…1000 раз, то такие переходы называют asimetrisks.
Asimetrisks p–n-pārejas tiek izmantotas plašāk nekā simetriskas, tāpēc turpmāk aplūkosim tikai tās.
Apskatīsim pusvadītāju monokristālu (1.12. att.), kurā, no vienas puses, ir ievadīts akceptora piemaisījums, kas izraisa
elektrovadītspējas veids lpp, no otras puses, tika ieviests donoru piemaisījums, kura dēļ tur parādījās šāda veida elektrovadītspēja n. Katrs mobilais pozitīvā lādiņa nesējs reģionā lpp(caurums) atbilst akceptora piemaisījuma negatīvi lādētam jonam, bet nekustīgam, kas atrodas kristāla režģa mezglā un reģionā. n Katrs brīvais elektrons atbilst pozitīvi lādētam donora piemaisījuma jonam, kā rezultātā viss monokristāls paliek elektriski neitrāls.
Brīvie elektrisko lādiņu nesēji koncentrācijas gradienta ietekmē sāk pārvietoties no vietām ar augstu koncentrāciju uz vietām ar zemāku koncentrāciju. Tādējādi caurumi izkliedēsies no zonas lpp uz reģionu n, un elektroni, gluži pretēji, ir no reģiona n uz reģionu lpp. Šī elektrisko lādiņu kustība, kas vērsta viena pret otru, veido difūzijas strāvu p–n- pāreja. Bet tiklīdz bedre ir ārpus zonas lpp pārcelsies uz teritoriju n, to ieskauj elektroni, kas ir galvenie elektrisko lādiņu nesēji reģionā n. Tāpēc pastāv liela varbūtība, ka elektrons aizpildīs brīvu līmeni un notiks rekombinācijas parādība, kuras rezultātā nebūs ne cauruma, ne elektrona, bet paliks elektriski neitrāls pusvadītāja atoms. Bet, ja iepriekš katra cauruma pozitīvo elektrisko lādiņu kompensēja akceptora piemaisījuma jona negatīvais lādiņš reģionā lpp, un elektronu lādiņš ir donora piemaisījumu jona pozitīvais lādiņš reģionā n, tad pēc cauruma un elektrona rekombinācijas nekustīgo piemaisījumu jonu elektriskie lādiņi, kas radīja šo caurumu un elektronu, palika nekompensēti. Un, pirmkārt, piemaisījumu jonu nekompensētie lādiņi izpaužas saskarnes tuvumā (1.13. att.), kur veidojas telpas lādiņu slānis, ko atdala šaura sprauga. Starp šiem lādiņiem rodas elektriskais lauks ar intensitāti E, ko sauc par potenciāla barjeras lauku, un potenciālu starpību saskarnē starp divām zonām, kas nosaka šo lauku, sauc par kontakta potenciāla starpību
Šis elektriskais lauks sāk iedarboties uz mobilajiem elektrisko lādiņu nesējiem. Tātad, caurumi šajā apgabalā lpp– galvenie nesēji, nonākot šī lauka darbības zonā, piedzīvo no tās inhibējošu, atgrūdošu efektu un, virzoties pa šī lauka spēka līnijām, tiks iespiesti dziļāk zonā lpp. Līdzīgi, elektroni no reģiona n, iekrītot potenciālā barjeras lauka darbības zonā, ar to tiks iespiests dziļāk zonā n. Tādējādi šaurā reģionā, kur darbojas potenciālās barjeras lauks, veidojas slānis, kurā praktiski nav brīvu elektrisko lādiņu nesēju un līdz ar to tam ir liela pretestība. Tas ir tā sauktais barjeras slānis.
Ja apgabalā lpp Ja brīvais elektrons, kas ir mazākuma nesējs šim reģionam, kaut kādā veidā nonāk saskarnes tuvumā, tad tas piedzīvos paātrinājošu efektu no potenciālās barjeras elektriskā lauka, kā rezultātā šis elektrons tiks izmests pāri saskarnei. reģionā n, kur tas būs galvenais pārvadātājs. Līdzīgi, ja apgabalā n Ja parādās mazākuma nesējs (caurums), tad potenciālā barjeras lauka ietekmē tas tiks iemests reģionā lpp, kur tas jau būs galvenais pārvadātājs. Mazākumtautību mediju kustība caur p–n- pāreja potenciālās barjeras elektriskā lauka ietekmē nosaka dreifējošās strāvas komponenti.
Ja nav ārējā elektriskā lauka, tiek izveidots dinamisks līdzsvars starp elektrisko lādiņu vairākuma un mazākuma nesēju plūsmām. Tas ir, starp strāvas difūzijas un dreifēšanas komponentiem p–n-pāreja, jo šīs sastāvdaļas ir vērstas viena pret otru.
Potenciālu diagramma p–n- pāreja ir parādīta attēlā. 1.13, un potenciāls saskarnē starp reģioniem tiek pieņemts kā nulles potenciāls. Kontakta potenciāla starpība veido potenciālu barjeru ar augstumu saskarnē. Diagramma parāda potenciālo barjeru elektroniem, kuriem difūzijas dēļ ir tendence pārvietoties no labās puses uz kreiso (no reģiona n uz reģionu lpp). Ja mēs virzām pozitīvo potenciālu uz augšu, mēs varam iegūt potenciālās barjeras attēlu caurumiem, kas izkliedējas no kreisās puses uz labo (no reģiona lpp uz reģionu n).
Ja nav ārēja elektriskā lauka un dinamiska līdzsvara apstākļos, pusvadītāju kristāla abos vadīšanas reģionos tiek izveidots viens Fermi līmenis.
Tomēr, tā kā pusvadītājos lpp-tipa Fermi līmenis
novirzās uz valences joslas augšdaļu un pusvadītājos n-tips -
Vadības joslas apakšā, pēc tam platumā p–n-pāreja, enerģijas joslu diagramma (1.14. att.) tiek saliekta un veidojas potenciāla barjera:
kur ir enerģijas barjera, kas jāpārvar elektronam reģionā n lai viņš varētu doties uz rajonu lpp, vai līdzīgi caurumam šajā zonā lpp lai viņa varētu pārcelties uz apkārtni n .
Potenciālās barjeras augstums ir atkarīgs no piemaisījumu koncentrācijas, jo, mainoties tam, mainās Fermi līmenis, pārejot no joslas spraugas vidus uz tās augšējo vai apakšējo robežu.
1.7.2. P–n krustojuma vārtu īpašība
P–n-krustojumam ir īpašība mainīt savu elektrisko pretestību atkarībā no caur to plūstošās strāvas virziena. Šo īpašumu sauc vārsts, un tiek izsaukta ierīce ar šo īpašību elektriskais vārsts.
Apsvērsim p–n- krustojums, kuram ir pievienots ārējais sprieguma avots Uin ar polaritāti, kas parādīta attēlā. 1.15, “+” apgabalam lpp- ierakstiet, “–” apgabalam n-tips. Šo savienojumu sauc tiešais savienojums p–n-pāreja (vai p–n krustojuma tiešā novirze). Tad ārējā avota elektriskā lauka stiprums E Vn tiks novirzīts uz potenciālās barjeras lauka intensitāti E un tāpēc samazināsies radītā spriedze E res:
E griezums = E - E in , (1.14).
Tas savukārt novedīs pie potenciālās barjeras augstuma samazināšanās un vairākuma nesēju skaita palielināšanās, kas izkliedējas pāri saskarnei blakus reģionā un veido tā saukto priekšējo strāvu. p–n- pāreja. Šajā gadījumā, samazinoties potenciālā barjeras lauka inhibējošajai, atgrūdošajai iedarbībai uz galvenajiem nesējiem, bloķējošā slāņa platums samazinās ('< ) и, соответственно, уменьшается его сопротивление.
Palielinoties ārējam spriegumam, tiešā strāva p–n- pāreja palielinās. Pēc saskarnes šķērsošanas lielākā daļa nesēju kļūst par mazākuma nesējiem pretējā pusvadītāja reģionā un, iedziļinoties tajā, rekombinējas ar šī reģiona vairākuma nesējiem. Bet, kamēr ir pievienots ārējs avots, strāvu caur krustojumu uztur nepārtraukta elektronu plūsma no ārējās ķēdes uz n-reģions un to izbraukšana no lpp- laukumi ārējā ķēdē, kuru dēļ veidojas caurumu koncentrācija lpp- reģioni
Lādiņu nesēju ieviešana caur p–n- sauc par pāreju, kad potenciālās barjeras augstums samazinās līdz pusvadītāja apgabalam, kur šie nesēji ir mazākumā. lādiņa nesēja injekcija.
Kad no cauruma reģiona plūst līdzstrāva r elektroniskajā reģionā n caurumi tiek ievadīti, un elektroni tiek ievadīti no elektronu apgabala cauruma reģionā.
Tiek saukts injekcijas slānis ar salīdzinoši zemu pretestību emitētājs; slānis, kurā tiek ievadīti mazākuma lādiņnesēji - bāze.
Attēlā 1.16. attēlā parādīta enerģijas joslas diagramma, kas atbilst priekšējai novirzei p–n- pāreja.
Ja lai р-n- pievienojiet savienojumam ārēju avotu ar pretēju polaritāti “–”. lpp- ierakstiet, “+” apgabalam n-tipa (1.17. att.), tad šādu savienojumu sauc p–n krustojuma reversā pārslēgšana(vai p–n krustojuma apgrieztā novirze).
Šajā gadījumā šī avota elektriskā lauka stiprums E vn tiks virzīts tādā pašā virzienā kā elektriskā lauka intensitāte E potenciālā barjera; potenciālās barjeras augstums palielinās, un vairākuma nesēju difūzijas strāva praktiski kļūst vienāda ar nulli. Sakarā ar pastiprinātu bremzēšanu, kopējā elektriskā lauka atgrūdošo ietekmi uz galvenajiem lādiņnesējiem, palielinās bloķējošā slāņa platums (>), un tā pretestība strauji palielinās.
Tagad cauri р–n-pāreja, plūdīs ļoti maza strāva, ko izraisa kopējā elektriskā lauka pārnešana galveno nesēju saskarnē, kas rodas dažādu jonizējošu faktoru, galvenokārt termiska rakstura, ietekmē. Mazākuma lādiņu nesēju pārneses process tiek saukts ieguve. Šai straumei ir dreifēšanas raksturs, un to sauc p–n savienojuma apgrieztā strāva.
Attēlā 1.18. attēlā parādīta enerģijas joslas diagramma, kas atbilst apgrieztajai novirzei p–n- pāreja.
Secinājumi:
1. P–n- pāreja veidojas uz robežas lpp- Un n- pusvadītāju monokristālā izveidoti reģioni.
2. Difūzijas rezultātā uz p–n-pāreja, rodas elektriskais lauks - potenciāla barjera, kas neļauj izlīdzināt galveno lādiņnesēju koncentrācijas kaimiņu apgabalos.
3. Ja nav ārējā sprieguma U vn v p–n- pārejā tiek izveidots dinamisks līdzsvars: difūzijas strāva pēc lieluma kļūst vienāda ar dreifējošo strāvu, ko veido mazākuma lādiņnesēji, kā rezultātā notiek strāva caur p–n-pāreja kļūst par nulli.
4. Ar novirzi uz priekšu p–n-pāreja, potenciālā barjera samazinās un caur krustojumu plūst salīdzinoši liela difūzijas strāva.
5. Ja ir apgrieztā novirze p–n-pāreja, potenciālā barjera palielinās, difūzijas strāva samazinās līdz nullei, un caur krustojumu plūst neliela dreifējošā strāva. Tas liek domāt, ka p–n- krustojumam ir vienvirziena vadītspēja. Šo īpašību plaši izmanto maiņstrāvas taisnošanai.
6. Platums p–n-pāreja ir atkarīga: no piemaisījumu koncentrācijas lpp- Un n-reģioni, par pielietotā ārējā sprieguma zīmi un lielumu U ext. Palielinoties piemaisījumu koncentrācijai, platums p–n-pāreja samazinās un otrādi. Palielinoties tiešajam spriegumam, platums p–n- pāreja samazinās. Palielinoties reversajam spriegumam, platums p–n- pāreja palielinās.
1.7.3. Voltu ampēru raksturlielums p–n savienojumam
Strāvas-sprieguma raksturlielums p–n-pāreja ir caurejošās strāvas atkarība p–n-pāreja no tai pieliktā sprieguma lieluma. To aprēķina, pamatojoties uz pieņēmumu, ka ārpus noplicināšanas slāņa nav elektriskā lauka, t.i. tiek pievadīts viss spriegums p–n- pāreja. Kopējā strāva caur p–n-pāreju nosaka četru terminu summa:
kur ir elektronu dreifējošā strāva;
Caurumu dreifējošā strāva;
Elektronu difūzijas strāva;
Caurumu difūzijas strāva; ievadīto elektronu koncentrācija r- reģions;
Ievadīto caurumu koncentrācija n- reģions.
Tajā pašā laikā mazākuma pārvadātāju koncentrācijas n p0 Un p n0 atkarīgs no piemaisījumu koncentrācijas Np Un Nnšādi:
Kur n i, p i ir attiecīgi elektronu un caurumu lādiņnesēju (bez piemaisījumiem) raksturīgās koncentrācijas.
Nesēja difūzijas ātrums υ n, p atšķir var ļaut dreifēt tuvu savam ātrumam υ n, p dr vājā elektriskajā laukā ar nelielām novirzēm no līdzsvara apstākļiem. Šajā gadījumā līdzsvara nosacījumiem ir izpildītas šādas vienādības:
υ p atšķirība = υ p dr = υ p , υ n atšķir = υ n dr = vn.
Tad izteiksmi (1.15) var uzrakstīt šādi:
, (1.16).
Apgriezto strāvu var izteikt šādi:
Kur Dn, lpp– caurumu vai elektronu difūzijas koeficients;
Ln, lpp– caurumu vai elektronu difūzijas garums. Tā kā parametri Dn, lpp , p n0 , n p0 , Ln , lpp = atkarīgi no temperatūras, tad biežāk tiek saukta reversā strāva termiskā strāva.
Ar tiešo spriegumu no ārēja avota ( U vn > 0) eksponenciālais loceklis izteiksmē (1.16) strauji pieaug, kas izraisa strauju tiešās strāvas pieaugumu, ko, kā jau minēts, galvenokārt nosaka difūzijas komponente.
Ar pretējo spriegumu no ārēja avota
() eksponenciālais termins ir daudz mazāks par vienotību un strāvu р–n-pāreja ir gandrīz vienāda ar pretējo strāvu, ko galvenokārt nosaka dreifa komponents. Šīs atkarības forma ir parādīta attēlā. 1.19. Pirmais kvadrants atbilst strāvas-sprieguma raksturlīknes priekšējās atzaras sadaļai, bet trešais kvadrants atbilst reversajai atzarai. Palielinoties tiešajam spriegumam, strāva р–n-pāreja virzienā uz priekšu sākumā palielinās salīdzinoši lēni, un tad sākas strauja tiešās strāvas pieauguma posms, kas noved pie pusvadītāju struktūras papildu sildīšanas. Ja šajā gadījumā radītā siltuma daudzums pārsniedz no pusvadītāja kristāla dabiskā veidā vai ar
īpašas dzesēšanas ierīces, tad pusvadītāju struktūrā var rasties neatgriezeniskas izmaiņas, līdz pat kristāla režģa iznīcināšanai. Tāpēc līdzstrāva р–n-pāreja jāierobežo līdz drošam līmenim, kas novērš pusvadītāju struktūras pārkaršanu. Lai to izdarītu, ir jāizmanto ierobežojošs rezistors, kas savienots virknē ar p–n- pāreja.
Palielinoties reversajam spriegumam, kas tiek pielietots р–n- pārejot, reversā strāva nedaudz mainās, jo strāvas novirzes komponents, kas dominē reversās pārslēgšanas laikā, galvenokārt ir atkarīgs no kristāla temperatūras, un pretējā sprieguma pieaugums tikai palielina dreifēšanas ātrumu. mazākuma pārvadātājiem, nemainot to numuru. Šāda situācija saglabāsies līdz reversā sprieguma vērtībai, pie kuras sākas intensīva reversās strāvas palielināšanās - t.s. p–n krustojuma sadalījums.
1.7.4. P–n krustojuma bojājumu veidi
Iespējami atgriezeniski un neatgriezeniski bojājumi. Atgriezenisks sadalījums ir sabrukums, pēc kura p–n- pāreja turpina darboties. Neatgriezenisks sadalījums noved pie pusvadītāju struktūras iznīcināšanas.
Ir četri bojājumu veidi: lavīna, tuneļa, termiskais un virszemes. Lavīnu un tuneļu avārijas tiks apvienotas ar nosaukumu - elektriskais bojājums, kas ir atgriezenisks. Neatgriezeniski ietver termisko un virsmu.
Lavīnas sabrukums raksturīgs pusvadītājiem, ar ievērojamu biezumu р–n-savienojums, ko veido viegli leģēti pusvadītāji. Šajā gadījumā noplicināšanas slāņa platums ir daudz lielāks par nesēju difūzijas garumu. Sadalījums notiek spēcīga elektriskā lauka ietekmē ar spriegumu E(8…12) , .Lavīnas sabrukumā galvenā loma ir mazākuma nesējiem, kas veidojas siltuma ietekmē g. р–n- pāreja.
Šos nesējus pārbauda ar elektrisko lauku р–n-pārejai ir paātrinājošs efekts un tā sāk strauji kustēties pa šī lauka spēka līnijām. Pie noteiktas intensitātes vērtības mazākuma lādiņnesēji pie vidējā brīvā ceļa l (1.20. att.) var paātrināties līdz tādam ātrumam, ka to kinētiskā enerģija var būt pietiekama, lai to jonizētu nākamajā sadursmē ar pusvadītāja atomu, t.i. “izsit” vienu no tā valences elektroniem un iemet to vadīšanas joslā, tādējādi veidojot elektronu caurumu pāri. Iegūtie nesēji arī sāks paātrināties elektriskajā laukā, sadursies ar citiem neitrāliem atomiem, un process tādējādi palielināsies kā lavīna. Šajā gadījumā krass reversās strāvas pieaugums notiek ar praktiski nemainīgu pretējo spriegumu.
Lavīnas sadalījumu raksturojošais parametrs ir lavīnas reizināšanas koeficients M, kas definēts kā lavīnas reizināšanas notikumu skaits spēcīga elektriskā lauka reģionā. Apgrieztās strāvas lielums pēc lavīnas reizināšanas būs vienāds ar:
kur ir sākotnējā strāva; U– pielietotais spriegums; U p – lavīnas pārrāvuma spriegums; n– koeficients vienāds ar 3 Ge, 5 Si.
Tuneļa sabrukums notiek ļoti plānās р–n-pārejas, kas iespējamas pie ļoti augstas piemaisījumu koncentrācijas N 10 19 cm -3, kad pārejas platums kļūst mazs (apmēram 0,01 μm) un pie mazām reversā sprieguma vērtībām (vairāki volti), kad rodas liels elektriskā lauka gradients. Augsts elektriskā lauka stiprums, iedarbojoties uz kristāla režģa atomiem, palielina valences elektronu enerģiju un noved pie to tuneļa “noplūdes” caur “plāno” enerģijas barjeru (1.21. att.) no valences joslas. lpp-reģioni vadīšanas joslā n- reģioni Turklāt “noplūde” notiek, nemainot lādiņu nesēju enerģiju. Tuneļa sadalījumu raksturo arī straujš reversās strāvas pieaugums ar praktiski nemainīgu pretējo spriegumu.
Ja apgrieztā strāva abiem elektriskās avārijas veidiem nepārsniedz maksimālo pieļaujamo vērtību, pie kuras
pusvadītāja kristāliskās struktūras karsēšana un iznīcināšana, tie ir atgriezeniski un tos var reproducēt daudzas reizes.
Teplovs sauc par sadalījumu р–n– pāreju, ko izraisa lādiņnesēju skaita palielināšanās, palielinoties kristāla temperatūrai. Palielinoties reversajam spriegumam un strāvai, siltuma jauda tiek atbrīvota р–n-pāreja, un attiecīgi kristāla struktūras temperatūra. Siltuma ietekmē pastiprinās kristāla atomu vibrācijas un vājinās valences elektronu saite ar tiem, palielinot to pārejas uz vadīšanas joslu iespējamību un papildu elektronu caurumu nesēju pāru veidošanos. Ja elektriskā jauda ir р–n-pāreja pārsniedz maksimāli pieļaujamo vērtību, tad termiskās ģenerācijas process palielinās kā lavīna, kristālā notiek neatgriezeniska struktūras pārstrukturēšana un р-n- pāreja ir iznīcināta.
Lai novērstu termisko sabrukumu, ir jāievēro šādi nosacījumi:
kur ir maksimālā pieļaujamā jaudas izkliede р-n- pāreja.
Virsmas sadalījums. Elektriskā lauka intensitātes sadalījums iekšā р–n-pāreja var būtiski mainīt lādiņus, kas atrodas uz pusvadītāja virsmas. Virsmas lādiņš var izraisīt krustojuma biezuma palielināšanos vai samazināšanos, kā rezultātā savienojuma virsmā var rasties pārrāvums ar lauka intensitāti, kas ir mazāka par to, kas nepieciešams, lai izraisītu pārrāvumu pusvadītāja lielākajā daļā. Šo fenomenu sauc virsmas sadalījums. Liela loma virsmas sadalīšanās rašanās gadījumā ir pusvadītāja virsmu robežojošās vides dielektriskajām īpašībām. Lai samazinātu virsmas sabrukšanas iespējamību, tiek izmantoti speciāli aizsargpārklājumi ar augstu dielektrisko konstanti.
1.7.5. Jauda р–n- pāreja
Ārējā sprieguma izmaiņas par p–n-pāreja noved pie izsīkuma slāņa platuma un attiecīgi tajā uzkrātā elektriskā lādiņa maiņas (tas ir arī saistīts ar ievadīto lādiņnesēju koncentrācijas izmaiņām pārejas tuvumā). Pamatojoties uz šo p–n- krustojums darbojas kā kondensators, kura kapacitāte ir definēta kā uzkrātās enerģijas izmaiņu attiecība p–n-lādiņa pāreja uz pielietoto ārējo spriegumu, kas izraisīja šīs izmaiņas.
Atšķirt barjera(vai lādētājs) un difūzija jaudu р-n- pāreja.
Barjeras kapacitāte atbilst apgriezti savienotai p–n-savienojums, kas tiek uzskatīts par parastu kondensatoru, kur plāksnes ir noplicināšanas slāņa robežas, un pats noplicināšanas slānis kalpo kā nepilnīgs dielektriķis ar palielinātiem dielektriskiem zudumiem:
kur ir pusvadītāja materiāla relatīvā dielektriskā konstante; – elektriskā konstante (); S – apgabals p–n-pāreja; – noplicinātā slāņa platums.
Barjeras kapacitāte palielinās, palielinoties laukumam p–n-pusvadītāja pāreja un dielektriskā konstante un noplicināšanas slāņa platuma samazināšana. Atkarībā no pārejas zonas C josla var būt no dažiem līdz simtiem pikofaradu.
Barjeras kapacitātes iezīme ir tā, ka tā ir nelineāra kapacitāte. Palielinoties reversajam spriegumam, palielinās savienojuma platums un palielinās arī kapacitāte. No bāra samazinās. Atkarības raksturs C josla = f (U arr) parādīts grafiks attēlā. 1.22. Acīmredzot reibumā U paraugi jaudu No bāra mainās vairākas reizes.
Difūzijas jauda raksturo mobilo lādiņu nesēju uzkrāšanos iekšā n- Un lpp-reģioni ar priekšējo spriegumu krustojumā. Tas praktiski pastāv tikai pie līdzstrāvas sprieguma, kad lādiņnesēji lielos daudzumos izkliedējas (iesmidzina) caur samazinātu potenciāla barjeru un, nepaspējot rekombinēties, uzkrājas n- Un lpp- reģioni. Katra tiešā sprieguma vērtība atbilst noteiktām divu pretēju lādiņu vērtībām + Q diferenciālis Un -Q atšķirība, uzkrājies n- Un lpp-reģioni nesēju difūzijas dēļ pārejas laikā. Jauda Ar diferenciāli parāda lādiņu attiecību pret potenciālo starpību:
Ar pieaugumu U pr priekšējā strāva palielinās ātrāk nekā spriegums, jo Tāpēc tiešās strāvas strāvas-sprieguma raksturlielumam ir nelineāra forma Q atšķirība aug ātrāk nekā U pr Un Ar diferenciāli palielinās.
Difūzijas jauda ir daudz lielāka par barjeras kapacitāti, taču to nevar izmantot, jo izrādās, ka tas ir manevrēts ar zemu pretestību uz priekšu p–n- pāreja. Difūzijas kapacitātes skaitliskās aplēses liecina, ka tās vērtība sasniedz vairākas mikrofaradu vienības.
Tādējādi р–n- savienojumu var izmantot kā mainīgu kondensatoru,
ko kontrolē pielietotā sprieguma lielums un zīme.
1.7.6. Metāla-pusvadītāju kontakts
Mūsdienu pusvadītāju ierīcēs papildus kontaktiem ar p–n-pārejā tiek izmantoti metāla-pusvadītāju kontakti.
Metāla-pusvadītāja kontakts notiek pusvadītāja kristāla saskares punktā n- vai r-vadītspējas veids ar metāliem. Šajā gadījumā notiekošos procesus nosaka elektronu darba funkciju attiecība no metāla un no pusvadītāja. Zem elektronu darba funkcija saprast enerģiju, kas nepieciešama elektrona pārnešanai no Fermi līmeņa uz brīvā elektrona enerģijas līmeni. Jo zemāka ir darba funkcija, jo vairāk elektronu var izkļūt no konkrētā ķermeņa.
Elektronu difūzijas un lādiņu pārdales rezultātā tiek traucēta saskarnei blakus esošo zonu elektriskā neitralitāte, rodas kontakta elektriskais lauks un kontakta potenciāla atšķirība:
. (1.21)
Tiek saukts pārejas slānis, kurā kontakta elektriskais lauks pastāv pie metāla-pusvadītāja kontakta Šotkija pāreja, kas nosaukts vācu zinātnieka V. Šotka vārdā, kurš pirmais ieguva matemātiskās pamata sakarības šādu pāreju elektriskajiem raksturlielumiem.
Kontakta elektriskais lauks Šotkija pārejā ir koncentrēts gandrīz pusvadītājā, jo lādiņnesēju koncentrācija metālā ir daudz lielāka nekā lādiņnesēju koncentrācija pusvadītājā. Elektronu pārdale metālā notiek ļoti plānā slānī, kas ir salīdzināms ar starpatomisko attālumu.
Atkarībā no pusvadītāja elektriskās vadītspējas veida un darba funkciju attiecības kristālā var parādīties noplicināts, apgriezts vai bagātināts slānis ar elektriskajiem nesējiem.
1. < , полупроводник n-tips (1.23. att., a). Šajā gadījumā dominēs elektronu izvade no metāla ( M) par pusvadītāju, tāpēc pusvadītāju slānī pie saskarnes uzkrājas lielākā daļa nesēju (elektronu), un šis slānis tiek bagātināts, t.i. ar paaugstinātu elektronu koncentrāciju. Šī slāņa pretestība būs maza jebkurai pielietotā sprieguma polaritātei, un tāpēc šādam savienojumam nav iztaisnošanas īpašības. To sauc savādāk netaisnīga pāreja.
2. < , полупроводник lpp-tips (1.23. att., b). Šajā gadījumā dominēs elektronu izplūšana no pusvadītāja metālā, savukārt robežslānī veidojas arī reģions, kas bagātināts ar lielāko daļu lādiņu nesējiem (caurumiem) un ar zemu pretestību. Šai pārejai arī nav izlabošanas īpašību.
3., n-veida pusvadītājs (1.24. att., a). Šādos apstākļos elektroni pārvietosies galvenokārt no pusvadītāja uz metālu, un pusvadītāja robežslānī veidosies apgabals, kurā ir izsmelti galvenie lādiņnesēji un kuram ir augsta pretestība. Šeit tiek izveidota salīdzinoši augsta potenciāla barjera, kuras augstums būs būtiski atkarīgs no pielietotā sprieguma polaritātes. Ja , tad iespējama apgrieztā slāņa veidošanās ( lpp-tips). Šai kontaktpersonai ir labošanas rekvizīts.
4. , pusvadītājs lpp-tips (1.24. att., b). Kontaktam, kas izveidots šādos apstākļos, ir labošanas īpašība, tāpat kā iepriekšējam.
Metāla-pusvadītāju kontakta īpatnība ir tā, ka atšķirībā no parastajiem p–n-pāreja šeit potenciālās barjeras augstums elektroniem un caurumiem ir atšķirīgs. Rezultātā šādi kontakti noteiktos apstākļos var būt neinjicējoši, t.i. kad caur kontaktu plūst līdzstrāva, pusvadītāju reģionā netiks ievadīti mazākuma nesēji, kas ir ļoti svarīgi augstfrekvences un impulsu pusvadītāju ierīcēm.
Pusvadītāju diodes
Elektronu caurumu savienojums ir plāns slānis starp divām pusvadītāju kristāla daļām, kurā vienai daļai ir elektroniskā vadītspēja, bet otrai ir cauruma vadītspēja.
Elektronu caurumu savienojuma izveides tehnoloģiskais process var būt dažāds: saplūšana (sakausējuma diodes), vienas vielas difūzija citā (difūzijas diodes), epitaksija - viena kristāla orientēta augšana uz otra virsmas (epitaksiālās diodes) utt. Pēc konstrukcijas elektronu caurumu savienojumi var būt simetriski un asimetriski, asi un gludi, plakani un punktveida uc Taču visu veidu pārejām galvenā īpašība ir asimetriskā elektrovadītspēja, kurā kristāls laiž strāvu vienā virzienā, bet nenodod to otrā.
Elektronu caurumu pārejas struktūra ir parādīta attēlā. 2.1.a. Viena šī savienojuma daļa ir leģēta ar donora piemaisījumu, un tai ir elektroniskā vadītspēja (N-reģions). Otrai daļai, kas leģēta ar akceptora piemaisījumu, ir cauruma vadītspēja (P-reģions). Elektronu koncentrācija vienā daļā un caurumu koncentrācija otrā ir ievērojami atšķirīga. Turklāt abās daļās ir neliela mazākuma pārvadātāju koncentrācija.
N-reģiona elektroniem ir tendence iekļūt P-apgabalā, kur elektronu koncentrācija ir daudz zemāka. Līdzīgi caurumi no P apgabala pārvietojas uz N apgabalu. Pretējo lādiņu pretkustības rezultātā rodas tā sauktā difūzijas strāva. Elektroni un caurumi, šķērsojot saskarni, atstāj aiz sevis pretējus lādiņus, kas novērš difūzijas strāvas tālāku pāreju. Tā rezultātā tiek izveidots dinamiskais līdzsvars uz robežas un pēc slēgšanas N- un P-reģioniem, ķēdē neplūst strāva. Telpas lādiņa blīvuma sadalījums pārejā parādīts attēlā. 2.1 b.
Šajā gadījumā kristāla iekšpusē saskarnē parādās raksturīgs elektriskais lauks E, kura virziens ir parādīts attēlā. 2.1. Šī lauka stiprums ir maksimāls saskarnē, kur kosmosa lādiņa zīme pēkšņi mainās. Zināmā attālumā no saskarnes nav vietas lādiņa, un pusvadītājs ir neitrāls.
Potenciāla barjeras augstumu p-n krustojumā nosaka kontakta potenciāla starpība N- un P-reģioni. Saskares potenciāla atšķirība savukārt ir atkarīga no piemaisījumu koncentrācijas šajās zonās:
Kur j T = kT/q - termiskais potenciāls,
Nn Un R r- elektronu un caurumu koncentrācija n un p apgabalos,
n i ir lādiņu nesēju koncentrācija neleģētā pusvadītājā.
Kontaktu potenciālu starpība germānijam ir 0,6... 0,7 V, bet silīcijam - 0,9... 1,2 V. Potenciāla barjeras augstumu var mainīt, pieslēdzot ārēju spriegumu. p-p- pāreja. Ja ārējais spriegums pn krustojumā rada lauku, kas sakrīt ar iekšējo, tad potenciālās barjeras augstums palielinās līdz ar pieliktā sprieguma apgriezto polaritāti, potenciālās barjeras augstums samazinās.
Rīsi. 2.1. Ass p-n krustojums un kosmosa lādiņu sadalījums tajā
Ja pieliktais spriegums ir vienāds ar kontakta potenciāla starpību, tad potenciāla barjera pilnībā izzūd
P-n savienojuma strāvas-sprieguma raksturlielums atspoguļo strāvas atkarību caur krustojumu, kad uz to mainās pielietotā sprieguma vērtība un polaritāte. Ja pielietotais spriegums samazina potenciāla barjeru, tad to sauc par tiešo, un, ja tas to palielina, to sauc par reverso.
Tiešā un apgrieztā sprieguma pielietošana pn krustojumam ir parādīta attēlā. 2.2.
Reverso strāvu pn krustojumā rada mazākuma nesēji vienā no reģioniem, kas, dreifējot telpas lādiņa reģiona elektriskajā laukā, nonāk reģionā, kur tie jau ir vairākuma nesēji. Tā kā vairākuma nesēju koncentrācija ievērojami pārsniedz mazākuma nesēju koncentrāciju, neliela papildu daudzuma vairākuma nesēju parādīšanās praktiski nemainīs pusvadītāja līdzsvara stāvokli. Tādējādi apgrieztā strāva ir atkarīga tikai no mazākuma nesēju skaita, kas parādās kosmosa lādiņa apgabala robežās. Ārēji pielietotais spriegums nosaka ātrumu, ar kādu šie nesēji pārvietojas no viena reģiona uz otru, bet ne to nesēju skaitu, kas iet caur krustojumu laika vienībā. Līdz ar to reversā strāva caur krustojumu ir vadīšanas strāva un nav atkarīga no potenciālās barjeras augstuma, t.i., tā paliek nemainīga, mainoties reversajam spriegumam krustojumā.
Šo strāvu sauc par piesātinājuma strāvu un apzīmē
I arr = I S .
Kad pn pāreja ir novirzīta uz priekšu, parādās (difūzijas) strāva, ko izraisa vairākuma nesēju difūzija, pārvarot potenciālo barjeru.
Izejot cauri pn krustojumam, šie nesēji nonāk pusvadītāja reģionā, kuram tie ir mazākuma nesēji. Šajā gadījumā mazākuma nesēju koncentrācija var ievērojami palielināties salīdzinājumā ar līdzsvara koncentrāciju. Šo parādību sauc par nesēja injekciju.
Tādējādi, kad tiešā strāva plūst caur pāreju no elektronu apgabala uz cauruma apgabalu, notiks elektronu iesmidzināšana, un cauruma iesmidzināšana notiks no cauruma reģiona. Difūzijas strāva ir atkarīga no potenciālās barjeras augstuma un palielinās eksponenciāli, tai samazinoties:
Kur U- spriegums p-n krustojumā.
2. att. Apgrieztā (a) un tiešā (b) sprieguma pielietošana p-n savienojumam
Papildus difūzijas strāvai tiešā strāva satur vadīšanas strāvu, kas plūst pretējā virzienā, tāpēc kopējā strāva, virzot p-n pāreju uz priekšu, būs vienāda ar difūzijas strāvas (2.2) un vadīšanas strāvas starpību:
Vienādojumu (2.3) sauc par Ebersa-Mola vienādojumu, un atbilstošā p-n savienojuma strāvas-sprieguma raksturlielums ir parādīts attēlā. 2.3. Tā kā pie T = 300 K siltuma potenciāls j t = 25 mV, tad jau pie U = 0,1 V varam pieņemt, ka
P-n krustojuma diferenciālo pretestību var noteikt, izmantojot formulu (2.3):
no kurienes mēs to ņemam
Tātad, piemēram, pie strāvas I = 1A un j T = 25 mV, krustojuma diferenciālā pretestība ir 25 mOhm.
Ierobežojošā sprieguma vērtība p-n krustojumā ar priekšējo nobīdi nepārsniedz kontakta potenciāla starpību y Uz. Apgriezto spriegumu ierobežo pn pārejas sadalījums. Pn krustojuma pārrāvums notiek mazākuma nesēju lavīnu pavairošanas dēļ, un to sauc par lavīnu sadalījumu. P-n krustojuma lavīnas pārrāvuma laikā strāvu caur krustojumu ierobežo tikai barošanas pretestība pn krustojums elektriskā ķēde (2.3. att.).
Pusvadītājs p-n-pāreja, ir kapacitāte, kas parasti tiek definēta kā lādiņa pieauguma attiecība krustojumā pret sprieguma krituma pieaugumu pāri, t.i.
C=dq/du.
Rīsi. 2.3. Voltu-ampēru raksturlielums p-n krustojumam
Savienojuma kapacitāte ir atkarīga no ārējā pielietotā sprieguma vērtības un polaritātes. Ar pretējo spriegumu pāri krustojumam šo kapacitāti sauc par barjeras kapacitāti, un to nosaka pēc formulas
kur y K ir kontakta potenciāla starpība,
U- apgrieztais spriegums krustojumā,
C 6ar (0) - barjeras kapacitātes vērtība pie U=0, kas ir atkarīgs no pn savienojuma laukuma un pusvadītāju kristāla īpašībām.
Barjeras kapacitātes atkarība no pielietotā sprieguma ir parādīta attēlā. 2.4. Teorētiski barjeras kapacitāte pastāv arī pie tiešā sprieguma p-n krustojumā, bet to šunta ar zemu diferenciālās pretestības r diferenciāli.
Rīsi. 2.4. Barjeras kapacitātes atkarība no sprieguma p-n pārejā
Ja p-n pāreja ir nobīdīta uz priekšu, difūzijas kapacitātei ir daudz lielāka ietekme, kas ir atkarīga no tiešās strāvas I vērtības un mazākuma nesēju kalpošanas ilguma t. r.Šī kapacitāte nav saistīta ar nobīdes strāvu, bet nodrošina tādu pašu fāzes nobīdi starp spriegumu un strāvu kā parastā kapacitāte. Difūzijas kapacitātes vērtību var noteikt pēc formulas
Kopējo krustojuma kapacitāti tiešā nobīdē nosaka barjeras un difūzijas kapacitātes summa
Ja krustojums ir nospriegots, nav difūzijas kapacitātes, un kopējā kapacitāte sastāv tikai no barjeras kapacitātes.
Pusvadītāju diode sauc par ierīci, kurai ir divi termināļi un kas satur vienu (vai vairākus) p-n savienojumus. Visas pusvadītāju diodes var iedalīt divās grupās: taisngrieža un īpašās. Taisngriežu diodes, kā norāda nosaukums, ir paredzētas maiņstrāvas iztaisnošanai. Atkarībā no mainīgā sprieguma frekvences un formas tos iedala augstfrekvences, zemfrekvences un impulsa. Īpašu veidu pusvadītāju diodes izmanto dažādas pn savienojumu īpašības; pārrāvuma parādība, barjeras kapacitāte, zonu ar negatīvu pretestību klātbūtne utt.
Strukturāli taisngriežu diodes Tie ir sadalīti plakanos un punktveida, un saskaņā ar ražošanas tehnoloģiju sakausējuma, difūzijas un epitaksijas. Sakarā ar lielo μ-l krustojuma laukumu, lielu strāvu iztaisnošanai izmanto plakanās diodes. Punktu diodēm ir mazs pārejas laukums, un attiecīgi tās ir paredzētas mazu strāvu iztaisnošanai. Lai palielinātu lavīnas sabrukšanas spriegumu, tiek izmantotas taisngriežu kolonnas, kas sastāv no virknes virknē savienotu diožu.
Lieljaudas taisngriežu diodes sauc par jaudas diodēm. Šādu diožu materiāls parasti ir silīcijs vai gallija arsenīds. Germānija praktiski netiek izmantota, jo reversā strāva ir ļoti atkarīga no temperatūras. Silīcija sakausējuma diodes izmanto, lai iztaisnotu maiņstrāvu līdz 5 kHz. Silīcija difūzijas diodes var darboties augstākās frekvencēs, līdz 100 kHz. Silīcija epitaksiālās diodes ar metāla substrātu (ar Šotkija barjeru) var izmantot frekvencēs līdz 500 kHz. Gallija arsenīda diodes spēj darboties frekvenču diapazonā līdz vairākiem MHz.
Ar lielu strāvu caur pn krustojumu pusvadītāja lielākajā daļā samazinās ievērojams spriegums, un to nevar atstāt novārtā. Ņemot vērā izteiksmi (2.4), taisngrieža diodes strāvas-sprieguma raksturlielums iegūst formu
Kur R- pusvadītāju kristāla tilpuma pretestība, ko sauc par sērijveida pretestību.
Pusvadītāju diodes parastais grafiskais apzīmējums ir parādīts attēlā. 2.5 a, un tā struktūra attēlā. 2.5 b. U diodes elektrods, kas savienots ar laukumu R, sauc par anodu (līdzīgi kā elektriskajai vakuuma diodei), un elektrodu, kas savienots ar laukumu N,- katods. Diodes statiskā strāvas-sprieguma raksturlielums ir parādīts attēlā. 2.5 V.
Rīsi. 2.5. Pusvadītāju diodes simbols (a), tās struktūra (b) un strāvas-sprieguma raksturlielums (c)
Strāvas diodes parasti raksturo statisko un dinamisko parametru kopums. Diodes statiskie parametri ietver:
Sprieguma kritums U np uz diodes pie noteiktas tiešās strāvas vērtības;
Reversā strāva I о6р pie noteiktas reversā sprieguma vērtības;
Tiešās strāvas vidējā vērtība I pr av;
Impulsu apgrieztais spriegums U o6ri.
Diodes dinamiskie parametri ietver tās laika vai frekvences raksturlielumus. Šie parametri ietver:
Atkopšanas laiks treversais spriegums;
Tiešās strāvas pieauguma laiks I Nar;
Ierobežojiet frekvenci, nesamazinot diožu režīmus fmax.
Statiskos parametrus var iestatīt, izmantojot diodes strāvas-sprieguma raksturlielumu, kas parādīts attēlā. 2.5 V. Jaudas diožu statisko parametru tipiskās vērtības ir norādītas tabulā. 2.1.
2.1. tabula Jaudas taisngriežu diožu statiskie parametri
Apgrieztais atkopšanas laiks diode t rev ir taisngriežu diožu galvenais parametrs, kas raksturo to inerciālās īpašības. To nosaka, kad diode pārslēdzas no dotās tiešās strāvas I pr uz doto pretējo spriegumu U o6p. Šādas pārslēgšanas grafiki ir parādīti attēlā. 26 b. Attēlā parādītā testa diagramma. 26 b, ir pusviļņu taisngriezis, kas darbojas ar pretestības slodzi R H un tiek darbināts no taisnstūra formas sprieguma avota.
Spriegums ķēdes ieejā laikā ?=0 pāriet uz pozitīvu vērtību Hm. Difūzijas procesa inerces dēļ strāva diodē neparādās uzreiz, bet laika gaitā palielinās tm. Kopā ar strāvas palielināšanos diodē samazinās spriegums uz diodes, kas pēc 4a P kļūst vienāds ar £/laikā. Laika momentā t tķēdē tiek izveidots stacionārs režīms, kurā darbojas diodes strāva i=I s ~U m /R B .
Šī situācija saglabājas līdz noteiktajam brīdim t2, kad barošanas sprieguma polaritāte ir apgriezta. Taču uz ^-i-pārejas robežas uzkrātie lādiņi kādu laiku uztur diodi atvērtā stāvoklī, bet strāvas virziens diodē mainās uz pretēju virzienu. Būtībā lādiņu rezorbcija notiek uz 5" malas (rchm transfer (t.i., līdzvērtīgas jaudas izlāde). Pēc rezorbcijas laika intervāla /,„
sākas diodes izslēgšanas process, t.i., tās bloķēšanas īpašību atjaunošanas process,
Līdz laikam< 3 напряжение на диоде становится равным нулю, и в дальнейшем приобретает обратное значение. Процесс восстановления запирающих свойств диода продолжается до момента времени Un, pēc tam diode tiek bloķēta. Līdz tam laikam strāva diodē kļūst vienāda 1^, un spriegums sasniedz vērtību - Hm. Tātad laiks t^ var skaitīt no pārejas Ua caur nulli, līdz diodes strāva sasniedz vērtību 1^.
Taisngriezes diodes ieslēgšanas un izslēgšanas procesu apsvēršana parāda, ka tas nav ideāls vārsts un noteiktos apstākļos vada pretējā virzienā. Mazākuma nesēju rezorbcijas laiku /?-i-krustojumā var noteikt pēc formulas
Kur x lpp- mazākuma pārvadātāju kalpošanas laiks.
Diodes apgrieztā sprieguma atjaunošanas laiku var novērtēt, izmantojot aptuveno izteiksmi
Jāpiebilst, kad Ra =0(kas atbilst diodes darbībai uz kapacitatīvās slodzes), reversā strāva caur diodi tās izslēgšanas brīdī var būt daudzkārt lielāka nekā slodzes strāva stacionārā režīmā.
Pārbaudot diagrammas attēlā. 2.6 a no tā izriet, ka jaudas zudums diodē strauji palielinās, kad tā tiek ieslēgta un it īpaši izslēgta. Līdz ar to zudumi diodē palielinās, palielinoties rektificētā sprieguma frekvencei. Kad diode darbojas zemā frekvencē un barošanas sprieguma harmoniskā formā, nav lielas amplitūdas strāvas impulsu, un zudumi diodē tiek strauji samazināti.
Mainoties diodes korpusa temperatūrai, mainās tā parametri. Šī atkarība ir jāņem vērā, izstrādājot aprīkojumu. Diodes tiešais spriegums un tās apgrieztā strāva visspēcīgāk ir atkarīgi no temperatūras. Temperatūras sprieguma koeficientam (TCV) uz diodes ir negatīva vērtība, jo, paaugstinoties temperatūrai, diodes spriegums samazinās. Var aptuveni pieņemt, ka TKN U uz augšu =-2mB/K.
Diodes reversā strāva vēl vairāk ir atkarīga no korpusa temperatūras un tai ir pozitīvs koeficients. Tādējādi, temperatūrai paaugstinoties par katriem 10°C, germānija diožu reversā strāva palielinās 2 reizes, bet silīcija diožu – 2,5 reizes.
Zaudējumus taisngriežu diodēs var aprēķināt, izmantojot formulu
kur P 11р - zudumi diodē strāvas virzienā uz priekšu, R^- zudumi diodē ar pretējo strāvu, R, k- zudumi diodē reversās atkopšanas stadijā.
Rīsi. 2 6 Diodes (a) un testa ķēdes (b) atbloķēšanas un bloķēšanas procesu grafiki
Aptuveno nākotnes zaudējumu vērtību var aprēķināt, izmantojot formulu
kur /„pep un (/„pq, ir vidējās tiešās strāvas un tiešās sprieguma vērtības uz diodes. Tāpat jūs varat aprēķināt jaudas zudumu ar pretējo strāvu:
Un visbeidzot, zaudējumus reversās atgūšanas stadijā nosaka pēc formulas
kur /" ir maiņstrāvas sprieguma frekvence.
Pēc diodes jaudas zuduma aprēķināšanas, izmantojot formulu, jānosaka diodes korpusa temperatūra
kur G pmax = 150°C ir maksimālā pieļaujamā diodes kristāla temperatūra, RnK- savienojuma diodes korpusa termiskā pretestība (norādīta diodes atsauces datos), G līdz max - maksimālā pieļaujamā diodes korpusa temperatūra.
Šotkija barjeras diodes Lai labotu zemu augstfrekvences spriegumu, plaši tiek izmantotas Šotki barjerdiodes (SBD). Šīs diodes izmanto metāla-pusvadītāju kontaktu, nevis p-pāreju. Saskares punktā parādās pusvadītāju slāņi, kas noplicināti no lādiņnesējiem, kurus sauc par vārtu slāņiem. Diodes ar Šotkija barjeru atšķiras no diodēm ar p-n savienojumu ar šādiem parametriem:
Zemāks priekšējā sprieguma kritums;
Ir zemāks reversais spriegums;
Lielāka noplūdes strāva;
Apgrieztās atgūšanas maksas gandrīz nav.
Divi galvenie raksturlielumi padara šīs diodes neaizstājamas zemsprieguma, augstfrekvences taisngriežu projektēšanā: zems tiešā sprieguma kritums un zems reversā sprieguma atjaunošanas laiks. Turklāt mazākuma nesēju neesamība, kuriem nepieciešams apgrieztais atkopšanas laiks, nozīmē, ka pašā diodē fiziski nav pārslēgšanās zudumu.
Šotki barjerdiodēs tiešā sprieguma kritums ir apgrieztā sprieguma funkcija. Mūsdienu Schottky diožu maksimālais spriegums ir aptuveni 150 V. Pie šī sprieguma DS priekšējais spriegums ir par 0,2...0,3 V mazāks nekā diožu ar p-pāreju tiešais spriegums.
Šotkija diodes priekšrocības kļūst īpaši pamanāmas, labojot zemos spriegumus. Piemēram, 45 voltu Šotkija diodei tiešais spriegums ir 0,4...0,6 V, un pie tādas pašas strāvas diodei ar //-pāreju sprieguma kritums ir 0,5...1,0 V. Kad reversais spriegums samazinās līdz 15V, tiešais spriegums samazinās līdz 0,3...0,4V. Vidēji Šotkija diožu izmantošana taisngriežā var samazināt zudumus par aptuveni 10...15%. DS maksimālā darba frekvence pārsniedz 200 kHz pie strāvas līdz 30 A.
Saistītā informācija.
