Apabila simpang pn digunakan dalam peranti semikonduktor sebenar, voltan luaran boleh digunakan padanya. Magnitud dan kekutuban voltan ini menentukan kelakuan simpang dan arus elektrik yang melaluinya. Jika kutub positif bekalan kuasa disambungkan ke hlm-wilayah, dan negatif – kepada n-kawasan, kemudian hidupkan p-n-peralihan dipanggil langsung. Apabila menukar kekutuban yang ditentukan, hidupkan p-n-peralihan dipanggil songsang.
Apabila disambungkan secara langsung p-n-peralihan, voltan luaran mencipta medan dalam peralihan yang bertentangan arah dengan medan resapan dalaman, Rajah 2. Kekuatan medan yang terhasil berkurangan, yang disertai dengan penyempitan lapisan penyekat. Akibatnya, sebilangan besar pembawa caj majoriti dapat bergerak secara meresap ke rantau jiran (arus hanyut tidak berubah, kerana ia bergantung pada bilangan pembawa minoriti yang muncul di sempadan peralihan), i.e. arus yang terhasil akan mengalir melalui simpang, ditentukan terutamanya oleh komponen resapan. Arus resapan bergantung pada ketinggian halangan berpotensi dan meningkat secara eksponen apabila ia berkurangan.
Peningkatan resapan pembawa cas melalui persimpangan membawa kepada peningkatan kepekatan lubang di rantau ini n-jenis dan elektron di kawasan tersebut hlm-jenis. Peningkatan kepekatan pembawa minoriti ini disebabkan oleh pengaruh voltan luaran yang dikenakan pada persimpangan dipanggil suntikan pembawa minoriti. Pembawa minoriti nonequilibrium meresap jauh ke dalam semikonduktor dan mengganggu neutraliti elektriknya. Pemulihan keadaan neutral semikonduktor berlaku disebabkan oleh kedatangan pembawa cas dari sumber luaran. Ini adalah sebab berlakunya arus dalam litar luaran, dipanggil terus.
Apabila dihidupkan p-n-peralihan dalam arah songsang, voltan terbalik luaran mencipta medan elektrik bertepatan dengan arah resapan, yang membawa kepada peningkatan dalam halangan berpotensi dan peningkatan dalam lebar lapisan penyekat, Rajah 3. Semua ini mengurangkan arus resapan pembawa majoriti. Bagi media bukan arus perdana, bidang dalam p-n- persimpangan kekal memecut, dan oleh itu arus hanyut tidak berubah.
Oleh itu, arus yang terhasil akan mengalir melalui simpang, ditentukan terutamanya oleh arus hanyut pembawa minoriti. Oleh kerana bilangan pembawa minoriti yang hanyut tidak bergantung pada voltan yang digunakan (ia hanya mempengaruhi kelajuannya), maka apabila voltan terbalik meningkat, arus melalui persimpangan cenderung kepada nilai mengehadkan. saya S, yang dipanggil arus tepu. Semakin tinggi kepekatan kekotoran penderma dan penerima, semakin rendah arus tepu, dan dengan peningkatan suhu, arus tepu berkembang secara eksponen.
1.3. Ciri voltan arus bagi simpang p-n
Pergantungan arus melalui p-n-peralihan daripada voltan yang dikenakan padanya saya = f(U) dipanggil ciri voltan arus p-n-peralihan, Rajah 4.
Ciri voltan semasa peralihan lubang elektron diterangkan oleh persamaan Ebers-Moll:
, (1)
di mana saya– arus melalui simpang pada voltan U;
saya S– arus tepu yang dicipta oleh pembawa caj minoriti. saya S juga dipanggil arus haba, kerana kepekatan pembawa minoriti bergantung pada suhu;
q e– caj elektron;
k– Pemalar Boltzmann;
T- suhu mutlak;
– potensi suhu peralihan, lebih kurang sama pada suhu bilik kepada 0.025 V = 25 mV.
Jika р-n- peralihan dihidupkan ke arah hadapan, voltan U ambil dengan tanda tambah, jika dengan cara yang bertentangan - dengan tanda tolak.
Dengan voltan terpakai terus 
seseorang boleh diabaikan berbanding istilah 
, dan ciri voltan semasa akan mempunyai watak eksponen semata-mata.
Dengan voltan terbalik (negatif). 
istilah 
boleh diabaikan berbanding perpaduan, dan arus ternyata sama 
.
Walau bagaimanapun, Pers. Ebers-Moll lebih kurang bertepatan dengan ciri voltan semasa sebenar, kerana ia tidak mengambil kira beberapa proses fizikal yang berlaku dalam semikonduktor. Proses tersebut termasuk: penjanaan dan penggabungan semula pembawa dalam lapisan penyekat, arus kebocoran permukaan, penurunan voltan merentasi rintangan kawasan neutral, fenomena kerosakan terma, runtuhan salji dan terowong.
Sekiranya arus yang mengalir melalui persimpangan adalah tidak ketara, maka penurunan voltan merentasi rintangan kawasan neutral boleh diabaikan. Walau bagaimanapun, apabila arus meningkat, proses ini mempunyai kesan yang semakin besar pada ciri voltan semasa peranti, i.e. ciri sebenar pergi pada sudut yang lebih kecil dan merosot kepada garis lurus apabila voltan pada lapisan penghalang menjadi sama dengan beza keupayaan sentuhan.
Pada voltan terbalik tertentu, peningkatan mendadak dalam arus terbalik diperhatikan. Fenomena ini dipanggil pecahan peralihan. Terdapat tiga jenis kerosakan: terowong, runtuhan salji dan terma. Kerosakan terowong dan runtuhan salji adalah jenis kerosakan elektrik dan dikaitkan dengan peningkatan dalam kekuatan medan elektrik di persimpangan. Pecahan haba ditentukan oleh kepanasan lampau simpang.
Kesan terowong (kesan Zener) terdiri daripada peralihan terus elektron valens dari satu semikonduktor ke semikonduktor yang lain (di mana ia sudah menjadi pembawa cas percuma), yang menjadi mungkin pada kekuatan medan elektrik yang tinggi pada peralihan. Kekuatan medan elektrik yang tinggi di persimpangan boleh dicapai pada kepekatan tinggi kekotoran dalam hlm- Dan n-kawasan di mana ketebalan peralihan menjadi sangat kecil.
Dalam luas p-n-simpang yang dibentuk oleh semikonduktor dengan kepekatan kekotoran sederhana atau rendah, kebarangkalian kebocoran terowong elektron berkurangan dan pecahan runtuhan salji menjadi lebih berkemungkinan.
Pecahan runtuhan salji berlaku apabila min laluan bebas elektron dalam semikonduktor dengan ketara kurang daripada ketebalan simpang. Jika, semasa laluan bebasnya, elektron mengumpul tenaga kinetik yang mencukupi untuk mengionkan atom dalam peralihan, maka pengionan hentaman berlaku, disertai dengan pendaraban salji bagi pembawa cas. Pembawa cas percuma yang terbentuk akibat pengionan kesan meningkatkan arus peralihan terbalik.
Kerosakan terma disebabkan oleh peningkatan ketara dalam bilangan pembawa cas p-n-peralihan kerana pelanggaran rejim haba. Kuasa dibekalkan ke persimpangan P arr = saya arr. U bahan buangan dibelanjakan untuk memanaskannya. Haba yang dibebaskan dalam lapisan penghalang dikeluarkan terutamanya disebabkan oleh kekonduksian terma kekisi kristal. Di bawah keadaan yang buruk untuk penyingkiran haba dari persimpangan, serta apabila voltan terbalik di persimpangan meningkat melebihi nilai kritikal, adalah mungkin untuk memanaskannya sehingga suhu di mana pengionan haba atom berlaku. Pembawa cas yang terbentuk dalam kes ini meningkatkan arus terbalik melalui persimpangan, yang membawa kepada pemanasan selanjutnya. Akibat daripada proses yang semakin meningkat, peralihan menjadi tidak dapat diterima dipanaskan dan berlaku kerosakan haba, yang dicirikan oleh pemusnahan kristal.
Peningkatan bilangan pembawa cas apabila simpang dipanaskan membawa kepada penurunan rintangannya dan voltan yang dijana merentasinya. Akibatnya, bahagian dengan rintangan pembezaan negatif muncul pada cawangan terbalik ciri voltan semasa semasa kerosakan haba.
-ini adalah kawasan yang memisahkan permukaan pengaliran elektron dan lubang dalam satu kristal.
Persimpangan lubang elektron dibuat dalam kristal tunggal, di mana sempadan yang agak tajam diperoleh antara kawasan kekonduksian elektronik dan lubang.
Rajah menunjukkan dua kawasan bersebelahan semikonduktor, satu daripadanya mengandungi kekotoran penderma (rantau elektronik, iaitu, kekonduksian n), dan satu lagi kekotoran penerima (rantau kekonduksian lubang, iaitu, kekonduksian p. ). Untuk memahami bagaimana semikonduktor jenis ini atau itu terbentuk, kami mengesyorkan membaca artikel -Semikonduktor kekotoran.
Dengan ketiadaan voltan terpakai, resapan pembawa cas majoriti dari satu kawasan ke kawasan lain diperhatikan. Oleh kerana elektron adalah pembawa cas utama, dan di rantau n kepekatannya lebih besar, ia meresap ke dalam kawasan-p, mengecas secara negatif lapisan sempadan rantau ini. Tetapi meninggalkan tempat mereka, elektron mencipta tempat kosong - lubang, dengan itu mengecas lapisan sempadan kawasan-n secara positif. Oleh itu, selepas tempoh masa yang agak singkat, caj ruang tanda bertentangan terbentuk pada kedua-dua belah antara muka.
Medan elektrik yang dicipta oleh cas angkasa menghalang penyebaran lebih lanjut lubang dan elektron. Ada yang dipanggil halangan berpotensi, ketinggian yang dicirikan oleh beza keupayaan dalam lapisan sempadan.
Persimpangan lubang elektron, dalam reka bentuk luarannya, dilaksanakan dalam bentuk diod semikonduktor.
Jika voltan luaran dikenakan pada persimpangan lubang elektron supaya kutub negatif sumber disambungkan ke rantau dengan kekonduksian elektronik, dan kutub positif disambungkan ke kawasan dengan kekonduksian lubang, maka arah voltan punca luaran akan bertentangan dalam tanda dengan medan elektrik simpang p-n, ini akan menyebabkan peningkatan arus melalui simpang p-n. akan timbularus terus,yang akan disebabkan oleh pergerakan pembawa cas utama, dalam kes kami ini adalah pergerakan lubang dari kawasan p ke kawasan n, dan pergerakan elektron dari kawasan n ke p. Anda harus tahu bahawa lubang bergerak bertentangan dengan pergerakan elektron, jadi sebenarnya, arus mengalir dalam satu arah. Sambungan ini dipanggillangsung. Pada ciri voltan semasa, sambungan sedemikian akan sepadan dengan bahagian graf dalam kuadran pertama.
Tetapi jika anda menukar kekutuban voltan yang digunakan pada simpang p-n ke sebaliknya, maka elektron dari lapisan sempadan akan mula bergerak dari antara muka ke kutub positif sumber, dan lubang ke negatif. Akibatnya, elektron bebas dan lubang akan bergerak menjauhi lapisan sempadan, dengan itu mewujudkan lapisan yang boleh dikatakan tiada pembawa cas. Akibatnya, arus di persimpangan pn berkurangan sebanyak puluhan ribu kali; Timbul arus terbalik, yang tidak dibentuk oleh pembawa caj utama Sambungan ini dipanggil terbalik. Pada ciri voltan semasa, sambungan sedemikian akan sepadan dengan bahagian graf dalam kuadran ketiga.
Ciri voltan semasa
Apabila menyambungkan persimpangan lubang elektron secara langsung, arus meningkat dengan peningkatan voltan. Apabila disambungkan secara terbalik, arus mencapai nilai I us, dipanggil arus tepu.Jika anda terus meningkatkan voltan apabila menghidupkannya semula, kerosakan diod mungkin berlaku. Harta ini juga digunakan dalam pelbagai diod zener, dsb.
Sifat-sifat simpang pn digunakan secara meluas dalam elektronik iaitu dalam diod, transistor dan semikonduktor lain.
Persimpangan p-n (pe-en) ialah kawasan ruang pada persimpangan dua semikonduktor jenis p dan n, di mana peralihan daripada satu jenis kekonduksian kepada yang lain berlaku, peralihan sedemikian juga dipanggil peralihan lubang elektron.
Terdapat dua jenis semikonduktor: jenis p dan n. Dalam jenis n, pembawa caj utama ialah elektron , dan dalam jenis p - yang utama dicas positif lubang-lubang. Lubang positif muncul selepas elektron dikeluarkan daripada atom dan lubang positif terbentuk di tempatnya.
Untuk memahami bagaimana simpang p-n berfungsi, anda perlu mengkaji komponennya, iaitu semikonduktor jenis p dan n.
Semikonduktor jenis P dan n dibuat berdasarkan silikon monohabluran, yang mempunyai tahap ketulenan yang sangat tinggi, jadi kekotoran yang sedikit (kurang daripada 0.001%) dengan ketara mengubah sifat elektriknya.
Dalam semikonduktor jenis-n, pembawa cas utama ialah elektron . Untuk mendapatkannya mereka gunakan kekotoran penderma, yang dimasukkan ke dalam silikon,- fosforus, antimoni, arsenik.
Dalam semikonduktor jenis-p, pembawa cas utama bercas positif lubang-lubang . Untuk mendapatkannya mereka gunakan kekotoran penerima — aluminium, boron
Semikonduktor n - jenis (konduksi elektronik)
Atom fosforus kekotoran biasanya menggantikan atom utama di tapak kekisi kristal. Dalam kes ini, empat elektron valens atom fosforus bersentuhan dengan empat elektron valens empat atom silikon yang bersebelahan, membentuk cangkerang stabil lapan elektron. Elektron valens kelima atom fosforus ternyata terikat lemah pada atomnya dan, di bawah pengaruh daya luar (getaran terma kekisi, medan elektrik luar), mudah menjadi bebas, mewujudkan peningkatan kepekatan elektron bebas . Kristal memperoleh kekonduksian elektronik atau jenis-n . Dalam kes ini, atom fosforus, tanpa elektron, terikat tegar pada kekisi kristal silikon dengan cas positif, dan elektron adalah cas negatif mudah alih. Dengan ketiadaan daya luaran, mereka mengimbangi satu sama lain, iaitu dalam silikon jenis-nbilangan elektron pengaliran bebas ditentukan bilangan atom kekotoran penderma yang diperkenalkan.
Semikonduktor p - jenis (kekonduksian lubang)
Atom aluminium, yang hanya mempunyai tiga elektron valensi, tidak boleh secara bebas mencipta cangkang lapan elektron yang stabil dengan atom silikon jiran, kerana untuk ini ia memerlukan elektron lain, yang diambilnya dari salah satu atom silikon yang terletak berdekatan. Atom silikon tanpa elektron mempunyai cas positif dan, kerana ia boleh merebut elektron daripada atom silikon jiran, ia boleh dianggap sebagai cas positif mudah alih yang tidak dikaitkan dengan kekisi kristal, dipanggil lubang. Atom aluminium yang telah menangkap elektron menjadi pusat bercas negatif, terikat tegar pada kekisi kristal. Kekonduksian elektrik semikonduktor sedemikian adalah disebabkan oleh pergerakan lubang, itulah sebabnya ia dipanggil semikonduktor lubang jenis p. Kepekatan lubang sepadan dengan bilangan atom kekotoran penerima yang diperkenalkan.
Peralihan elektrik
Peralihan elektrik dalam semikonduktor, lapisan sempadan antara dua kawasan yang ciri fizikalnya mempunyai perbezaan fizikal yang ketara dipanggil.
Jenis peralihan elektrik berikut dibezakan:
§ lubang elektron, atau simpang p–n– peralihan antara dua kawasan semikonduktor yang mempunyai jenis kekonduksian elektrik yang berbeza;
§ peralihan antara dua rantau, jika satu daripadanya adalah logam dan satu lagi semikonduktor p- atau n- jenis ( peralihan logam-separa konduktor);
§ peralihan antara dua kawasan dengan jenis kekonduksian elektrik yang sama, berbeza dalam kepekatan bendasing;
§ peralihan antara dua bahan semikonduktor dengan jurang jalur yang berbeza ( heterojunctions).
Operasi beberapa peranti semikonduktor (diod, transistor, thyristor, dll.) adalah berdasarkan fenomena yang timbul dalam hubungan antara semikonduktor dengan jenis kekonduksian yang berbeza.
Sempadan antara dua kawasan kristal tunggal semikonduktor, salah satunya mempunyai kekonduksian elektrik jenis hlm, dan yang lain adalah seperti n dipanggil peralihan lubang elektron. Kepekatan pembawa caj utama di rantau ini hlm Dan n mungkin sama atau berbeza dengan ketara. P–n-peralihan di mana kepekatan lubang dan elektron hampir sama dengan N p N n dipanggil simetri. Jika kepekatan pembawa cas utama adalah berbeza (N p >> N n atau N p<< N n) и отличаются в 100…1000 раз, то такие переходы называют tidak simetri.
tidak simetri p–n-peralihan digunakan lebih meluas daripada simetri, jadi pada masa hadapan kita akan mempertimbangkannya sahaja.
Mari kita pertimbangkan kristal tunggal semikonduktor (Rajah 1.12), di mana, di satu pihak, kekotoran penerima diperkenalkan, yang menyebabkan penampilan
jenis kekonduksian elektrik hlm, dan sebaliknya, kekotoran penderma telah diperkenalkan, disebabkan kekonduksian elektrik jenis itu muncul di sana n. Setiap pembawa cas positif mudah alih di rantau ini hlm(lubang) sepadan dengan ion bercas negatif kekotoran penerima, tetapi tidak bergerak, terletak dalam nod kekisi kristal, dan di kawasan n Setiap elektron bebas sepadan dengan ion bercas positif kekotoran penderma, akibatnya keseluruhan kristal tunggal kekal neutral elektrik.
Pembawa bebas cas elektrik, di bawah pengaruh kecerunan kepekatan, mula bergerak dari tempat dengan kepekatan tinggi ke tempat dengan kepekatan yang lebih rendah. Oleh itu, lubang akan meresap dari kawasan tersebut hlm ke rantau ini n, dan elektron, sebaliknya, adalah dari rantau n ke rantau ini hlm. Pergerakan cas elektrik yang diarahkan ke arah satu sama lain membentuk arus resapan p–n-peralihan. Tetapi sebaik sahaja lubang itu keluar dari kawasan itu hlm akan berpindah ke kawasan tersebut n, ia mendapati dirinya dikelilingi oleh elektron, yang merupakan pembawa utama cas elektrik di rantau ini n. Oleh itu, terdapat kebarangkalian tinggi bahawa elektron akan mengisi tahap bebas dan fenomena penggabungan semula akan berlaku, akibatnya tidak akan ada lubang mahupun elektron, tetapi atom semikonduktor neutral elektrik akan kekal. Tetapi jika sebelum ini cas elektrik positif setiap lubang telah dikompensasikan oleh cas negatif ion kekotoran penerima di rantau ini hlm, dan cas elektron ialah cas positif ion kekotoran penderma di rantau ini n, kemudian selepas penggabungan semula lubang dan elektron, cas elektrik ion kekotoran tidak bergerak yang menghasilkan lubang dan elektron ini kekal tidak terkompensasi. Dan pertama sekali, caj ion kekotoran yang tidak dikompensasikan menunjukkan diri mereka berhampiran antara muka (Rajah 1.13), di mana lapisan caj ruang terbentuk, dipisahkan oleh jurang yang sempit. Di antara cas ini medan elektrik timbul dengan keamatan E, yang dipanggil medan halangan potensi, dan beza keupayaan pada antara muka antara dua zon yang menentukan medan ini dipanggil beza keupayaan sentuhan
Medan elektrik ini mula bertindak pada pembawa mudah alih cas elektrik. Jadi, lubang di kawasan itu hlm– pembawa utama, memasuki zon tindakan medan ini, mengalami kesan perencatan, tolakan daripadanya dan, bergerak di sepanjang garis daya medan ini, akan ditolak lebih dalam ke kawasan itu hlm. Begitu juga, elektron dari rantau n, jatuh ke dalam zon tindakan medan halangan berpotensi, akan ditolak lebih dalam ke kawasan itu olehnya n. Oleh itu, di kawasan sempit di mana medan halangan berpotensi beroperasi, lapisan terbentuk di mana hampir tiada pembawa cas elektrik percuma dan, akibatnya, mempunyai rintangan yang tinggi. Ini adalah lapisan penghalang yang dipanggil.
Jika di kawasan tersebut hlm Jika elektron bebas, yang merupakan pembawa minoriti untuk rantau ini, entah bagaimana berakhir berhampiran antara muka, maka ia akan mengalami kesan pecutan daripada medan elektrik halangan berpotensi, akibatnya elektron ini akan dilemparkan merentasi antara muka ke rantau ini n, di mana ia akan menjadi pembawa utama. Begitu juga jika di kawasan tersebut n Jika pembawa minoriti (lubang) muncul, maka di bawah pengaruh medan penghalang yang berpotensi ia akan dibuang ke rantau ini hlm, di mana ia sudah menjadi pembawa utama. Pergerakan Media Minoriti Melalui p–n- peralihan di bawah pengaruh medan elektrik penghalang berpotensi menentukan komponen arus hanyut.
Dengan ketiadaan medan elektrik luaran, keseimbangan dinamik diwujudkan antara aliran pembawa cas elektrik majoriti dan minoriti. Iaitu, antara komponen resapan dan hanyutan arus p–n-peralihan, kerana komponen ini diarahkan ke arah satu sama lain.
Gambar rajah potensi p–n-peralihan ditunjukkan dalam Rajah. 1.13, dan potensi pada antara muka antara wilayah diambil sebagai potensi sifar. Perbezaan potensi sentuhan membentuk halangan berpotensi dengan ketinggian di antara muka. Rajah menunjukkan halangan berpotensi untuk elektron yang cenderung bergerak dari kanan ke kiri disebabkan oleh resapan (dari kawasan n ke rantau ini hlm). Jika kita menggerakkan potensi positif ke atas, kita boleh mendapatkan imej halangan berpotensi untuk lubang yang meresap dari kiri ke kanan (dari kawasan hlm ke rantau ini n).
Dengan ketiadaan medan elektrik luaran dan di bawah keadaan keseimbangan dinamik, satu aras Fermi ditubuhkan di kedua-dua kawasan pengaliran dalam kristal semikonduktor.
Walau bagaimanapun, sejak dalam semikonduktor hlm-jenis tahap Fermi
beralih ke arah atas jalur valens, dan dalam semikonduktor n-jenis –
Ke bahagian bawah jalur konduksi, kemudian pada lebar p–n-peralihan, rajah jalur tenaga (Rajah 1.14) dibengkokkan dan halangan berpotensi terbentuk:
di manakah halangan tenaga yang mesti diatasi oleh elektron di rantau ini n supaya dia boleh pergi ke kawasan itu hlm, atau serupa untuk lubang di kawasan itu hlm supaya dia boleh berpindah ke kawasan itu n .
Ketinggian halangan berpotensi bergantung pada kepekatan kekotoran, kerana apabila ia berubah, tahap Fermi berubah, beralih dari tengah jurang jalur ke sempadan atas atau bawahnya.
1.7.2. Sifat pintu bagi simpang p–n
P–n-simpang mempunyai sifat mengubah rintangan elektriknya bergantung kepada arah arus yang mengalir melaluinya. Harta ini dipanggil injap, dan peranti dengan sifat ini dipanggil injap elektrik.
Mari kita pertimbangkan p–n- persimpangan yang mana sumber voltan luaran Uin disambungkan dengan kekutuban yang ditunjukkan dalam Rajah. 1.15, “+” ke kawasan itu hlm-taip, “–” ke kawasan tersebut n-jenis. Sambungan ini dipanggil sambungan terus p–n-peralihan (atau pincang langsung simpang p–n). Kemudian kekuatan medan elektrik sumber luaran E Vn akan diarahkan ke arah kekuatan medan halangan berpotensi E dan oleh itu akan membawa kepada pengurangan ketegangan yang terhasil E semula:
E potong = E - E dalam , (1.14).
Ini seterusnya akan membawa kepada penurunan ketinggian halangan berpotensi dan peningkatan dalam bilangan pembawa majoriti yang meresap merentasi antara muka ke kawasan bersebelahan, yang membentuk apa yang dipanggil arus hadapan p–n-peralihan. Dalam kes ini, disebabkan oleh penurunan dalam perencatan, kesan tolakan medan penghalang yang berpotensi pada pembawa utama, lebar lapisan penyekat berkurangan ( ’< ) и, соответственно, уменьшается его сопротивление.
Apabila voltan luaran meningkat, arus hadapan p–n-peralihan meningkat. Selepas melintasi antara muka, pembawa majoriti menjadi pembawa minoriti di kawasan bertentangan semikonduktor dan, setelah mendalaminya, bergabung semula dengan pembawa majoriti rantau ini. Tetapi selagi sumber luaran disambungkan, arus melalui persimpangan dikekalkan oleh pengaliran berterusan elektron dari litar luar ke n-wilayah dan pemergian mereka dari hlm-kawasan ke dalam litar luaran, kerana kepekatan lubang masuk hlm-wilayah
Pengenalan pembawa caj melalui p–n-peralihan apabila ketinggian halangan berpotensi berkurangan ke kawasan semikonduktor, di mana pembawa ini adalah minoriti, dipanggil suntikan pembawa caj.
Apabila arus terus mengalir dari kawasan lubang r ke kawasan elektronik n lubang disuntik, dan elektron disuntik dari kawasan elektron ke kawasan lubang.
Lapisan suntikan dengan kerintangan yang agak rendah dipanggil pemancar; lapisan di mana suntikan pembawa caj minoriti berlaku - asas.
Dalam Rajah. Rajah 1.16 menunjukkan rajah jalur tenaga sepadan dengan pincang ke hadapan p–n-peralihan.
Jika hendak р-n- sambungkan sumber luaran dengan kekutuban bertentangan “–” kepada simpang hlm-taip, “+” ke kawasan n-jenis (Rajah 1.17), maka sambungan sedemikian dipanggil pensuisan terbalik simpang p–n(atau pincang songsang simpang p–n).
Dalam kes ini, kekuatan medan elektrik sumber ini E vn akan diarahkan ke arah yang sama dengan kekuatan medan elektrik E halangan berpotensi; ketinggian halangan berpotensi meningkat, dan arus resapan pembawa majoriti secara praktikalnya menjadi sama dengan sifar. Disebabkan oleh peningkatan brek, kesan tolakan jumlah medan elektrik pada pembawa cas utama, lebar lapisan penyekat meningkat (>), dan rintangannya meningkat dengan mendadak.
Sekarang melalui р–n-peralihan, arus yang sangat kecil akan mengalir, disebabkan oleh pemindahan jumlah medan elektrik pada antara muka pembawa utama yang timbul di bawah pengaruh pelbagai faktor pengionan, terutamanya bersifat haba. Proses pemindahan pembawa caj minoriti dipanggil perahan. Arus ini mempunyai sifat hanyut dan dipanggil arus songsang bagi simpang p–n.
Dalam Rajah. Rajah 1.18 menunjukkan rajah jalur tenaga sepadan dengan pincang songsang p–n- peralihan.
Kesimpulan:
1. P–n- peralihan terbentuk di sempadan hlm- Dan n-wilayah yang dicipta dalam kristal tunggal semikonduktor.
2. Hasil daripada resapan ke p–n-peralihan, medan elektrik timbul - halangan berpotensi yang menghalang penyamaan kepekatan pembawa cas utama di kawasan jiran.
3. Jika tiada voltan luaran U vn v p–n-peralihan, keseimbangan dinamik diwujudkan: arus resapan menjadi sama dalam magnitud dengan arus hanyut yang dibentuk oleh pembawa cas minoriti, menghasilkan arus melalui p–n-peralihan menjadi sifar.
4. Dengan berat sebelah hadapan p–n-peralihan, halangan potensi berkurangan dan arus resapan yang agak besar mengalir melalui simpang.
5. Apabila bias songsang p–n-peralihan, halangan potensi meningkat, arus resapan berkurangan kepada sifar, dan arus hanyut kecil mengalir melalui simpang. Ini menunjukkan bahawa p–n- simpang mempunyai kekonduksian sehala. Sifat ini digunakan secara meluas untuk membetulkan arus ulang alik.
6. Lebar p–n-peralihan bergantung: pada kepekatan kekotoran dalam hlm- Dan n-wilayah, pada tanda dan magnitud voltan luaran yang digunakan U samb. Apabila kepekatan kekotoran meningkat, lebar p–n-peralihan berkurangan dan sebaliknya. Dengan peningkatan voltan hadapan lebar p–n-peralihan berkurangan. Apabila voltan terbalik meningkat, lebar p–n-peralihan meningkat.
1.7.3. Ciri volt-ampere bagi simpang p–n
Ciri voltan semasa p–n-peralihan ialah pergantungan arus melalui p–n-peralihan daripada magnitud voltan yang dikenakan padanya. Ia dikira berdasarkan andaian bahawa tiada medan elektrik di luar lapisan penyusutan, i.e. semua voltan digunakan untuk p–n-peralihan. Jumlah arus melalui p–n-peralihan ditentukan oleh hasil tambah empat sebutan:
di manakah arus hanyutan elektron;
Arus hanyut lubang;
Arus resapan elektron;
Arus resapan lubang; kepekatan elektron yang disuntik ke dalam r- wilayah;
Kepekatan lubang yang disuntik ke dalam n- wilayah.
Pada masa yang sama, kepekatan pembawa minoriti n p0 Dan p n0 bergantung kepada kepekatan kekotoran Np Dan Nn seperti berikut:
di mana n i, p i ialah kepekatan intrinsik pembawa cas (tanpa campuran) elektron dan lubang, masing-masing.
Kadar penyebaran pembawa υ n, p beza boleh dibiarkan hanyut hampir dengan kelajuan mereka υ n, p dr dalam medan elektrik yang lemah dengan sisihan kecil daripada keadaan keseimbangan. Dalam kes ini, kesamaan berikut dipenuhi untuk keadaan keseimbangan:
υ p perbezaan = υ p dr = υ p , υ n perbezaan = υ n dr = vn.
Kemudian ungkapan (1.15) boleh ditulis sebagai:
, (1.16).
Arus terbalik boleh dinyatakan seperti berikut:
di mana Dn, hlm– pekali resapan lubang atau elektron;
Ln, hlm– panjang resapan lubang atau elektron. Sejak parameter Dn, hlm , p n0 , n p0 , Ln , hlm = bergantung kepada suhu, maka arus terbalik lebih kerap dipanggil arus haba.
Dengan voltan terus dari sumber luaran ( U vn > 0) istilah eksponen dalam ungkapan (1.16) meningkat dengan cepat, yang membawa kepada peningkatan pesat dalam arus hadapan, yang, seperti yang telah dinyatakan, terutamanya ditentukan oleh komponen resapan.
Dengan voltan terbalik dari sumber luaran
() istilah eksponen adalah lebih kurang daripada perpaduan dan arus р–n-peralihan hampir sama dengan arus terbalik, ditentukan terutamanya oleh komponen hanyut. Bentuk pergantungan ini ditunjukkan dalam Rajah. 1.19. Kuadran pertama sepadan dengan bahagian cawangan hadapan bagi ciri voltan semasa, dan kuadran ketiga sepadan dengan cawangan belakang. Apabila voltan hadapan meningkat, arus р–n-peralihan ke arah hadapan pada mulanya meningkat secara agak perlahan, dan kemudian satu bahagian peningkatan pesat dalam arus hadapan bermula, yang membawa kepada pemanasan tambahan struktur semikonduktor. Jika jumlah haba yang dijana dalam kes ini melebihi jumlah haba yang dikeluarkan daripada kristal semikonduktor sama ada secara semula jadi atau dengan bantuan
peranti penyejukan khas, maka perubahan tidak boleh balik boleh berlaku dalam struktur semikonduktor, sehingga kemusnahan kekisi kristal. Oleh itu, arus terus р–n-peralihan mesti dihadkan pada tahap selamat yang menghalang kepanasan terlampau struktur semikonduktor. Untuk melakukan ini, perlu menggunakan perintang pengehad yang disambungkan secara bersiri dengan p–n-peralihan.
Dengan peningkatan voltan terbalik digunakan untuk р–n-peralihan, arus songsang berubah sedikit, kerana komponen hanyut arus, yang lazim semasa pensuisan terbalik, bergantung terutamanya pada suhu kristal, dan peningkatan dalam voltan terbalik hanya membawa kepada peningkatan dalam kelajuan hanyut pembawa minoriti tanpa mengubah bilangan mereka. Keadaan ini akan dikekalkan sehingga nilai voltan terbalik, di mana peningkatan intensif dalam arus terbalik bermula - yang dipanggil pecahan simpang p–n.
1.7.4. Jenis pecahan simpang p–n
Pecahan boleh balik dan tidak boleh balik adalah mungkin. Pecahan boleh balik ialah pecahan selepas itu p–n- peralihan kekal beroperasi. Pecahan tidak dapat dipulihkan membawa kepada kemusnahan struktur semikonduktor.
Terdapat empat jenis pecahan: runtuhan salji, terowong, haba dan permukaan. Kerosakan runtuhan salji dan terowong akan digabungkan di bawah nama - kerosakan elektrik, yang boleh diterbalikkan. Tidak dapat dipulihkan termasuk haba dan permukaan.
Kerosakan runtuhan salji ciri semikonduktor, dengan ketebalan yang ketara р–n-simpang yang dibentuk oleh semikonduktor doped ringan. Dalam kes ini, lebar lapisan penyusutan adalah lebih besar daripada panjang resapan pembawa. Pecahan berlaku di bawah pengaruh medan elektrik yang kuat dengan voltan E(8…12), .Dalam pecahan runtuhan salji, peranan utama adalah milik pembawa minoriti yang terbentuk di bawah pengaruh haba dalam р–n-peralihan.
Pembawa ini diuji oleh medan elektrik р–n-peralihan mempunyai kesan pecutan dan mula bergerak dengan pantas di sepanjang garis daya medan ini. Pada nilai keamatan tertentu, pembawa cas minoriti di laluan bebas min l (Rajah 1.20) boleh memecut ke kelajuan sedemikian sehingga tenaga kinetiknya mungkin mencukupi untuk mengionkannya semasa perlanggaran seterusnya dengan atom semikonduktor, i.e. "mengetuk keluar" salah satu elektron valensnya dan membuangnya ke dalam jalur konduksi, dengan itu membentuk pasangan lubang elektron. Pembawa yang terhasil juga akan mula memecut dalam medan elektrik, berlanggar dengan atom neutral lain, dan proses itu akan meningkat seperti runtuhan salji. Dalam kes ini, peningkatan mendadak dalam arus terbalik berlaku dengan voltan terbalik yang hampir malar.
Parameter yang mencirikan pecahan runtuhan salji ialah pekali darab salji M, ditakrifkan sebagai bilangan peristiwa pendaraban salji di kawasan medan elektrik yang kuat. Magnitud arus terbalik selepas pendaraban salji akan sama dengan:
di manakah arus awal; U– voltan yang digunakan; U p – voltan kerosakan runtuhan salji; n– pekali sama dengan 3 untuk Ge, 5 untuk Si.
Kerosakan terowong berlaku dalam keadaan sangat nipis р–n-peralihan, yang boleh dilakukan pada kepekatan kekotoran yang sangat tinggi N 10 19 cm -3 apabila lebar peralihan menjadi kecil (kira-kira 0.01 μm) dan pada nilai kecil voltan terbalik (beberapa volt), apabila kecerunan medan elektrik yang besar berlaku. Kekuatan medan elektrik yang tinggi, bertindak ke atas atom kekisi kristal, meningkatkan tenaga elektron valens dan membawa kepada "kebocoran" terowongnya melalui penghalang tenaga "nipis" (Rajah 1.21) dari jalur valens hlm-kawasan dalam jalur konduksi n-wilayah Selain itu, "kebocoran" berlaku tanpa mengubah tenaga pembawa caj. Pecahan terowong juga dicirikan oleh peningkatan mendadak dalam arus terbalik dengan voltan terbalik yang boleh dikatakan malar.
Jika arus terbalik untuk kedua-dua jenis kerosakan elektrik tidak melebihi nilai maksimum yang dibenarkan di mana
pemanasan dan pemusnahan struktur kristal semikonduktor, ia boleh diterbalikkan dan boleh dikeluarkan berkali-kali.
Teplov dipanggil pecahan р–n- peralihan yang disebabkan oleh peningkatan bilangan pembawa cas dengan peningkatan suhu kristal. Dengan peningkatan voltan dan arus terbalik, kuasa haba yang dikeluarkan dalam р–n-peralihan, dan, dengan itu, suhu struktur kristal. Di bawah pengaruh haba, getaran atom kristal bertambah kuat dan ikatan elektron valens dengannya menjadi lemah, meningkatkan kebarangkalian peralihannya ke jalur pengaliran dan pembentukan pasangan pembawa lubang elektron tambahan. Jika kuasa elektrik adalah р–n-peralihan melebihi nilai maksimum yang dibenarkan, maka proses penjanaan haba meningkat seperti runtuhan salji, penstrukturan semula yang tidak dapat dipulihkan berlaku dalam kristal dan р-n- peralihan dimusnahkan.
Untuk mengelakkan kerosakan haba, syarat berikut mesti dipenuhi:
di manakah pelesapan kuasa maksimum yang dibenarkan р-n-peralihan.
Kerosakan permukaan. Pengagihan kekuatan medan elektrik dalam р–n-peralihan boleh mengubah cas yang terdapat pada permukaan semikonduktor dengan ketara. Caj permukaan boleh membawa kepada peningkatan atau penurunan dalam ketebalan simpang, akibatnya kerosakan boleh berlaku pada permukaan simpang pada kekuatan medan yang lebih rendah daripada yang diperlukan untuk menyebabkan kerosakan pada sebahagian besar semikonduktor. Fenomena ini dipanggil kerosakan permukaan. Peranan utama dalam berlakunya kerosakan permukaan dimainkan oleh sifat dielektrik medium yang bersempadan dengan permukaan semikonduktor. Untuk mengurangkan kemungkinan kerosakan permukaan, salutan pelindung khas dengan pemalar dielektrik tinggi digunakan.
1.7.5. Kapasiti р–n-peralihan
Perubahan dalam voltan luaran oleh p–n-peralihan membawa kepada perubahan dalam lebar lapisan penyusutan dan, dengan itu, cas elektrik terkumpul di dalamnya (ini juga disebabkan oleh perubahan dalam kepekatan pembawa cas yang disuntik berhampiran peralihan). Berdasarkan ini p–n- persimpangan berkelakuan seperti kapasitor, kemuatannya ditakrifkan sebagai nisbah perubahan dalam terkumpul p–n-peralihan cas kepada voltan luaran yang digunakan yang menyebabkan perubahan ini.
Membezakan penghalang(atau pengecas) dan penyebaran kapasiti р-n-peralihan.
Kapasiti penghalang sepadan dengan sambungan terbalik p–n-simpang, yang dianggap sebagai kapasitor biasa, di mana plat adalah sempadan lapisan penyusutan, dan lapisan penyusutan itu sendiri berfungsi sebagai dielektrik yang tidak sempurna dengan peningkatan kehilangan dielektrik:
di manakah pemalar dielektrik relatif bahan semikonduktor; – pemalar elektrik (); S – kawasan p–n-peralihan; – lebar lapisan susut.
Kapasiti penghalang meningkat dengan peningkatan luas p–n-pemalar peralihan dan dielektrik semikonduktor dan mengurangkan lebar lapisan susutan. Bergantung pada kawasan peralihan, bar C boleh terdiri daripada beberapa hingga ratusan picofarad.
Satu ciri kemuatan penghalang ialah kemuatan tak linear. Apabila voltan terbalik meningkat, lebar simpang bertambah dan begitu juga kapasitansi. Dari bar berkurangan. Sifat ketagihan C bar = f (U arr) menunjukkan graf dalam Rajah. 1.22. Rupa-rupanya, di bawah pengaruh sampel U kapasiti Dari bar berubah beberapa kali.
Kapasiti resapan mencirikan pengumpulan pembawa caj mudah alih dalam n- Dan hlm-kawasan dengan voltan hadapan di persimpangan. Ia boleh dikatakan hanya wujud pada voltan langsung, apabila pembawa cas meresap (menyuntik) dalam kuantiti yang banyak melalui halangan potensi yang dikurangkan dan, tanpa mempunyai masa untuk bergabung semula, terkumpul dalam n- Dan hlm-wilayah. Setiap nilai voltan langsung sepadan dengan nilai tertentu dua caj bertentangan + Q pembezaan Dan -Q berbeza, terkumpul dalam n- Dan hlm-wilayah disebabkan oleh penyebaran pembawa melalui peralihan. Kapasiti Dengan pembezaan mewakili nisbah cas kepada beza keupayaan:
Dengan peningkatan U pr arus hadapan meningkat lebih cepat daripada voltan, kerana Oleh itu, ciri voltan arus untuk arus hadapan mempunyai bentuk tak linear Q berbeza berkembang lebih cepat daripada U pr Dan Dengan pembezaan bertambah.
Kapasiti resapan jauh lebih besar daripada kapasiti halangan, tetapi ia tidak boleh digunakan kerana ia ternyata dishunted dengan rintangan hadapan rendah p–n-peralihan. Anggaran berangka kemuatan resapan menunjukkan bahawa nilainya mencapai beberapa unit mikrofarad.
Oleh itu, р–n- simpang boleh digunakan sebagai kapasitor berubah-ubah,
dikawal oleh magnitud dan tanda voltan yang digunakan.
1.7.6. Sentuhan logam semikonduktor
Dalam peranti semikonduktor moden, sebagai tambahan kepada kenalan dengan p–n-peralihan menggunakan sesentuh logam semikonduktor.
Sentuhan logam semikonduktor berlaku pada titik sentuhan kristal semikonduktor n- atau r-jenis kekonduksian dengan logam. Proses yang berlaku dalam kes ini ditentukan oleh nisbah fungsi kerja elektron daripada logam dan daripada semikonduktor. Di bawah fungsi kerja elektron memahami tenaga yang diperlukan untuk memindahkan elektron dari aras Fermi ke aras tenaga elektron bebas. Lebih rendah fungsi kerja, lebih banyak elektron boleh melarikan diri dari badan tertentu.
Hasil daripada penyebaran elektron dan pengagihan semula cas, neutraliti elektrik kawasan bersebelahan antara muka terganggu, dan medan elektrik sentuhan dan beza potensi sentuhan timbul:
. (1.21)
Lapisan peralihan di mana medan elektrik sentuhan wujud pada sentuhan logam semikonduktor dipanggil Peralihan Schottky, dinamakan sempena saintis Jerman W. Schottky, yang merupakan orang pertama yang memperoleh hubungan matematik asas untuk ciri elektrik peralihan tersebut.
Medan elektrik sentuhan pada peralihan Schottky tertumpu hampir dalam semikonduktor, kerana kepekatan pembawa cas dalam logam adalah jauh lebih besar daripada kepekatan pembawa cas dalam semikonduktor. Pengagihan semula elektron dalam logam berlaku dalam lapisan yang sangat nipis setanding dengan jarak interatomik.
Bergantung pada jenis kekonduksian elektrik semikonduktor dan nisbah fungsi kerja dalam kristal, lapisan yang habis, songsang atau diperkaya dengan pembawa elektrik mungkin muncul.
1. < , полупроводник n-jenis (Rajah 1.23, a). Dalam kes ini, keluaran elektron daripada logam akan mendominasi ( M) ke dalam semikonduktor, oleh itu, pembawa majoriti (elektron) terkumpul dalam lapisan semikonduktor berhampiran antara muka, dan lapisan ini menjadi diperkaya, i.e. mempunyai kepekatan elektron yang meningkat. Rintangan lapisan ini akan menjadi kecil untuk sebarang kekutuban voltan yang digunakan, dan, oleh itu, persimpangan sedemikian tidak mempunyai sifat pembetulan. Ia dipanggil berbeza peralihan tidak membetulkan.
2. < , полупроводник hlm-jenis (Rajah 1.23, b). Dalam kes ini, pelepasan elektron daripada semikonduktor ke dalam logam akan mendominasi, manakala kawasan yang diperkaya dengan pembawa cas majoriti (lubang) dan mempunyai rintangan rendah juga terbentuk di lapisan sempadan. Peralihan ini juga tidak mempunyai sifat pembetulan.
3., semikonduktor jenis-n (Rajah 1.24, a). Di bawah keadaan sedemikian, elektron akan bergerak terutamanya dari semikonduktor ke logam, dan dalam lapisan sempadan semikonduktor kawasan akan terbentuk yang kehabisan pembawa cas utama dan mempunyai rintangan yang tinggi. Di sini halangan berpotensi yang agak tinggi dicipta, ketinggiannya akan bergantung pada kekutuban voltan yang digunakan. Jika , maka pembentukan lapisan songsang adalah mungkin ( hlm-jenis). Hubungan ini mempunyai sifat membetulkan.
4., semikonduktor hlm-jenis (Rajah 1.24, b). Hubungan yang dibentuk di bawah keadaan sedemikian mempunyai sifat pembetulan, seperti yang sebelumnya.
Ciri tersendiri hubungan logam semikonduktor ialah, tidak seperti konvensional p–n-peralihan di sini ketinggian halangan berpotensi untuk elektron dan lubang adalah berbeza. Akibatnya, kenalan sedemikian boleh menjadi tidak disuntik dalam keadaan tertentu, i.e. apabila arus terus mengalir melalui sentuhan, pembawa minoriti tidak akan disuntik ke kawasan semikonduktor, yang sangat penting untuk peranti semikonduktor frekuensi tinggi dan berdenyut.
Diod semikonduktor
Sambungan lubang elektron ialah lapisan nipis antara dua bahagian kristal semikonduktor, di mana satu bahagian mempunyai kekonduksian elektronik dan satu lagi mempunyai kekonduksian lubang.
Proses teknologi untuk mencipta persimpangan lubang elektron boleh berbeza: gabungan (diod aloi), resapan satu bahan ke bahan lain (diod resapan), pertumbuhan berorientasikan epitaksi satu kristal pada permukaan yang lain (diod epitaxial), dsb. Dengan reka bentuk, persimpangan lubang elektron boleh menjadi simetri dan tidak simetri, tajam dan licin, satah dan searah, dan lain-lain. Walau bagaimanapun, untuk semua jenis peralihan, sifat utama adalah kekonduksian elektrik tidak simetri, di mana kristal melepasi arus dalam satu arah, tetapi tidak lulus pada yang lain.
Struktur peralihan lubang elektron ditunjukkan dalam Rajah. 2.1a. Satu bahagian simpang ini didopkan dengan kekotoran penderma dan mempunyai kekonduksian elektronik (rantau-N). Bahagian lain, didop dengan kekotoran penerima, mempunyai kekonduksian lubang (rantau P). Kepekatan elektron dalam satu bahagian dan kepekatan lubang di bahagian lain adalah berbeza dengan ketara. Di samping itu, terdapat kepekatan kecil pembawa minoriti di kedua-dua bahagian.
Elektron dalam rantau N cenderung untuk menembusi ke dalam rantau P, di mana kepekatan elektron jauh lebih rendah. Begitu juga, lubang dari kawasan P bergerak ke kawasan N. Hasil daripada pergerakan balas cas bertentangan, arus resapan yang dipanggil timbul. Elektron dan lubang, setelah melintasi antara muka, meninggalkan cas bertentangan, yang menghalang laluan selanjutnya arus resapan. Akibatnya, keseimbangan dinamik diwujudkan di sempadan dan selepas penutupan N- dan kawasan-P, tiada arus mengalir dalam litar. Taburan ketumpatan cas ruang dalam peralihan ditunjukkan dalam Rajah. 2.1 b.
Dalam kes ini, medan elektrik intrinsik E intrinsik muncul di dalam kristal pada antara muka, arah yang ditunjukkan dalam Rajah. 2.1. Kekuatan medan ini adalah maksimum pada antara muka, di mana tanda caj ruang berubah secara mendadak. Pada jarak tertentu dari antara muka, tiada cas ruang dan semikonduktor adalah neutral.
Ketinggian halangan potensi di persimpangan p-n ditentukan oleh beza keupayaan sentuhan N- dan P-regions. Perbezaan potensi sentuhan, seterusnya, bergantung kepada kepekatan kekotoran di kawasan ini:
di mana j T = kT/q - potensi haba,
Nn Dan R r- kepekatan elektron dan lubang dalam kawasan n - dan p -,
n i, ialah kepekatan pembawa cas dalam semikonduktor tidak terdod.
Beza keupayaan sentuhan untuk germanium ialah 0.6... 0.7 V, dan untuk silikon - 0.9... 1.2 V. Ketinggian halangan potensi boleh diubah dengan menggunakan voltan luaran kepada p-p- peralihan. Jika voltan luaran mencipta medan di persimpangan pn yang bertepatan dengan yang dalaman, maka ketinggian halangan berpotensi meningkat dengan kekutuban terbalik voltan yang digunakan, ketinggian halangan berpotensi berkurangan.
nasi. 2.1. Persimpangan p-n tajam dan pengagihan caj ruang di dalamnya
Jika voltan yang digunakan adalah sama dengan beza keupayaan sentuhan, maka halangan potensi hilang sepenuhnya
Ciri voltan arus bagi persimpangan p-n mewakili pergantungan arus melalui persimpangan apabila nilai dan kekutuban voltan terpakai berubah padanya. Jika voltan yang digunakan mengurangkan halangan potensi, maka ia dipanggil langsung, dan jika ia meningkatkannya, ia dipanggil terbalik.
Penggunaan voltan hadapan dan belakang pada simpang pn ditunjukkan dalam Rajah. 2.2.
Arus terbalik dalam persimpangan pn disebabkan oleh pembawa minoriti di salah satu wilayah, yang, hanyut dalam medan elektrik kawasan cas angkasa, berakhir di rantau di mana mereka sudah menjadi pembawa majoriti. Oleh kerana kepekatan pembawa majoriti dengan ketara melebihi kepekatan pembawa minoriti, penampilan sejumlah kecil pembawa majoriti secara praktikal tidak akan mengubah keadaan keseimbangan semikonduktor. Oleh itu, arus songsang hanya bergantung pada bilangan pembawa minoriti yang muncul di sempadan kawasan caj angkasa. Voltan yang digunakan secara luaran menentukan kadar pembawa ini bergerak dari satu kawasan ke kawasan lain, tetapi bukan bilangan pembawa yang melalui persimpangan setiap unit masa. Akibatnya, arus terbalik melalui simpang adalah arus pengaliran dan tidak bergantung pada ketinggian halangan potensi, iaitu, ia kekal malar apabila voltan terbalik merentasi simpang berubah.
Arus ini dipanggil arus tepu dan dilambangkan
I arr = I S .
Apabila simpang pn dipincang ke hadapan, arus (resapan) muncul, disebabkan oleh penyebaran pembawa majoriti yang mengatasi halangan berpotensi.
Selepas melalui persimpangan pn, pembawa ini memasuki kawasan semikonduktor yang mana ia adalah pembawa minoriti. Dalam kes ini, kepekatan pembawa minoriti boleh meningkat dengan ketara berbanding kepekatan keseimbangan. Fenomena ini dipanggil suntikan pembawa.
Oleh itu, apabila arus terus mengalir melalui peralihan dari kawasan elektron ke kawasan lubang, suntikan elektron akan berlaku, dan suntikan lubang akan berlaku dari kawasan lubang. Arus resapan bergantung pada ketinggian halangan berpotensi dan meningkat secara eksponen apabila ia berkurangan:
di mana U- voltan di persimpangan p-n.
Rajah 2 Penggunaan voltan terbalik (a) dan hadapan (b) pada simpang p-n
Sebagai tambahan kepada arus resapan, arus hadapan mengandungi arus pengaliran yang mengalir dalam arah yang bertentangan, oleh itu jumlah arus apabila pincang ke hadapan simpang p-n akan sama dengan perbezaan antara arus resapan (2.2) dan arus pengaliran:
Persamaan (2.3) dipanggil persamaan Ebers-Moll, dan ciri voltan arus yang sepadan bagi simpang p-n ditunjukkan dalam Rajah. 2.3. Oleh kerana pada T = 300 K potensi haba j t = 25 mV, maka sudah pada U = 0.1 V kita boleh mengandaikan bahawa
Rintangan pembezaan simpang p-n boleh ditentukan menggunakan formula (2.3):
dari mana kita dapat
Jadi, sebagai contoh, pada arus I = 1A dan j T = 25 mV, rintangan pembezaan simpang ialah 25 mOhm.
Nilai voltan mengehadkan pada persimpangan p-n dengan pincang ke hadapan tidak melebihi beza keupayaan sentuhan y Kepada. Voltan terbalik dihadkan oleh pecahan simpang pn. Pecahan persimpangan pn berlaku disebabkan oleh pendaraban salji bagi pembawa minoriti dan dipanggil pecahan salji. Semasa pecahan runtuhan salji bagi simpang p-n, arus melalui simpang dihadkan hanya oleh rintangan bekalan simpang pn litar elektrik (Rajah 2.3).
Semikonduktor p-n-peralihan, mempunyai kapasitansi, yang secara amnya ditakrifkan sebagai nisbah kenaikan cas di persimpangan kepada kenaikan penurunan voltan merentasinya, i.e.
C=dq/du.
nasi. 2.3. Ciri volt-ampere bagi simpang p-n
Kapasiti simpang bergantung pada nilai dan kekutuban voltan terpakai luaran. Dengan voltan terbalik merentasi simpang, kemuatan ini dipanggil kemuatan penghalang dan ditentukan oleh formula
di mana y K ialah beza keupayaan sentuhan,
U- voltan terbalik di persimpangan,
C 6ar (0) - nilai kemuatan penghalang pada U=0, yang bergantung pada luas simpang pn dan sifat-sifat kristal semikonduktor.
Kebergantungan kapasitans penghalang pada voltan yang digunakan ditunjukkan dalam Rajah. 2.4. Secara teorinya, kapasitans penghalang juga wujud pada voltan langsung di persimpangan p-n, tetapi ia dihalang oleh pembezaan rintangan pembezaan yang rendah.
nasi. 2.4 Kebergantungan kapasitans penghalang pada voltan di persimpangan p-n
Apabila simpang p-n dipincang ke hadapan, kemuatan resapan mempunyai pengaruh yang lebih besar, yang bergantung kepada nilai arus hadapan I dan jangka hayat pembawa minoriti t r. Kapasiti ini tidak berkaitan dengan arus pincang, tetapi memberikan anjakan fasa yang sama antara voltan dan arus sebagai kapasiti biasa. Nilai kapasiti resapan boleh ditentukan oleh formula
Jumlah kapasitansi simpang di bawah pincang ke hadapan ditentukan oleh jumlah kapasitans penghalang dan resapan
Apabila persimpangan dipincang songsang, tiada kapasitansi resapan dan jumlah kapasitansi hanya terdiri daripada kapasitans penghalang.
Diod semikonduktor dipanggil peranti yang mempunyai dua terminal dan mengandungi satu (atau beberapa) simpang p-n. Semua diod semikonduktor boleh dibahagikan kepada dua kumpulan: penerus dan khas. Diod penerus, seperti namanya, direka untuk membetulkan arus ulang-alik. Bergantung pada kekerapan dan bentuk voltan berselang-seli, ia dibahagikan kepada frekuensi tinggi, frekuensi rendah dan berdenyut. Jenis khas diod semikonduktor mengeksploitasi sifat yang berbeza bagi simpang pn; fenomena kerosakan, kapasiti penghalang, kehadiran kawasan dengan rintangan negatif, dsb.
Secara berstruktur diod penerus Mereka dibahagikan kepada planar dan point, dan mengikut teknologi pembuatan kepada aloi, resapan dan epitaxial. Oleh kerana kawasan persimpangan μ-l yang besar, diod satah digunakan untuk membetulkan arus besar. Diod titik mempunyai kawasan peralihan yang kecil dan, dengan itu, direka untuk membetulkan arus kecil. Untuk meningkatkan voltan pecahan runtuhan salji, lajur penerus digunakan, yang terdiri daripada satu siri diod yang disambungkan secara bersiri.
Diod penerus kuasa tinggi dipanggil diod kuasa. Bahan untuk diod tersebut biasanya silikon atau galium arsenide. Germanium boleh dikatakan tidak digunakan kerana pergantungan suhu yang kuat dari arus terbalik. Diod aloi silikon digunakan untuk membetulkan arus ulang alik sehingga 5 kHz. Diod penyebaran silikon boleh beroperasi pada frekuensi yang lebih tinggi, sehingga 100 kHz. Diod epitaxial silikon dengan substrat logam (dengan penghalang Schottky) boleh digunakan pada frekuensi sehingga 500 kHz. Diod gallium arsenide mampu beroperasi dalam julat frekuensi sehingga beberapa MHz.
Dengan arus yang besar melalui persimpangan pn, voltan yang ketara jatuh dalam sebahagian besar semikonduktor, dan ia tidak boleh diabaikan. Dengan mengambil kira ungkapan (2.4), ciri voltan semasa diod pembetulan mengambil bentuk
di mana R- rintangan isipadu kristal semikonduktor, yang dipanggil rintangan siri.
Penamaan grafik konvensional bagi diod semikonduktor ditunjukkan dalam Rajah. 2.5 a, dan strukturnya dalam Rajah. 2.5 b. Elektrod diod U disambungkan ke kawasan tersebut R, dipanggil anod (serupa dengan diod vakum elektrik), dan elektrod disambungkan ke kawasan itu N,- katod. Ciri voltan arus statik diod ditunjukkan dalam Rajah. 2.5 V.
nasi. 2.5. Simbol diod semikonduktor (a), strukturnya (b) dan ciri voltan arus (c)
Diod kuasa biasanya dicirikan oleh satu set parameter statik dan dinamik. Parameter statik diod termasuk:
Kejatuhan voltan U np pada diod pada nilai arus hadapan tertentu;
Arus terbalik I о6р pada nilai voltan terbalik tertentu;
Nilai purata arus hadapan I pr av;
Voltan terbalik nadi U o6ri.
Parameter dinamik diod termasuk ciri masa atau frekuensinya. Parameter ini termasuk:
Voltan treverse masa pemulihan;
Masa kenaikan arus hadapan I Nar;
Hadkan kekerapan tanpa mengurangkan mod diod fmax.
Parameter statik boleh ditetapkan menggunakan ciri voltan semasa diod, yang ditunjukkan dalam Rajah. 2.5 V. Nilai biasa parameter statik diod kuasa diberikan dalam jadual. 2.1.
Jadual 2.1 Parameter statik diod penerus kuasa
Masa pemulihan terbalik diod t rev ialah parameter utama diod penerus, mencirikan sifat inersianya. Ia ditentukan apabila diod bertukar daripada arus hadapan yang diberikan I pr kepada voltan terbalik yang diberikan U o6p. Graf pensuisan tersebut ditunjukkan dalam Rajah. 26 b. Rajah ujian yang ditunjukkan dalam Rajah. 26 b, ialah penerus separuh gelombang yang beroperasi pada beban rintangan R H dan dikuasakan daripada sumber voltan bentuk segi empat tepat.
Voltan pada input litar pada masa ?=0 melonjak ke nilai positif Um. Disebabkan oleh inersia proses resapan, arus dalam diod tidak muncul serta-merta, tetapi meningkat dari semasa ke semasa. tm. Bersama-sama dengan peningkatan arus dalam diod, voltan pada diod berkurangan, yang selepas 4a P menjadi sama dengan £/ masa. Pada satu ketika dalam masa t t mod pegun ditubuhkan dalam litar, di mana arus diod i=I s ~U m /R B .
Keadaan ini berterusan sehingga masa t2, apabila kekutuban voltan bekalan diterbalikkan. Walau bagaimanapun, cas yang terkumpul di sempadan simpang ^-i mengekalkan diod dalam keadaan terbuka untuk beberapa lama, tetapi arah arus dalam diod berubah ke arah yang bertentangan. Pada asasnya, penyerapan cas berlaku pada tepi 5" (pemindahan rchm (iaitu, pelepasan kapasiti yang setara). Selepas selang masa penyerapan /,„
proses mematikan diod bermula, iaitu proses memulihkan sifat menguncinya,
Pada masa< 3 напряжение на диоде становится равным нулю, и в дальнейшем приобретает обратное значение. Процесс восстановления запирающих свойств диода продолжается до момента времени Dan, selepas itu diod menjadi terkunci. Pada masa ini, arus dalam diod menjadi sama 1^, dan voltan mencapai nilai - Um. Jadi masa t^ boleh dikira dari peralihan Ua melalui sifar sehingga arus diod mencapai nilai 1^.
Pertimbangan proses menghidupkan dan mematikan diod pembetulan menunjukkan bahawa ia bukan injap yang ideal dan, dalam keadaan tertentu, mengalir dalam arah yang bertentangan. Masa penyerapan pembawa minoriti dalam persimpangan /?-i-boleh ditentukan dengan formula
di mana x p- seumur hidup pembawa minoriti.
Masa pemulihan voltan terbalik pada diod boleh dianggarkan menggunakan ungkapan anggaran
Perlu diingatkan bahawa apabila R a =0(yang sepadan dengan operasi diod pada beban kapasitif), arus terbalik melalui diod pada masa ia dimatikan boleh berkali-kali lebih tinggi daripada arus beban dalam mod pegun.
Daripada pemeriksaan graf dalam Rajah. 2.6 a ia berikutan bahawa kehilangan kuasa dalam diod meningkat dengan mendadak apabila ia dihidupkan dan, terutamanya, apabila dimatikan. Akibatnya, kerugian dalam diod meningkat dengan peningkatan kekerapan voltan diperbetulkan. Apabila diod beroperasi pada frekuensi rendah dan bentuk harmonik voltan bekalan, tiada denyutan arus amplitud yang besar dan kerugian dalam diod berkurangan dengan ketara.
Apabila suhu badan diod berubah, parameternya berubah. Pergantungan ini mesti diambil kira semasa membangunkan peralatan. Voltan ke hadapan pada diod dan arus terbalik bergantung paling kuat pada suhu. Pekali suhu voltan (TCV) pada diod mempunyai nilai negatif, kerana apabila suhu meningkat, voltan pada diod berkurangan. Lebih kurang boleh diandaikan bahawa TKN U naik =-2mB/K.
Arus balikan diod bergantung lebih kuat pada suhu kes dan mempunyai pekali positif. Oleh itu, dengan peningkatan suhu bagi setiap 10°C, arus balikan diod germanium meningkat sebanyak 2 kali ganda, dan diod silikon sebanyak 2.5 kali ganda.
Kerugian dalam diod penerus boleh dikira menggunakan formula
di mana P 11р - kerugian dalam diod dalam arah hadapan arus, R^- kerugian dalam diod dengan arus terbalik, R, k- kerugian dalam diod pada peringkat pemulihan terbalik.
nasi. 2 6 Graf proses membuka kunci dan mengunci diod (a) dan litar ujian (b)
Anggaran nilai kerugian hadapan boleh dikira menggunakan formula
di mana /„pep dan (/„pq, ialah nilai purata arus hadapan dan voltan hadapan pada diod. Begitu juga, anda boleh mengira kehilangan kuasa dengan arus songsang:
Dan akhirnya, kerugian pada peringkat pemulihan terbalik ditentukan oleh formula
di mana /" ialah kekerapan voltan ulang-alik.
Selepas mengira kehilangan kuasa dalam diod, suhu badan diod harus ditentukan menggunakan formula
di mana G pmax = 150°C ialah suhu maksimum yang dibenarkan bagi hablur diod, RnK- rintangan haba badan simpang-diod (diberikan dalam data rujukan untuk diod), G hingga maks - suhu maksimum badan diod yang dibenarkan.
Diod penghalang Schottky Untuk membetulkan voltan frekuensi tinggi yang rendah, diod penghalang Schottky (SBD) digunakan secara meluas. Diod ini menggunakan sentuhan logam ke semikonduktor dan bukannya persimpangan p. Pada titik sentuhan, lapisan semikonduktor kehabisan pembawa cas muncul, yang dipanggil lapisan gerbang. Diod dengan penghalang Schottky berbeza daripada diod dengan persimpangan p-n dalam parameter berikut:
Kejatuhan voltan hadapan yang lebih rendah;
Mempunyai voltan terbalik yang lebih rendah;
Arus kebocoran yang lebih tinggi;
Hampir tiada caj pemulihan terbalik.
Dua ciri utama menjadikan diod ini amat diperlukan dalam reka bentuk penerus voltan rendah, frekuensi tinggi: penurunan voltan ke hadapan rendah dan masa pemulihan voltan belakang rendah. Di samping itu, ketiadaan pembawa minoriti yang memerlukan masa pemulihan terbalik bermakna tiada kehilangan pensuisan secara fizikal pada diod itu sendiri.
Dalam diod penghalang Schottky, penurunan voltan hadapan adalah fungsi voltan terbalik. Voltan maksimum diod Schottky moden ialah kira-kira 150V. Pada voltan ini, voltan hadapan DS adalah 0.2...0.3V kurang daripada voltan hadapan diod dengan persimpangan p.
Kelebihan diod Schottky menjadi amat ketara apabila membetulkan voltan rendah. Sebagai contoh, diod Schottky 45 volt mempunyai voltan hadapan 0.4...0.6V, dan pada arus yang sama, diod dengan persimpangan // mempunyai penurunan voltan 0.5...1.0V. Apabila voltan terbalik menurun kepada 15V, voltan hadapan berkurangan kepada 0.3...0.4V. Secara purata, penggunaan diod Schottky dalam penerus boleh mengurangkan kerugian kira-kira 10...15%. Kekerapan operasi maksimum DS melebihi 200 kHz pada arus sehingga 30 A.
Maklumat berkaitan.
