Gerçek yarı iletken cihazlarda bir pn bağlantısı kullanıldığında, ona harici bir voltaj uygulanabilir. Bu voltajın büyüklüğü ve polaritesi, bağlantı noktasının davranışını ve içinden geçen elektrik akımını belirler. Güç kaynağının pozitif kutbu bağlıysa P-bölge ve negatif – için N-alan, ardından açılıyor p-n-geçişe doğrudan geçiş denir. Belirtilen polariteyi değiştirirken açma p-n-geçişe ters denir.
Doğrudan bağlandığında p-n-geçiş, harici voltaj, bağlantı noktasında iç difüzyon alanına ters yönde bir alan oluşturur, Şekil 2. Ortaya çıkan alanın gücü azalır ve buna blokaj katmanının daralması eşlik eder. Sonuç olarak, çok sayıda çoğunluk yük taşıyıcısı komşu bölgeye dağınık bir şekilde hareket edebilmektedir (geçiş sınırlarında görünen azınlık taşıyıcılarının sayısına bağlı olduğundan sürüklenme akımı değişmez), yani. sonuçta ortaya çıkan bir akım, esas olarak difüzyon bileşeni tarafından belirlenen bağlantıdan akacaktır. Difüzyon akımı potansiyel bariyerin yüksekliğine bağlıdır ve azaldıkça katlanarak artar.
Yük taşıyıcılarının bağlantı boyunca artan difüzyonu, bölgedeki deliklerin konsantrasyonunda bir artışa yol açar N-Bölgedeki tip ve elektronlar P-tip. Bağlantı noktasına uygulanan harici voltajın etkisiyle azınlık taşıyıcı konsantrasyonundaki bu artışa azınlık taşıyıcı enjeksiyonu adı verilir. Dengesiz azınlık taşıyıcıları yarı iletkenin derinliklerine yayılır ve elektriksel nötrlüğünü bozar. Yarı iletkenin nötr durumunun restorasyonu, yük taşıyıcılarının harici bir kaynaktan gelmesi nedeniyle oluşur. Direkt olarak adlandırılan harici devrede akımın oluşmasının nedeni budur.
Açıldığında p-n- Ters yönde geçiş, harici ters voltaj, difüzyonla aynı doğrultuda bir elektrik alanı yaratır, bu da potansiyel bariyerde bir artışa ve engelleme katmanının genişliğinde bir artışa yol açar, Şekil 3. Bütün bunlar, çoğunluk taşıyıcılarının difüzyon akımları. Ana akım olmayan medya için, alan p-n- kavşak hızlanmaya devam eder ve bu nedenle sürüklenme akımı değişmez.
Böylece, esas olarak azınlık taşıyıcı sürüklenme akımı tarafından belirlenen, bağlantıdan ortaya çıkan bir akım akacaktır. Sürüklenen azınlık taşıyıcılarının sayısı uygulanan gerilime bağlı olmadığından (sadece hızlarını etkiler), ters gerilim arttıkça bağlantı noktasından geçen akım sınırlayıcı değere doğru yönelir. BEN S buna doyma akımı denir. Donör ve alıcı safsızlıklarının konsantrasyonu ne kadar yüksek olursa, doyma akımı o kadar düşük olur ve sıcaklığın artmasıyla doyma akımı katlanarak artar.
1.3. P-n bağlantısının akım-gerilim karakteristiği
Akımın bağımlılığı p-n- kendisine uygulanan voltajdan geçiş BEN = F(sen) akım-gerilim karakteristiği denir p-n-geçiş, Şekil 4.
Elektron-delik geçişinin akım-gerilim karakteristiği denklemle tanımlanır. Ebers-Moll:
, (1)
Nerede BEN– gerilimdeki bağlantı noktasından geçen akım sen;
BEN S– azınlık yük taşıyıcıları tarafından oluşturulan doyma akımı. BEN S azınlık taşıyıcılarının konsantrasyonu sıcaklığa bağlı olduğundan termal akım olarak da adlandırılır;
Q e– elektron yükü;
k– Boltzmann sabiti;
T– mutlak sıcaklık;
– geçiş sıcaklığı potansiyeli, oda sıcaklığında yaklaşık olarak 0,025 V = 25 mV'ye eşittir.
Eğer р-n- geçiş ileri yönde açılır, voltaj sen tam tersi ise artı işaretiyle alın - eksi işaretiyle.
Doğrudan uygulanan voltajla 
terime kıyasla biri ihmal edilebilir 
ve akım-gerilim karakteristiği tamamen üstel bir karaktere sahip olacaktır.
Ters (negatif) voltajlı 
terim 
birliğe kıyasla ihmal edilebilir ve akımın eşit olduğu ortaya çıkar 
.
Ancak Denk. Ebers-Moll yarı iletkenlerde meydana gelen bir dizi fiziksel işlemi hesaba katmadığı için yaklaşık olarak gerçek akım-gerilim özellikleriyle örtüşür. Bu tür süreçler şunları içerir: blokaj katmanındaki taşıyıcıların üretimi ve rekombinasyonu, yüzey kaçak akımları, nötr bölgelerin direnci boyunca voltaj düşüşü, termal, çığ ve tünel arızaları olgusu.
Bağlantıdan akan akım önemsizse, nötr bölgelerin direnci üzerindeki voltaj düşüşü ihmal edilebilir. Ancak akım arttıkça bu prosesin cihazın akım-gerilim karakteristiği üzerinde giderek daha büyük bir etkisi olur. bariyer katmanındaki voltaj kontak potansiyeli farkına eşit olduğunda gerçek karakteristiği daha küçük bir açıyla gider ve düz bir çizgiye dönüşür.
Belirli bir ters voltajda ters akımda keskin bir artış gözlenir. Bu olguya geçiş dökümü denir. Üç tür arıza vardır: tünel, çığ ve termal. Tünel ve çığ arızaları elektriksel arıza türleridir ve kavşaktaki elektrik alan kuvvetinin artmasıyla ilişkilidir. Termal bozulma, bağlantı noktasının aşırı ısınmasıyla belirlenir.
Tünel etkisi (Zener etkisi), değerlik elektronlarının bir yarı iletkenden diğerine (zaten serbest yük taşıyıcıları olacakları) doğrudan geçişinden oluşur ve bu, geçiş sırasında yüksek bir elektrik alan kuvvetinde mümkün olur. Bağlantı noktasında bu kadar yüksek bir elektrik alan kuvveti, yabancı maddelerin yüksek konsantrasyonunda elde edilebilir. P- Ve N-Geçiş kalınlığının çok küçük olduğu alanlar.
Geniş p-n Orta veya düşük konsantrasyonda yabancı madde içeren yarı iletkenlerin oluşturduğu bağlantılarda, elektronların tünelden sızma olasılığı azalır ve çığ düşmesi olasılığı artar.
Çığ kırılması, bir yarı iletkendeki bir elektronun ortalama serbest yolunun bağlantının kalınlığından önemli ölçüde daha az olması durumunda meydana gelir. Serbest yolları sırasında elektronlar geçişteki atomları iyonize etmeye yetecek kinetik enerjiyi biriktirirse, yük taşıyıcılarının çığ gibi çoğalmasıyla birlikte darbe iyonizasyonu meydana gelir. Darbe iyonlaşması sonucu oluşan serbest yük taşıyıcıları ters geçiş akımını arttırır.
Termal bozulma, yük taşıyıcıların sayısındaki önemli artıştan kaynaklanır. p-n-termal rejimin ihlali nedeniyle geçiş. Bağlantı noktasına sağlanan güç P varış = BEN varış. sen atık onu ısıtmak için harcanır. Bariyer tabakasında açığa çıkan ısı, esas olarak kristal kafesin termal iletkenliği nedeniyle giderilir. Bağlantı noktasından ısının uzaklaştırılması için kötü koşullar altında ve bağlantı noktasındaki ters voltaj kritik bir değerin üzerine çıktığında, onu atomların termal iyonizasyonunun meydana geldiği bir sıcaklığa kadar ısıtmak mümkündür. Bu durumda oluşan yük taşıyıcıları, bağlantı noktası boyunca ters akımı arttırır, bu da daha fazla ısınmasına neden olur. Böyle artan bir sürecin sonucu olarak geçiş kabul edilemeyecek derecede ısınır ve kristalin tahrip edilmesiyle karakterize edilen termal bir bozulma meydana gelir.
Bağlantı noktası ısıtıldığında yük taşıyıcılarının sayısındaki artış, direncinde ve bunun üzerinde üretilen voltajda bir azalmaya yol açar. Sonuç olarak, termal arıza sırasında akım-gerilim karakteristiğinin ters dalında negatif diferansiyel dirençli bir bölüm belirir.
-bu, tek bir kristalde elektron ve delik iletim yüzeylerini ayıran bölgedir.
Elektron-delik bağlantısı, elektronik ve delik iletkenliği bölgeleri arasında oldukça keskin bir sınırın elde edildiği tek bir kristalde yapılır.
Şekil bir yarı iletkenin iki bitişik bölgesini göstermektedir; bunlardan biri donör safsızlığı (elektronik bölgesi, yani n-iletkenlik) ve diğeri bir alıcı safsızlığı (delik iletkenliği bölgesi, yani p-iletkenlik) içerir. ). Bunun veya bu tür yarı iletkenin nasıl oluştuğunu anlamak için makaleyi okumanızı öneririz -Safsızlık yarı iletkenleri.
Uygulanan voltajın yokluğunda çoğunluk yük taşıyıcılarının bir bölgeden diğerine difüzyonu gözlenir. Elektronlar ana yük taşıyıcıları olduğundan ve n bölgesinde konsantrasyonları daha büyük olduğundan, p-bölgesine yayılırlar ve bu bölgenin sınır katmanını negatif olarak yüklerler. Ancak elektronlar yerlerini terk ederek boş yerler - delikler oluşturur, böylece n-bölgesinin sınır katmanını pozitif olarak yükler. Böylece oldukça kısa bir süre sonra arayüzün her iki tarafında zıt işaretli uzay yükleri oluşur.
Uzay yüklerinin yarattığı elektrik alanı, deliklerin ve elektronların daha fazla yayılmasını önler. Sözde bir şey var potansiyel bariyer yüksekliği sınır tabakasındaki potansiyel farkla karakterize edilir.
Elektron-delik bağlantısı, dış tasarımında yarı iletken bir diyot şeklinde uygulanmıştır.
Kaynağın negatif kutbu elektronik iletkenliğin olduğu bölgeye, pozitif kutbu ise delik iletkenliği olan bölgeye bağlanacak şekilde elektron-delik birleşim noktasına harici bir voltaj uygulanırsa voltajın yönü değişir. harici kaynak, p-n ekleminin elektrik alanına zıt işaretli olacaktır, bu da p-n ekleminden geçen akımın artmasına neden olacaktır. ortaya çıkacakdoğru akım,ana yük taşıyıcılarının hareketinden kaynaklanacak olan, bizim durumumuzda bu, deliklerin p bölgesinden n bölgesine, elektronların ise n bölgesinden p'ye hareketidir. Deliklerin elektronların hareketine ters yönde hareket ettiğini, dolayısıyla akımın aslında tek yönde aktığını bilmelisiniz. Bu bağlantıya denirdoğrudan. Akım-gerilim karakteristiğinde böyle bir bağlantı, grafiğin ilk çeyrekteki kısmına karşılık gelecektir.
Ancak p-n bağlantısına uygulanan voltajın polaritesini tersine değiştirirseniz, sınır katmanındaki elektronlar arayüzden kaynağın pozitif kutbuna ve delikler negatife doğru hareket etmeye başlayacaktır. Sonuç olarak, serbest elektronlar ve delikler sınır katmanından uzaklaşacak ve böylece pratikte hiçbir yük taşıyıcısının bulunmadığı bir katman oluşacaktır. Sonuç olarak pn eklemindeki akım onbinlerce kez azalır; yaklaşık olarak sıfıra eşit olduğu düşünülebilir. ortaya çıkar ters akım Ana yük taşıyıcıları tarafından oluşturulmayan bu bağlantıya denir. tersi. Akım-gerilim karakteristiğinde böyle bir bağlantı, grafiğin üçüncü çeyrekteki kısmına karşılık gelecektir.
Akım-gerilim karakteristiği
Bir elektron-delik bağlantısını doğrudan bağlarken, artan voltajla birlikte akım da artar. Ters bağlandığında akım, doyma akımı adı verilen I us değerine ulaşır.Tekrar açarken voltajı artırmaya devam ederseniz diyotta arıza meydana gelebilir. Bu özellik aynı zamanda çeşitli zener diyotlarda vb. de kullanılır.
Pn bağlantılarının özellikleri elektronikte, yani diyotlarda, transistörlerde ve diğer yarı iletkenlerde yaygın olarak kullanılmaktadır.
p-n (pe-en) kavşağı, iki p ve n tipi yarı iletkenin kavşağında, bir iletkenlik türünden diğerine geçişin meydana geldiği bir uzay bölgesidir; böyle bir geçişe elektron-delik geçişi de denir.
İki tür yarı iletken vardır: p ve n türleri. N tipinde ana yük taşıyıcıları elektronlar ve p - tipinde ana olanlar pozitif yüklüdür delikler. Bir atomdan bir elektron çıkarıldıktan sonra pozitif bir delik ortaya çıkar ve onun yerine pozitif bir delik oluşur.
Bir p-n bağlantısının nasıl çalıştığını anlamak için, onun bileşenlerini, yani p tipi ve n tipi yarı iletkenleri incelemeniz gerekir.
P ve n tipi yarı iletkenler, çok yüksek saflık derecesine sahip olan monokristalin silikon temelinde yapılır, bu nedenle en ufak yabancı maddeler (% 0,001'den az) elektriksel özelliklerini önemli ölçüde değiştirir.
N-tipi bir yarı iletkende ana yük taşıyıcıları elektronlar . Bunları elde etmek için kullanıyorlar donör safsızlıkları, silikonun içine sokulan,- fosfor, antimon, arsenik.
P tipi bir yarı iletkende ana yük taşıyıcıları pozitif yüklüdür delikler . Bunları elde etmek için kullanıyorlar alıcı safsızlıkları — alüminyum, bor
Yarı iletken n - tipi (elektronik iletkenlik)
Bir safsızlık fosfor atomu genellikle kristal kafesin bölgelerinde ana atomun yerini alır. Bu durumda, fosfor atomunun dört değerlik elektronu, komşu dört silikon atomunun dört değerlik elektronuyla temasa geçerek sekiz elektrondan oluşan kararlı bir kabuk oluşturur. Fosfor atomunun beşinci değerlik elektronu, atomuna zayıf bir şekilde bağlanmıştır ve dış kuvvetlerin (kafesin termal titreşimleri, dış elektrik alanı) etkisi altında kolayca serbest hale gelir ve yaratılır. serbest elektron konsantrasyonunun artması . Kristal elektronik veya n-tipi iletkenlik kazanır . Bu durumda, elektron içermeyen fosfor atomu, pozitif yük ile silikon kristal kafesine sıkı bir şekilde bağlanmıştır ve elektron, hareketli bir negatif yüktür. Dış kuvvetlerin yokluğunda birbirlerini telafi ederler, yani silikonda n tipiserbest iletken elektronların sayısı belirlenir eklenen donör safsızlık atomlarının sayısı.
Yarı iletken p - tipi (delik iletkenliği)
Yalnızca üç değerlik elektronuna sahip olan bir alüminyum atomu, komşu silikon atomlarıyla bağımsız olarak stabil bir sekiz elektronlu kabuk oluşturamaz, çünkü bunun için yakındaki silikon atomlarından birinden alması gereken başka bir elektrona ihtiyacı vardır. Elektronsuz bir silikon atomu pozitif bir yüke sahiptir ve komşu bir silikon atomundan bir elektron yakalayabildiğinden, kristal kafesle ilişkili olmayan, delik adı verilen hareketli bir pozitif yük olarak düşünülebilir. Bir elektronu yakalayan bir alüminyum atomu, kristal kafesine sıkı bir şekilde bağlı, negatif yüklü bir merkez haline gelir. Böyle bir yarı iletkenin elektriksel iletkenliği deliklerin hareketinden kaynaklanır, bu yüzden buna p tipi delik yarı iletken denir. Delik konsantrasyonu, eklenen alıcı safsızlık atomlarının sayısına karşılık gelir.
Elektriksel geçişler
Elektriksel geçiş Bir yarıiletkende, fiziksel özelliklerinde önemli fiziksel farklılıklar bulunan iki bölge arasındaki sınır tabakasına denir.
Aşağıdaki elektriksel geçiş türleri ayırt edilir:
§ elektron deliği, veya p-n bağlantısı- farklı elektriksel iletkenlik türlerine sahip bir yarı iletkenin iki bölgesi arasındaki geçiş;
§ Biri metal, diğeri yarı iletken ise iki bölge arasındaki geçişler P- veya N- tip ( metal-yarı iletken geçişi);
§ safsızlık konsantrasyonu farklı olan, aynı tür elektrik iletkenliğine sahip iki alan arasındaki geçişler;
§ farklı bant aralıklarına sahip iki yarı iletken malzeme arasındaki geçişler ( heteroeklemler).
Bir dizi yarı iletken cihazın (diyotlar, transistörler, tristörler vb.) çalışması, farklı iletkenlik türlerine sahip yarı iletkenler arasındaki temasta ortaya çıkan olaylara dayanmaktadır.
Bir yarı iletken tek kristalin iki bölgesi arasındaki sınır; bunlardan biri bu tipte elektrik iletkenliğine sahiptir. P ve diğeri şöyle N elektron deliği geçişi denir. Ana yük taşıyıcılarının bölgelerdeki konsantrasyonları P Ve N eşit veya önemli ölçüde farklı olabilir. P-n-Deliklerin ve elektronların konsantrasyonlarının neredeyse N p N n'ye eşit olduğu geçişe simetrik denir. Ana yük taşıyıcılarının konsantrasyonları farklıysa (N p >> N n veya N p<< N n) и отличаются в 100…1000 раз, то такие переходы называют asimetrik.
Asimetrik p–n-Geçişler simetrik olanlardan daha yaygın olarak kullanıldığı için gelecekte sadece onları ele alacağız.
Bir yandan, bir alıcı safsızlığının ortaya çıktığı, bu da ortaya çıkmasına neden olan yarı iletken tek kristali (Şekil 1.12) ele alalım.
elektriksel iletkenlik tipi P ve diğer yandan, orada tipte elektriksel iletkenliğin ortaya çıkması nedeniyle bir donör safsızlığı ortaya çıktı N. Bölgedeki her mobil pozitif yük taşıyıcısı P(delik), kristal kafesin bir düğümünde ve bölgede bulunan, bir alıcı safsızlığının negatif yüklü iyonuna karşılık gelir, ancak hareketsizdir. N Her serbest elektron, donör safsızlığının pozitif yüklü bir iyonuna karşılık gelir, bunun sonucunda tek kristalin tamamı elektriksel olarak nötr kalır.
Konsantrasyon gradyanının etkisi altında serbest elektrik yük taşıyıcıları, yüksek konsantrasyonlu yerlerden daha düşük konsantrasyonlu yerlere doğru hareket etmeye başlar. Böylece delikler alandan dağılacaktır. P bölgeye N ve elektronlar ise tam tersine bölgedendir N bölgeye P. Birbirine doğru yönlendirilen elektrik yüklerinin bu hareketi bir difüzyon akımı oluşturur. p–n-geçiş. Ama delik alanın dışına çıkar çıkmaz P bölgeye taşınacak N kendisini bölgedeki elektrik yüklerinin ana taşıyıcıları olan elektronlarla çevrili bulur. N. Bu nedenle, bir elektronun serbest seviyeyi doldurması ve bir rekombinasyon olgusunun meydana gelmesi olasılığı yüksektir, bunun sonucunda ne bir delik ne de bir elektron kalır, ancak elektriksel olarak nötr bir yarı iletken atom kalır. Ancak daha önce her deliğin pozitif elektrik yükü, bölgedeki alıcı safsızlık iyonunun negatif yüküyle telafi edilseydi P ve elektron yükü bölgedeki donör safsızlık iyonunun pozitif yüküdür N daha sonra bir deliğin ve bir elektronun rekombinasyonundan sonra, bu deliği ve elektronu oluşturan hareketsiz safsızlık iyonlarının elektrik yükleri telafi edilmeden kaldı. Ve her şeyden önce, safsızlık iyonlarının telafi edilmemiş yükleri, dar bir boşlukla ayrılmış bir uzay yükleri katmanının oluşturulduğu arayüzün yakınında kendilerini gösterir (Şekil 1.13). Bu yükler arasında yoğunlukta bir elektrik alanı ortaya çıkar. e potansiyel bariyer alanı olarak adlandırılan ve bu alanı belirleyen iki bölge arasındaki arayüzdeki potansiyel farkına temas potansiyeli farkı denir.
Bu elektrik alanı, elektrik yüklerinin mobil taşıyıcılarına etki etmeye başlar. Yani bölgedeki delikler P- bu alanın etki alanına giren ana taşıyıcılar, bundan engelleyici, itici bir etki yaşarlar ve bu alanın kuvvet çizgileri boyunca hareket ederek alanın daha derinlerine itilirler. P. Benzer şekilde bölgedeki elektronlar N Potansiyel bariyer alanı aralığına düşen, bu alan tarafından alanın daha derinlerine itilecektir. N. Böylece potansiyel bariyer alanının faaliyet gösterdiği dar bir bölgede, pratikte serbest elektrik yükü taşıyıcılarının bulunmadığı ve bunun sonucunda yüksek dirence sahip bir katman oluşur. Bu sözde bariyer katmanıdır.
Bölgede ise P Bu bölge için azınlık taşıyıcısı olan serbest elektron bir şekilde arayüzeyin yakınına gelirse, potansiyel bariyerin elektrik alanından hızlandırıcı bir etki yaşayacak ve bunun sonucunda bu elektron arayüze doğru fırlatılacaktır. bölgeye N, ana taşıyıcı olacağı yer. Benzer şekilde, eğer bölgede N Azınlık taşıyıcısı (delik) ortaya çıkarsa, potansiyel bariyer alanının etkisi altında bölgeye atılacaktır. P, zaten ana taşıyıcı olacak. Azınlık Medyasının Hareketi p–n- potansiyel bariyerin elektrik alanının etkisi altındaki geçiş, sürüklenme akımı bileşenini belirler.
Harici bir elektrik alanının yokluğunda, çoğunluk ve azınlık elektrik yükü taşıyıcılarının akışları arasında dinamik bir denge kurulur. Yani akımın difüzyon ve sürüklenme bileşenleri arasında p–n-geçiş, çünkü bu bileşenler birbirine doğru yönlendirilmiştir.
Potansiyel diyagramı p–n-geçiş Şekil 2'de gösterilmektedir. 1.13 ve bölgeler arasındaki arayüzdeki potansiyel sıfır potansiyel olarak alınmıştır. Temas potansiyeli farkı, arayüzde yüksekliğe sahip bir potansiyel bariyer oluşturur. Diyagram, difüzyon nedeniyle (bölgeden) sağdan sola hareket etme eğiliminde olan elektronlar için potansiyel bir bariyeri göstermektedir. N bölgeye P). Pozitif potansiyeli yukarı doğru hareket ettirirsek soldan sağa (bölgeden) yayılan delikler için potansiyel bariyerin görüntüsünü elde edebiliriz. P bölgeye N).
Harici bir elektrik alanının yokluğunda ve dinamik denge durumunda, yarı iletken kristalin her iki iletim bölgesinde tek bir Fermi seviyesi oluşturulur.
Ancak yarı iletkenlerde P-tip Fermi seviyesi
değerlik bandının tepesine doğru kayar ve yarı iletkenlerde N-tip -
İletim bandının altına, ardından genişliğe p–n-geçiş, enerji bandı diyagramı (Şekil 1.14) bükülür ve potansiyel bir bariyer oluşur:
bölgedeki elektronun aşması gereken enerji bariyeri nerede N o bölgeye gidebilsin diye P veya benzer şekilde bölgedeki bir delik için P böylece bölgeye taşınabilir N .
Potansiyel bariyerin yüksekliği safsızlıkların konsantrasyonuna bağlıdır, çünkü değiştiğinde Fermi seviyesi değişir ve bant aralığının ortasından üst veya alt sınırına kayar.
1.7.2. P-n kavşağının kapı özelliği
P-n-bağlantı, içinden geçen akımın yönüne bağlı olarak elektrik direncini değiştirme özelliğine sahiptir. Bu özelliğe denir vana ve bu özelliğe sahip bir cihaza denir elektrikli vana.
düşünelim p–n- harici bir voltaj kaynağının (Uin) Şekil 2'de gösterilen polariteye bağlandığı bağlantı. 1.15, alana “+” P- alana “–” yazın N-tip. Bu bağlantıya denir doğrudan bağlantı p–n-geçiş (veya p-n bağlantısının doğrudan sapması). Daha sonra dış kaynağın elektrik alan kuvveti e Vn, potansiyel bariyerin alan gücüne doğru yönlendirilecektir. e ve dolayısıyla ortaya çıkan gerilimin azalmasına yol açacaktır e res:
E kesim = E - E inç , (1.14).
Bu da potansiyel bariyerin yüksekliğinde bir azalmaya ve ara yüzey boyunca bitişik bölgeye yayılan ve ileri akım olarak adlandırılan çoğunluk taşıyıcıların sayısında bir artışa yol açacaktır. p–n-geçiş. Bu durumda potansiyel bariyer alanının ana taşıyıcılar üzerindeki engelleyici, itici etkisinin azalması nedeniyle engelleme katmanının genişliği azalır ( '< ) и, соответственно, уменьшается его сопротивление.
Harici voltaj arttıkça ileri akım p–n-geçiş artar. Ara yüzeyi geçtikten sonra çoğunluk taşıyıcıları, yarı iletkenin karşıt bölgesinde azınlık taşıyıcıları haline gelir ve daha derinlere inerek bu bölgenin çoğunluk taşıyıcıları ile yeniden birleşir. Ancak harici bir kaynak bağlı olduğu sürece bağlantı noktasından geçen akım, dış devreden elektronların sürekli akışıyla korunur. N-bölge ve ayrılışları P-dış devredeki deliklerin yoğunlaşması nedeniyle alanlar P-bölgeler
Yük taşıyıcıların tanıtılması p–n- Potansiyel engelin yüksekliğinin yarı iletkenin bu taşıyıcıların azınlıkta olduğu bölgeye azalmasına geçiş denir. şarj taşıyıcı enjeksiyonu.
Delik bölgesinden doğru akım aktığında R elektronik bölgeye N delikler enjekte edilir ve elektronlar, elektron bölgesinden delik bölgesine enjekte edilir.
Nispeten düşük dirençli bir enjeksiyon katmanına denir yayıcı; azınlık yük taşıyıcılarının enjeksiyonunun gerçekleştiği katman - temel.
Şek. Şekil 1.16 ileri eğilime karşılık gelen enerji bant diyagramını göstermektedir p–n-geçiş.
eğer için р-n- bağlantı noktasına "-" zıt kutuplu bir harici kaynak bağlayın P- alana “+” yazın N-tipi (Şekil 1.17), o zaman böyle bir bağlantı denir p-n bağlantısının ters anahtarlanması(veya p-n bağlantısının ters eğilimi).
Bu durumda bu kaynağın elektrik alan şiddeti e vn, elektrik alan şiddetiyle aynı yönde yönlendirilecektir e potansiyel bariyer; potansiyel bariyerin yüksekliği artar ve çoğunluk taşıyıcılarının difüzyon akımı pratikte sıfıra eşit olur. Artan frenleme nedeniyle, toplam elektrik alanının ana yük taşıyıcıları üzerindeki itici etkisi nedeniyle, engelleme katmanının genişliği artar (>) ve direnci keskin bir şekilde artar.
Şimdi bitti р-n-geçiş, toplam elektrik alanının, esas olarak termal nitelikte olmak üzere çeşitli iyonlaştırıcı faktörlerin etkisi altında ortaya çıkan ana taşıyıcıların arayüzünde aktarılması nedeniyle çok küçük bir akım akacaktır. Azınlık ücreti taşıyıcılarının devredilmesi sürecine denir ekstraksiyon. Bu akımın sürüklenme doğası vardır ve denir p-n bağlantısının ters akımı.
Şek. Şekil 1.18 ters polarmaya karşılık gelen enerji bant diyagramını göstermektedir p–n- geçiş.
Sonuçlar:
1. P-n- geçiş sınırda oluşuyor P- Ve N-yarı iletken tek kristalde oluşturulan bölgeler.
2. Difüzyonun bir sonucu olarak p–n-geçiş, bir elektrik alanı ortaya çıkar - komşu alanlardaki ana yük taşıyıcılarının konsantrasyonlarının eşitlenmesini önleyen potansiyel bir bariyer.
3. Harici voltajın yokluğunda sen vn v p–n-geçiş, dinamik denge kurulur: difüzyon akımı, azınlık yük taşıyıcıları tarafından oluşturulan sürüklenme akımına eşit büyüklükte olur, bu da içinden geçen bir akımla sonuçlanır. p–n-geçiş sıfır olur.
4. İleriye dönük önyargılı p–n-geçişte potansiyel bariyer azalır ve bağlantıdan nispeten büyük bir difüzyon akımı akar.
5. Ters taraflı olduğunda p–n-geçiş, potansiyel bariyer artar, difüzyon akımı sıfıra düşer ve kavşaktan küçük bir sürüklenme akımı akar. Bu şunu gösteriyor p–n- bağlantı noktası tek yönlü iletkenliğe sahiptir. Bu özellik, alternatif akımları düzeltmek için yaygın olarak kullanılır.
6. Genişlik p–n-Geçiş şunlara bağlıdır: içindeki safsızlık konsantrasyonlarına P- Ve N-bölgeler, uygulanan harici voltajın işareti ve büyüklüğüne göre sen dahili Safsızlıkların konsantrasyonu arttıkça genişlik p–n-geçiş azalır ve bunun tersi de geçerlidir. İleri voltajın artmasıyla genişlik p–n-geçiş azalır. Ters voltaj arttıkça genişlik p–n-geçiş artar.
1.7.3. P-n bağlantısının volt-amper karakteristiği
Akım-gerilim karakteristiği p–n-geçiş, akıma bağımlılıktır p–n- kendisine uygulanan voltajın büyüklüğünden geçiş. Tükenme katmanının dışında herhangi bir elektrik alanının olmadığı varsayımına dayanarak hesaplanır, yani. tüm voltaj uygulanır p–n- geçiş. Toplam akım p–n-Geçiş dört terimin toplamı ile belirlenir:
elektron sürüklenme akımı nerede;
Delik sürüklenme akımı;
Elektron difüzyon akımı;
Delik difüzyon akımı; enjekte edilen elektronların konsantrasyonu R- bölge;
Enjekte edilen deliklerin konsantrasyonu N- bölge.
Aynı zamanda azınlık taşıyıcılarının konsantrasyonları n p0 Ve p n0 yabancı maddelerin konsantrasyonuna bağlıdır Np Ve Hayır aşağıdaki gibi:
Nerede n ben, ben sırasıyla elektronların ve deliklerin yük taşıyıcılarının (katkısız) içsel konsantrasyonlarıdır.
Taşıyıcı yayılma hızı υ n, p fark hızlarına yakın sürüklenmelerine izin verilebilir υ n, p dr denge koşullarından küçük sapmalara sahip zayıf bir elektrik alanında. Bu durumda denge koşulları için aşağıdaki eşitlikler sağlanır:
υp fark = υ p dr = υ p , υ n fark = υn dr = vn.
O halde (1.15) ifadesi şu şekilde yazılabilir:
, (1.16).
Ters akım şu şekilde ifade edilebilir:
Nerede Dn,p– deliklerin veya elektronların difüzyon katsayısı;
Ln,p– deliklerin veya elektronların difüzyon uzunluğu. Parametrelerden beri Dn,p , p n0 , n p0 , Ln , P = sıcaklığa bağlı olarak ters akıma daha çok denir termal akım.
Harici bir kaynaktan gelen doğrudan voltajla ( sen vn > 0) (1.16) ifadesindeki üstel terim hızla artar, bu da daha önce belirtildiği gibi esas olarak difüzyon bileşeni tarafından belirlenen ileri akımda hızlı bir artışa yol açar.
Harici kaynaktan ters voltaj ile
() üstel terim birden çok daha azdır ve mevcut р-n-Geçiş, esas olarak sürüklenme bileşeni tarafından belirlenen ters akıma neredeyse eşittir. Bu bağımlılığın şekli Şekil 2'de gösterilmektedir. 1.19. Birinci kadran, akım-gerilim karakteristiğinin ileri dalının bölümüne karşılık gelir ve üçüncü kadran, ters dalına karşılık gelir. İleri gerilim arttıkça akım р-n-ileri yönde geçiş başlangıçta nispeten yavaş bir şekilde artar ve daha sonra ileri akımda hızlı bir artış bölümü başlar, bu da yarı iletken yapının ilave ısınmasına yol açar. Bu durumda üretilen ısı miktarı, yarı iletken kristalden doğal olarak veya yardımıyla uzaklaştırılan ısı miktarını aşarsa
özel soğutma cihazları, daha sonra yarı iletken yapıda kristal kafesin tahrip olmasına kadar geri dönüşü olmayan değişiklikler meydana gelebilir. Bu nedenle doğru akım р-n-Geçiş, yarı iletken yapının aşırı ısınmasını önleyecek güvenli bir seviyeyle sınırlı olmalıdır. Bunu yapmak için seri bağlı bir sınırlayıcı direnç kullanmak gerekir. p–n-geçiş.
Artan ters voltaj uygulandığında р-n-geçişte, ters anahtarlama sırasında geçerli olan akımın sürüklenme bileşeni esas olarak kristalin sıcaklığına bağlı olduğundan ve ters voltajdaki bir artış yalnızca sürüklenme hızında bir artışa yol açtığından, ters akım biraz değişir. azınlık taşıyıcıları numaralarını değiştirmeden. Bu durum, ters akımda yoğun bir artışın başladığı ters voltaj değerine kadar sürdürülecektir - sözde p-n bağlantı dökümü.
1.7.4. P-n bağlantı arızalarının türleri
Geri döndürülebilir ve geri döndürülemez arızalar mümkündür. Geri dönüşümlü bir arıza, sonrasında meydana gelen bir arızadır. p–n- geçiş çalışır durumda kalır. Geri dönüşü olmayan bir arıza, yarı iletken yapının tahrip olmasına yol açar.
Dört tür arıza vardır: çığ, tünel, termal ve yüzey. Çığ ve tünel arızaları şu isim altında birleştirilecek: elektrik arızası geri dönüşümlüdür. Geri dönüşü olmayanlar termal ve yüzeyseldir.
Çığ dökümüönemli kalınlıkta yarı iletkenlerin karakteristiği р-n-hafif katkılı yarı iletkenlerin oluşturduğu bağlantı. Bu durumda tükenme tabakasının genişliği taşıyıcıların difüzyon uzunluğundan çok daha büyüktür. Arıza, şiddetli bir elektrik alanının etkisi altında meydana gelir. e(8…12) , .Çığ kırılmasında asıl rol, ısının etkisi altında oluşan azınlık taşıyıcılara aittir. р-n-geçiş.
Bu taşıyıcılar bir elektrik alanıyla test edilir р-n-Geçiş hızlandırıcı bir etkiye sahiptir ve bu alanın kuvvet çizgileri boyunca hızla hareket etmeye başlar. Belirli bir yoğunluk değerinde, ortalama serbest yol l'deki (Şekil 1.20) azınlık yük taşıyıcıları, kinetik enerjilerinin bir yarı iletken atomla bir sonraki çarpışma sırasında onu iyonize etmek için yeterli olabileceği bir hıza hızlandırılabilir; Değerlik elektronlarından birini "çıkarır" ve onu iletim bandına atar, böylece bir elektron-delik çifti oluşur. Ortaya çıkan taşıyıcılar da elektrik alanında hızlanmaya başlayacak, diğer nötr atomlarla çarpışacak ve böylece süreç çığ gibi artacaktır. Bu durumda, pratik olarak sabit bir ters voltajla ters akımda keskin bir artış meydana gelir.
Çığ dağılımını karakterize eden parametre, güçlü bir elektrik alanı bölgesindeki çığ çoğalma olaylarının sayısı olarak tanımlanan çığ çarpma katsayısı M'dir. Çığ çarpımından sonra ters akımın büyüklüğü şuna eşit olacaktır:
ilk akım nerede; sen– uygulanan voltaj; sen p – çığ kırılma voltajı; N– katsayı Ge için 3'e, Si için 5'e eşittir.
Tünel dökümüçok ince oluşur р-n-Çok yüksek safsızlık konsantrasyonlarında mümkün olan geçişler N Geçiş genişliği küçüldüğünde (yaklaşık 0,01 μm) ve ters voltajın küçük değerlerinde (birkaç volt), büyük bir elektrik alanı gradyanı oluştuğunda 10 19 cm -3. Kristal kafesin atomlarına etki eden yüksek elektrik alan kuvveti, değerlik elektronlarının enerjisini arttırır ve değerlik bandından "ince" enerji bariyerinden (Şekil 1.21) tünel açma "sızıntısına" yol açar. P- İletim bandındaki bölgeler N-bölgeler Üstelik yük taşıyıcıların enerjisi değişmeden “sızıntı” meydana gelir. Tünel arızası aynı zamanda neredeyse sabit bir ters voltajla ters akımda keskin bir artışla da karakterize edilir.
Her iki elektrik arızası türü için ters akım, izin verilen maksimum değeri aşmıyorsa,
yarı iletkenin kristal yapısının ısınması ve tahrip olması, bunlar tersine çevrilebilir ve birçok kez yeniden üretilebilir.
Teplov arıza denir р–n- Kristal sıcaklığının artmasıyla yük taşıyıcılarının sayısındaki artışın neden olduğu geçiş. Ters voltaj ve akımın artmasıyla birlikte, devrede açığa çıkan termal güç р-n-geçiş ve buna bağlı olarak kristal yapının sıcaklığı. Isının etkisi altında, kristal atomlarının titreşimleri yoğunlaşır ve değerlik elektronlarının onlarla bağları zayıflar, bunların iletim bandına geçiş olasılığı ve ek elektron-delik taşıyıcı çiftlerinin oluşumu artar. Elektrik gücü ise р-n-geçiş izin verilen maksimum değeri aşarsa, termal üretim süreci çığ gibi artar, kristalde yapının geri dönüşü olmayan bir yeniden yapılanması meydana gelir ve р-n- geçiş yok edildi.
Termal bozulmayı önlemek için aşağıdaki koşulun karşılanması gerekir:
izin verilen maksimum güç kaybı nerede р-n-geçiş.
Yüzey dökümü. Elektrik alan şiddeti dağılımı р-n-bağlantı, yarı iletkenin yüzeyinde bulunan yükleri önemli ölçüde değiştirebilir. Yüzey yükü, bağlantının kalınlığında bir artışa veya azalmaya yol açabilir, bunun sonucunda bağlantı yüzeyinde, yarı iletkenin büyük bir kısmında bozulmaya neden olmak için gerekenden daha düşük bir alan kuvvetinde bozulma meydana gelebilir. Bu fenomene denir yüzey bozulması. Yüzey bozulmasının meydana gelmesinde önemli bir rol, yarı iletkenin yüzeyini çevreleyen ortamın dielektrik özellikleri tarafından oynanır. Yüzeyin bozulma olasılığını azaltmak için dielektrik sabiti yüksek özel koruyucu kaplamalar kullanılır.
1.7.5. Kapasite р-n-geçiş
Harici voltajdaki değişiklik p–n-geçiş, tükenme katmanının genişliğinde ve buna bağlı olarak içinde biriken elektrik yükünde bir değişikliğe yol açar (bu aynı zamanda geçişin yakınında enjekte edilen yük taşıyıcılarının konsantrasyonundaki bir değişiklikten de kaynaklanmaktadır). Buna dayanarak p–n- bağlantı noktası, kapasitansı birikmiş güçteki değişimin oranı olarak tanımlanan bir kapasitör gibi davranır p–n-Bu değişikliğe neden olan uygulanan harici gerilime yükün geçişi.
Ayırt etmek bariyer(veya şarj cihazı) ve yayılma kapasite р-n-geçiş.
Bariyer kapasitansı ters bağlıya karşılık gelir p–n- sıradan bir kapasitör olarak kabul edilen, plakaların tükenme katmanının sınırları olduğu ve tükenme katmanının kendisinin artan dielektrik kayıplarla kusurlu bir dielektrik görevi gördüğü bağlantı:
yarı iletken malzemenin bağıl dielektrik sabiti nerede; – elektrik sabiti (); S – alanı p–n-geçiş; – tükenen katmanın genişliği.
Bariyer kapasitesi artan alanla birlikte artar p–n-yarı iletkenin geçiş ve dielektrik sabiti ve tükenme katmanının genişliğinin azaltılması. Geçiş alanına bağlı olarak C çubuğu birkaç ila yüzlerce pikofarad arasında olabilir.
Bariyer kapasitansının bir özelliği doğrusal olmayan bir kapasitans olmasıdır. Ters voltaj arttıkça bağlantı genişliği artar ve kapasitans da artar. Bardan azalır. Bağımlılığın doğası C çubuk = f (U dizi)Şekil 2'deki grafiği göstermektedir. 1.22. Belli ki etkisi altında U örnekleri kapasite Bardan birkaç kez değişir.
Difüzyon kapasitesi mobil yük taşıyıcılarının birikimini karakterize eder. N- Ve P- Kavşakta ileri gerilim bulunan bölgeler. Pratikte yalnızca doğrudan voltajda, yük taşıyıcıları azaltılmış bir potansiyel bariyerden büyük miktarlarda yayıldığında (enjekte edildiğinde) ve yeniden birleşmek için zaman olmadan, içinde biriktiğinde mevcuttur. N- Ve P-bölgeler. Her doğrudan voltaj değeri, iki zıt yükün belirli değerlerine karşılık gelir + Q diferansiyeli Ve -Q farkı, içinde biriktirilmiş N- Ve P-taşıyıcıların geçiş yoluyla yayılması nedeniyle bölgeler. Kapasite Diferansiyelli yüklerin potansiyel farka oranını temsil eder:
Artışla U pr ileri akım gerilimden daha hızlı artar, çünkü İleri akım için akım-gerilim karakteristiği doğrusal olmayan bir forma sahiptir, bu nedenle Q farkı daha hızlı büyüyor U pr Ve Diferansiyelli artar.
Difüzyon kapasitesi bariyer kapasitesinden çok daha büyüktür ancak kullanılamaz çünkü düşük ileri dirençle yönlendirildiği ortaya çıktı p–n-geçiş. Difüzyon kapasitansının sayısal tahminleri, değerinin birkaç mikrofarad birimine ulaştığını göstermektedir.
Böylece, р-n- bağlantı noktası değişken bir kapasitör olarak kullanılabilir,
uygulanan voltajın büyüklüğü ve işareti ile kontrol edilir.
1.7.6. Metal-yarı iletken kontak
Modern yarı iletken cihazlarda kontaklara ek olarak p–n-geçiş metal-yarı iletken kontakları kullanır.
Metal-yarı iletken teması, yarı iletken kristalin temas noktasında meydana gelir N- veya R- metallerle iletkenlik türü. Bu durumda meydana gelen işlemler, metalden ve yarı iletkenden gelen elektron iş fonksiyonlarının oranı ile belirlenir. Altında elektron iş fonksiyonu Bir elektronu Fermi seviyesinden serbest elektronun enerji seviyesine aktarmak için gereken enerjiyi anlar. İş fonksiyonu ne kadar düşük olursa, belirli bir cisimden o kadar fazla elektron kaçabilir.
Elektron difüzyonu ve yükün yeniden dağılımının bir sonucu olarak, arayüze bitişik alanların elektriksel nötrlüğü bozulur ve bir kontak elektrik alanı ve kontak potansiyeli farkı ortaya çıkar:
. (1.21)
Bir metal-yarı iletken kontağındaki kontak elektrik alanının bulunduğu geçiş katmanına denir. Schottky geçişi adını bu tür geçişlerin elektriksel özelliklerine ilişkin temel matematiksel ilişkileri ilk elde eden Alman bilim adamı W. Schottky'den almıştır.
Schottky bağlantısındaki temas elektrik alanı neredeyse yarı iletkende yoğunlaşmıştır, çünkü metaldeki yük taşıyıcılarının konsantrasyonu, yarı iletkendeki yük taşıyıcılarının konsantrasyonundan çok daha fazladır. Metaldeki elektronların yeniden dağıtımı, atomlar arası mesafeyle karşılaştırılabilecek çok ince bir tabakada meydana gelir.
Yarı iletkenin elektriksel iletkenlik tipine ve kristaldeki iş fonksiyonlarının oranına bağlı olarak, elektrik taşıyıcıları ile tükenmiş, ters veya zenginleştirilmiş bir katman görünebilir.
1. < , полупроводник N-tip (Şekil 1.23, a). Bu durumda metalden elektron çıkışı baskın olacaktır ( M) bir yarı iletkene dönüşür, bu nedenle çoğunluk taşıyıcıları (elektronlar) arayüz yakınındaki yarı iletken katmanda birikir ve bu katman zenginleşir, yani. artan elektron konsantrasyonuna sahiptir. Bu katmanın direnci, uygulanan voltajın herhangi bir polaritesi için küçük olacaktır ve bu nedenle böyle bir bağlantının doğrultucu özelliği yoktur. Farklı deniliyor Düzeltici olmayan geçiş.
2. < , полупроводник P-tipi (Şekil 1.23, b). Bu durumda elektronların yarı iletkenden metale kaçışı baskın olurken, sınır tabakasında da çoğunluk yük taşıyıcıları (delikler) ile zenginleştirilmiş ve direnci düşük bir bölge oluşur. Bu geçişin aynı zamanda düzeltici bir özelliği de yoktur.
3., n tipi yarı iletken (Şekil 1.24, a). Bu koşullar altında elektronlar esas olarak yarı iletkenden metale doğru hareket edecek ve yarı iletkenin sınır tabakasında ana yük taşıyıcılarından yoksun ve yüksek dirence sahip bir bölge oluşacaktır. Burada, yüksekliği önemli ölçüde uygulanan voltajın polaritesine bağlı olacak olan nispeten yüksek bir potansiyel bariyer yaratılır. Eğer öyleyse, ters bir katmanın oluşumu mümkündür ( P-tip). Bu kontak doğrultucu bir özelliğe sahiptir.
4. yarı iletken P-tipi (Şekil 1.24, b). Bu koşullar altında oluşan temas, önceki gibi düzeltici bir özelliğe sahiptir.
Metal-yarı iletken temasının ayırt edici özelliği, gelenekselden farklı olarak p–n-Geçiş burada elektronlar ve delikler için potansiyel bariyerin yüksekliği farklıdır. Sonuç olarak, bu tür temaslar belirli koşullar altında enjekte edici olmayabilir; kontaktan doğru akım geçtiğinde, yüksek frekanslı ve darbeli yarı iletken cihazlar için çok önemli olan yarı iletken bölgeye azınlık taşıyıcıları enjekte edilmeyecektir.
Yarı iletken diyotlar
Bir elektron-delik bağlantısı, bir yarı iletken kristalin iki parçası arasında, bir parçasının elektronik iletkenliğe ve diğerinin delik iletkenliğine sahip olduğu ince bir tabakadır.
Bir elektron-delik bağlantısı oluşturmanın teknolojik süreci farklı olabilir: füzyon (alaşım diyotlar), bir maddenin diğerine difüzyonu (difüzyon diyotları), bir kristalin diğerinin yüzeyinde epitaksi odaklı büyümesi (epitaksiyel diyotlar), vb. Tasarım gereği, elektron-delik bağlantıları simetrik ve asimetrik, keskin ve pürüzsüz, düzlemsel ve noktasal vb. olabilir. Bununla birlikte, tüm geçiş türleri için ana özellik, kristalin akımı bir yönde geçirdiği asimetrik elektrik iletkenliğidir, ancak diğerine geçmez.
Elektron deliği geçişinin yapısı Şekil 2'de gösterilmektedir. 2.1a. Bu bağlantının bir kısmı donör safsızlığıyla katkılanmıştır ve elektronik iletkenliğe (N-bölgesi) sahiptir. Bir alıcı safsızlığıyla katkılanmış diğer kısım delik iletkenliğine (P bölgesi) sahiptir. Bir kısımdaki elektron konsantrasyonu ile diğer kısımdaki delik konsantrasyonu önemli ölçüde farklıdır. Ek olarak, her iki kısımda da küçük bir azınlık taşıyıcı konsantrasyonu bulunmaktadır.
N bölgesindeki elektronlar, elektron konsantrasyonunun çok daha düşük olduğu P bölgesine nüfuz etme eğilimindedir. Benzer şekilde P bölgesinden gelen delikler de N bölgesine doğru hareket eder. Zıt yüklerin karşı hareketinin bir sonucu olarak, difüzyon akımı adı verilen bir akım ortaya çıkar. Ara yüzeyi geçen elektronlar ve delikler, geride difüzyon akımının daha fazla geçişini engelleyen zıt yükleri bırakır. Sonuç olarak sınırda ve kapanışta dinamik denge kurulur. N- ve P bölgeleri, devrede akım akışı yoktur. Geçişteki uzay yükü yoğunluğunun dağılımı Şekil 2'de gösterilmektedir. 2.1 B.
Bu durumda, arayüzde kristalin içinde, yönü Şekil 2'de gösterilen, içsel bir E elektrik alanı belirir. 2.1. Bu alanın gücü, uzay yükünün işaretinin aniden değiştiği arayüzeyde maksimumdur. Arayüzden belirli bir mesafede uzay yükü yoktur ve yarı iletken nötrdür.
P-n bağlantısındaki potansiyel bariyerin yüksekliği, kontak potansiyeli farkıyla belirlenir. N- ve P bölgeleri. Temas potansiyeli farkı da bu alanlardaki yabancı maddelerin konsantrasyonuna bağlıdır:
Nerede J T = kT/q - termal potansiyel,
Hayır Ve R r- n - ve p - bölgelerinde elektron ve deliklerin konsantrasyonu,
n i, katkısız bir yarı iletkendeki yük taşıyıcılarının konsantrasyonudur.
Germanyum için kontak potansiyeli farkı 0,6...0,7 V ve silikon için - 0,9...1,2 V'dir. Potansiyel bariyerin yüksekliği, harici bir voltaj uygulanarak değiştirilebilir. p-p- geçiş. Harici bir voltaj, pn ekleminde dahili olanla çakışan bir alan oluşturursa, uygulanan voltajın ters polaritesi ile potansiyel bariyerin yüksekliği artar, potansiyel bariyerin yüksekliği azalır.
Pirinç. 2.1. Keskin p-n eklemi ve içindeki uzay yükü dağılımı
Uygulanan voltaj kontak potansiyeli farkına eşitse potansiyel bariyer tamamen ortadan kalkar.
Bir p-n bağlantısının akım-gerilim karakteristiği, uygulanan voltajın değeri ve polaritesi değiştiğinde bağlantı yoluyla akımın bağımlılığını temsil eder. Uygulanan voltaj potansiyel bariyeri azaltırsa buna direkt, arttırırsa ters denir.
Bir pn bağlantısına ileri ve geri voltajın uygulanması Şekil 2'de gösterilmektedir. 2.2.
Bir pn eklemindeki ters akım, uzay yük bölgesinin elektrik alanında sürüklenen bölgelerden birindeki azınlık taşıyıcılarından kaynaklanır ve kendilerinin zaten çoğunluk taşıyıcısı olduğu bir bölgeye ulaşır. Çoğunluk taşıyıcılarının konsantrasyonu, azınlık taşıyıcılarının konsantrasyonunu önemli ölçüde aştığından, çoğunluk taşıyıcılarının küçük bir ek miktarının ortaya çıkması, pratik olarak yarı iletkenin denge durumunu değiştirmeyecektir. Dolayısıyla ters akım yalnızca uzay yükü bölgesinin sınırlarında görünen azınlık taşıyıcılarının sayısına bağlıdır. Dışarıdan uygulanan voltaj, bu taşıyıcıların bir bölgeden diğerine hareket etme hızını belirler, ancak birim zamanda bağlantı noktasından geçen taşıyıcıların sayısını belirlemez. Sonuç olarak, bağlantı noktasından geçen ters akım bir iletim akımıdır ve potansiyel bariyerin yüksekliğine bağlı değildir, yani bağlantı noktasındaki ters voltaj değiştiğinde sabit kalır.
Bu akıma doyma akımı adı verilir ve şu şekilde gösterilir:
ben arr = ben S.
Bir pn bağlantısı ileriye doğru bastırıldığında, çoğunluk taşıyıcılarının potansiyel bariyeri aşan difüzyonunun neden olduğu bir (difüzyon) akımı ortaya çıkar.
Bu taşıyıcılar pn eklemini geçtikten sonra yarı iletkenin azınlık taşıyıcısı oldukları bölgesine girerler. Bu durumda azınlık taşıyıcılarının konsantrasyonu, denge konsantrasyonuna kıyasla önemli ölçüde artabilir. Bu olguya taşıyıcı enjeksiyonu denir.
Böylece elektron bölgesinden delik bölgesine geçişte doğru akım aktığında elektron enjeksiyonu meydana gelecek ve delik bölgesinden delik enjeksiyonu meydana gelecektir. Difüzyon akımı potansiyel bariyerin yüksekliğine bağlıdır ve azaldıkça üstel olarak artar:
Nerede sen- p-n bağlantısındaki voltaj.
Şekil 2 P-n bağlantısına ters (a) ve ileri (b) gerilimlerin uygulanması
Difüzyon akımına ek olarak ileri akım, ters yönde akan bir iletim akımı içerir, bu nedenle p-n bağlantısının ileri yönde yönlendirilmesi sırasındaki toplam akım, difüzyon akımı (2.2) ile iletim akımı arasındaki farka eşit olacaktır:
Denklem (2.3) Ebers-Moll denklemi olarak adlandırılır ve p-n bağlantısının karşılık gelen akım-gerilim karakteristiği Şekil 2'de gösterilmektedir. 2.3. T = 300 K'da termal potansiyel j t = 25 mV olduğundan, U = 0,1 V'de zaten şunu varsayabiliriz:
P-n bağlantısının diferansiyel direnci formül (2.3) kullanılarak belirlenebilir:
onu nereden alıyoruz
Örneğin, I = 1A ve j T = 25 mV akımda bağlantı noktasının diferansiyel direnci 25 mOhm'dur.
İleri öngerilimli p-n bağlantısındaki sınırlama voltajı değeri, kontak potansiyeli farkı y'yi aşmaz İle. Ters voltaj, pn bağlantısının bozulmasıyla sınırlıdır. Azınlık taşıyıcılarının çığ gibi çoğalması nedeniyle bir pn bağlantısının bozulması meydana gelir ve çığ çökmesi olarak adlandırılır. Bir p-n bağlantısının çığ düşmesi sırasında, bağlantı noktasından geçen akım yalnızca kaynağın direnci ile sınırlıdır. pn kavşağı elektrik devresi (Şekil 2.3).
Yarı iletken p-n-geçişi, Genellikle bağlantı noktasındaki yük artışının, bağlantı noktasındaki voltaj düşüşü artışına oranı olarak tanımlanan bir kapasitansa sahiptir;
C=dq/du.
Pirinç. 2.3. P-n bağlantısının volt-amper karakteristiği
Bağlantı kapasitansı uygulanan harici voltajın değerine ve polaritesine bağlıdır. Bağlantı noktası boyunca ters voltaj olduğunda bu kapasitansa bariyer kapasitansı denir ve formülle belirlenir.
burada y K temas potansiyeli farkıdır,
sen- bağlantı noktasında ters voltaj,
C 6ar (0) - bariyer kapasitansının değeri U=0, bu, pn ekleminin alanına ve yarı iletken kristalin özelliklerine bağlıdır.
Bariyer kapasitansının uygulanan voltaja bağımlılığı Şekil 2'de gösterilmektedir. 2.4. Teorik olarak bariyer kapasitansı, p-n bağlantısında doğrudan voltajda da mevcuttur, ancak düşük diferansiyel direnç r diferansiyeliyle şöntlenir.
Pirinç. 2.4 Bariyer kapasitansının p-n bağlantısındaki voltaja bağımlılığı
P-n bağlantısı ileriye doğru eğimli olduğunda, difüzyon kapasitansı çok daha büyük bir etkiye sahiptir; bu, ileri akımın I değerine ve azınlık taşıyıcılarının t ömrüne bağlıdır. R. Bu kapasitans öngerilim akımıyla ilişkili değildir ancak normal kapasitansla aynı faz kaymasını gerilim ve akım arasında verir. Difüzyon kapasitesinin değeri formülle belirlenebilir.
İleriye doğru eğilim altındaki bağlantının toplam kapasitansı, bariyer ve difüzyon kapasitanslarının toplamı ile belirlenir.
Bağlantı ters eğimli olduğunda difüzyon kapasitansı yoktur ve toplam kapasitans yalnızca bariyer kapasitansından oluşur.
Yarı iletken diyot iki terminali olan ve bir (veya daha fazla) p-n bağlantısı içeren bir cihaz olarak adlandırılır. Tüm yarı iletken diyotlar iki gruba ayrılabilir: doğrultucu ve özel. Doğrultucu diyotlar, adından da anlaşılacağı gibi, alternatif akımı doğrultmak için tasarlanmıştır. Alternatif voltajın frekansına ve biçimine bağlı olarak yüksek frekanslı, düşük frekanslı ve darbeli olarak ayrılırlar. Özel tipteki yarı iletken diyotlar, pn bağlantılarının farklı özelliklerinden yararlanır; arıza olgusu, bariyer kapasitansı, negatif dirençli alanların varlığı vb.
Yapısal olarak doğrultucu diyotlar Düzlemsel ve noktaya ve üretim teknolojisine göre alaşım, difüzyon ve epitaksiyel olarak ayrılırlar. ^-l bağlantısının geniş alanı nedeniyle, büyük akımları düzeltmek için düzlemsel diyotlar kullanılır. Nokta diyotların küçük bir geçiş alanı vardır ve buna göre küçük akımları düzeltmek için tasarlanmıştır. Çığ kırılma voltajını arttırmak için seri bağlı bir dizi diyottan oluşan doğrultucu sütunlar kullanılır.
Yüksek güçlü doğrultucu diyotlara güç diyotları denir. Bu tür diyotların malzemesi genellikle silikon veya galyum arsenittir. Ters akımın sıcaklığa güçlü bağımlılığı nedeniyle germanyum pratikte kullanılmaz. Silikon alaşımlı diyotlar, 5 kHz'e kadar alternatif akımı düzeltmek için kullanılır. Silikon difüzyon diyotları 100 kHz'e kadar daha yüksek frekanslarda çalışabilir. Metal substratlı (Schottky bariyerli) silikon epitaksiyel diyotlar, 500 kHz'e kadar frekanslarda kullanılabilir. Galyum arsenit diyotlar birkaç MHz'e kadar frekans aralığında çalışma kapasitesine sahiptir.
Pn bağlantısından geçen büyük bir akımla, yarı iletkenin büyük kısmında önemli bir voltaj düşüşü olur ve bu ihmal edilemez. (2.4) ifadesini dikkate alarak doğrultucu diyodun akım-gerilim karakteristiği şu şekli alır:
Nerede R- seri direnç adı verilen yarı iletken kristalin hacim direnci.
Yarı iletken bir diyotun geleneksel grafik gösterimi Şekil 2'de gösterilmektedir. 2.5 a ve yapısı Şekil 2'dedir. 2.5 B. U diyot elektrotu bölgeye bağlı R, anot (elektrikli vakum diyotuna benzer) olarak adlandırılır ve bölgeye bağlanan elektrot N,- katot. Diyotun statik akım-gerilim karakteristiği Şekil 2'de gösterilmektedir. 2.5 V.
Pirinç. 2.5. Yarı iletken diyotun sembolü (a), yapısı (b) ve akım-gerilim karakteristiği (c)
Güç diyotları genellikle bir dizi statik ve dinamik parametreyle karakterize edilir. Diyotun statik parametreleri şunları içerir:
Gerilim düşüşü U np belirli bir ileri akım değerinde bir diyot üzerinde;
Ters akım I о6р belirli bir ters voltaj değerinde;
İleri akımın ortalama değeri I pr av;
Darbe ters gerilimi U o6ri.
Bir diyotun dinamik parametreleri, zaman veya frekans özelliklerini içerir. Bu parametreler şunları içerir:
Kurtarma süresi ters voltajı;
İleri akımın yükselme zamanı I Nar;
Diyot modlarını azaltmadan frekansı sınırlayın fmaks.
Statik parametreler, Şekil 2'de gösterilen diyotun akım-gerilim karakteristiği kullanılarak ayarlanabilir. 2.5 V. Güç diyotlarının statik parametrelerinin tipik değerleri tabloda verilmiştir. 2.1.
Tablo 2.1 Güç doğrultucu diyotların statik parametreleri
İyileşme süresini tersine çevir diyot t rev, doğrultucu diyotların atalet özelliklerini karakterize eden ana parametresidir. Diyotun belirli bir ileri akımdan (Ipr) belirli bir ters gerilime (Uo6p) ne zaman geçtiği belirlenir. Bu tür anahtarlamanın grafikleri Şekil 1'de gösterilmektedir. 26b. Şekil 2'de gösterilen test diyagramı. 26 B, dirençli bir yük üzerinde çalışan yarım dalga doğrultucudur Sağ ve dikdörtgen şekilli bir voltaj kaynağından beslenir.
?=0 anında devrenin girişindeki gerilim pozitif bir değere atlar Hımm. Difüzyon sürecinin ataletinden dolayı diyottaki akım anında ortaya çıkmaz, zamanla artar. tm. Diyottaki akımın artmasıyla birlikte diyottaki voltaj azalır ve 4a P'den sonra £/zamana eşit olur. Zamanın bir anında t t devrede diyot akımının olduğu sabit bir mod kurulur i=I s ~U m /R B .
Bu durum vakte kadar devam ediyor t2, Besleme voltajının polaritesi ters çevrildiğinde. Ancak ^-i ekleminin sınırında biriken yükler bir süre diyotu açık durumda tutar ancak diyottaki akımın yönü ters yöne değişir. Temel olarak, yüklerin emilmesi 5" (rchm transferinin (yani eşdeğer kapasitenin boşaltılması) kenarında meydana gelir. Bir emilme zaman aralığından sonra /,"
diyotu kapatma işlemi başlar, yani. kilitleme özelliklerini geri yükleme işlemi,
Zamana kadar< 3 напряжение на диоде становится равным нулю, и в дальнейшем приобретает обратное значение. Процесс восстановления запирающих свойств диода продолжается до момента времени Ve, bundan sonra diyot kilitlenir. Bu zamana kadar diyottaki akım eşitlenir 1^, ve voltaj değere ulaşır - Hımm. yani zaman t^ geçişten sayılabilir Ua diyot akımı değere ulaşana kadar sıfırdan 1^.
Doğrultucu diyotun açılıp kapatılması işlemleri dikkate alındığında, bunun ideal bir valf olmadığı ve belirli koşullar altında ters yönde ilettiği görülür. Azınlık taşıyıcılarının /?-i-kavşağında emilme süresi formülle belirlenebilir.
Nerede xp- azınlık taşıyıcılarının ömrü.
Diyot üzerindeki ters voltajın toparlanma süresi yaklaşık ifade kullanılarak tahmin edilebilir.
Şunu belirtmek gerekir ki Ra =0(bu, diyotun kapasitif bir yük üzerinde çalışmasına karşılık gelir), kapatıldığı anda diyottan geçen ters akım, sabit moddaki yük akımından birçok kez daha yüksek olabilir.
Şekil 2'deki grafiklerin incelenmesinden. Şekil 2.6 a'da, diyot açıldığında ve özellikle kapatıldığında güç kaybının keskin bir şekilde arttığı anlaşılmaktadır. Sonuç olarak, doğrultulmuş voltajın frekansı arttıkça diyottaki kayıplar artar. Diyot, besleme voltajının düşük frekansında ve harmonik formunda çalıştığında, büyük genlikli akım darbeleri olmaz ve diyottaki kayıplar keskin bir şekilde azalır.
Diyot gövdesinin sıcaklığı değiştiğinde parametreleri değişir. Ekipman geliştirilirken bu bağımlılık dikkate alınmalıdır. Diyot üzerindeki ileri gerilim ve ters akımı en çok sıcaklığa bağlıdır. Diyot üzerindeki voltajın sıcaklık katsayısı (TCV) negatif bir değere sahiptir, çünkü sıcaklık arttıkça diyot üzerindeki voltaj azalır. Yaklaşık olarak TKN olduğu varsayılabilir. U yukarı =-2mB/K.
Diyotun ters akımı kasa sıcaklığına daha da güçlü bir şekilde bağlıdır ve pozitif bir katsayıya sahiptir. Böylece sıcaklığın her 10°C artmasıyla birlikte germanyum diyotların ters akımı 2 kat, silikon diyotların ters akımı ise 2,5 kat artar.
Doğrultucu diyotlardaki kayıplar aşağıdaki formül kullanılarak hesaplanabilir
burada P 11р - akımın ileri yönünde diyottaki kayıplar, R^- ters akımla diyottaki kayıplar, R, k- ters toparlanma aşamasında diyottaki kayıplar.
Pirinç. 2 6 Diyotun (a) ve test devresinin (b) kilidini açma ve kilitleme işlemlerinin grafikleri
İleriye dönük kaybın yaklaşık değeri aşağıdaki formül kullanılarak hesaplanabilir:
burada /'pep ve (/'pq, diyot üzerindeki ileri akım ve ileri voltajın ortalama değerleridir. Benzer şekilde, ters akımla güç kaybını hesaplayabilirsiniz:
Ve son olarak, ters toparlanma aşamasındaki kayıplar formülle belirlenir.
burada /" alternatif voltajın frekansıdır.
Diyottaki güç kayıpları hesaplandıktan sonra diyot gövdesinin sıcaklığı formül kullanılarak belirlenmelidir.
burada G pmax = 150°C, diyot kristalinin izin verilen maksimum sıcaklığıdır, RnK- bağlantı diyot gövdesinin termal direnci (diyotun referans verilerinde verilmiştir), G'den maksimuma - diyot gövdesinin izin verilen maksimum sıcaklığı.
Schottky bariyer diyotları Düşük yüksek frekanslı voltajları düzeltmek için Schottky bariyer diyotları (SBD'ler) yaygın olarak kullanılmaktadır. Bu diyotlar p-kavşağı yerine metal-yarı iletken kontağı kullanır. Temas noktasında, kapı katmanları adı verilen, yük taşıyıcıları tükenmiş yarı iletken katmanlar ortaya çıkar. Schottky bariyerli diyotlar, p-n bağlantı noktalı diyotlardan aşağıdaki parametrelerde farklılık gösterir:
Daha düşük ileri voltaj düşüşü;
Daha düşük ters voltaja sahip olun;
Daha yüksek kaçak akım;
Neredeyse hiç ters kurtarma ücreti yoktur.
İki ana özellik, bu diyotları düşük voltajlı, yüksek frekanslı doğrultucuların tasarımında vazgeçilmez kılar: düşük ileri voltaj düşüşü ve düşük ters voltaj toparlanma süresi. Ek olarak, ters toparlanma süresi gerektiren azınlık taşıyıcılarının bulunmaması, diyotun kendisinde fiziksel olarak hiçbir anahtarlama kaybının olmadığı anlamına gelir.
Schottky bariyer diyotlarında ileri voltaj düşüşü, ters voltajın bir fonksiyonudur. Modern Schottky diyotlarının maksimum voltajı yaklaşık 150V'tur. Bu voltajda, DS'nin ileri voltajı, p-bağlantılı diyotların ileri voltajından 0,2...0,3V daha azdır.
Schottky diyotunun avantajları özellikle düşük voltajları düzeltirken fark edilir hale gelir. Örneğin, 45 voltluk bir Schottky diyotun ileri gerilimi 0,4...0,6V'tur ve aynı akımda, //-bağlantısına sahip bir diyotun gerilim düşüşü 0,5...1,0V'dur. Ters gerilim 15V'a düştüğünde ileri gerilim 0,3...0,4V'a düşer. Ortalama olarak, bir doğrultucuda Schottky diyotlarının kullanılması kayıpları yaklaşık %10...15 oranında azaltabilir. DS'nin maksimum çalışma frekansı, 30 A'ya kadar bir akımda 200 kHz'i aşıyor.
İlgili bilgiler.
