Электронно-дырочный переход: использование в устройствах

Ядра и ковалентная связь

Для начала давайте посмотрим на уровне ядра, что и как устроено. Это будет краткое введение.

Вся материя состоит из молекул, а молекулы в свою очередь состоят из атомов. И в каждом из них есть протоны, нейтроны и частицы.

Протоны образуют с нейтронами ядро, в котором их равное количество.

ВНИМАНИЕ! Исключением является водород, который имеет один протон в ядре без нейтронов.

Вокруг ядра находятся орбиты (кстати, сейчас принято считать, что это электронное облако). Между ними действуют сильные и слабые силы, составляющие основу их системы. Далее на изображениях мы не будем указывать протоны и нейтроны для облегчения восприятия.

Конечно, можно пойти глубже, что есть мезоны, кварки и другие фундаментальные частицы. А также, что в электронных оболочках они распределены в виде «газа» и не могут быть точно обнаружены, только с определенной долей вероятности. Однако знать это в полном объеме необязательно, чтобы понять принципы работы общей цифровой электроники.

Достаточно просто принять тот факт, что есть атомы, имеющие положительно заряженные ядра, и вокруг этого ядра есть орбиты с частицами.

НО! Электрочастицы и протоны имеют противоположные знаки.

В электрически нейтральном ядре число частиц и протонов одинаково. Все распределены по разным уровням. Кто ближе к ядру — по два, следующий уровень — по 4 и так далее. Но если по какой-то причине оно теряет электрочастицу, то становится положительным ионом.

Ему не хватает частиц на внешней электронной орбите, которая называется валентным уровнем. Ее легче «забрать» с валентного уровня. А электрочастицы, находящиеся на валентном уровне, называются валентными.

ГЛАВНОЕ! Положительный ион будет иметь знак +, поскольку ему не хватает частиц питания, и он будет либо притягивать, либо притягиваться к не занятой эдектрочастице (в зависимости от окружающей среды).

Они в молекулах связаны между друг другом на уровне валентности, то есть посредством ковалентной связи.

На уровне валентности связь ядра с ними гораздо меньше, чем на других, поэтому могут образовывать материю, соединяясь с другими. Так получаются химические реакции и соединения элементов между собой.

Полупроводники и кристаллическая решетка

Теперь перейдем к полупроводникам. Полупроводники, такие как кремний (Si) и германий (Ge), имеют 4 частицы на ковалентном уровне.

Не путайте кремний и кремень. Кремень — это минерал, а кремний — это химический элемент, открытый в 1810 году.

Характерной чертой полупроводников является то, что их атомы образуют парные связи.

Допустим, есть атом кремния. У него 4 минерала на валентном уровне. Если добавить к нему еще 4 кремния, получится кристаллическая решетка. Они связаны четырьмя своими минералами.

На данных изображениях показано их соединение в плоскости. На самом деле они, конечно, расположены не в плоскости, а в пространстве.

То есть каждое ядро может образовывать устойчивую связь с другим, по 4 штуки с каждой стороны и плоскости.

Характерной чертой полупроводников является то, что эта кристаллическая решетка очень стабильна.

Кстати, проводимость полупроводников сильно зависит от внешних условий (давления, температуры, радиации, света). Гораздо сильнее, чем у других материалов. Все это из-за особенностей кристаллической решетки, которая позволяет делать солнечные батареи, датчики, камеры и прочее.

Таким образом, ядра полупроводников без примесей электрически нейтральны.

И самое главное, они останутся связанными между. Общая ковалентная связь позволит им обмениваться минералами между собой.

Проводимость полупроводников при нормальных условиях почти такая же, как у диэлектриков, т. е. очень низкая.

Проводимость кристаллической решетки с примесями

В чистом полупроводнике микрочастиц мало, чем и объясняется низкая проводимость материала.

Однако при повышении температуры они на валентном уровне приобретают больше энергии и могут быстрее покидать свои орбиты. Следовательно, материал становится более проводимым при повышении температуры.

 Из-за этого полупроводники и получили свое название. Это и проводник, и диэлектрик одновременно, меняющий свою проводимость в связи с изменением внешних условий.

Донорная примесь и n-тип

Если к кристаллической решетке кремния добавить атом с 5 валентными микрочастицами, то из-за него в кристалле появятся не занятые.

Например, есть атом мышьяка (As) и кремния (Si).

4 валентные микрочастицы мышьяка образуют валентную связь с другими ядрами кремния. Но одна все таки будет в зоне проводимости. То есть она станет свободной.

А вот элемент мышьяка, нечаянно отдавший свою частицу, станет положительным ионом. Несмотря на это, кристаллическая решетка остается стабильной.

Полупроводник с примесью, содержащий свободные микроэлектроны, называется полупроводником n-типа. Основными переносчиками заряда являются не занятые микроэлектроны. Второстепенными — дырки.

Примеси добавляют путем легирования. Он может быть металлургическим (повышение температуры, изготовление сплавов) или химическим (ионным и диффузным).

Если через такой материал проходит микроток, независимые из примеси притягиваются к положительному потенциалу. И «новые» приходят с отрицательного потенциала вместо старых, ушедших к положительному потенциалу.

Акцепторная примесь и p-тип

Что произойдет, если к полупроводнику добавить элемент с тремя валентными микрочастицами, такой как бор (В)?

Тогда три валентных микроэлектрона бора создадут связь с другими атомами кремния. Однако теперь в кристалле с такой примесью будет отсутствовать один элемент.

Это отсутствие называется дыркой. На самом деле это положительный потенциал, но для простоты понимания его принято называть дыркой.

Это не ион и не элементарная частица. Это дефицит одного микроэлектрона в атомах. А атом, у которого на своей орбите будет он отсутствовать, будет притягивать к себе как не занятые, оказавшиеся в кристалле, так и электрочастицы от соседних атомов.

Такая примесь в кристалле также растет его проводимость. И эта примесь называется акцепторной. То есть примесные создают дефицит элементов в кристаллической решетке.

Поэтому такой полупроводник с акцепторной примесью называют р-типом. Его основными обладателями заряда являются дырки. Не основными — электрочастицы.

Если через такой материал проходит микроток, отрицательный потенциал притянет дырку к новому входящему элементу от источника. А вот те, которые были в кристалле, перейдут к положительному потенциалу.

 Кстати, примесный атом бора оказывается отрицательно заряженным ионом, так как при прохождении по его орбите будет не 3 электрона, а 4, что для него избыточно.

Электроток не основных зарядов

Как было сказано выше, в p-типе основными переносчиками заряда являются дырки, а в n-типе — микроэлектроны. Второстепенные , соответственно, наоборот. И второстепенные тоже участвуют в прохождении движения электроэлементов.

Конечно, второстепенных  распространителей заряда гораздо меньше, чем основных, но полностью игнорировать их не следует, особенно если речь идет о p-n-переходе.

Свойства электронно-дырочного перехода

Электронно-дырочный (p-n) переход создается в полупроводниковой пластине путем формирования в ней области с различными типами проводимости. В области этого перехода наблюдается значительная разница в концентрации носителей заряда, когда в n-области элементов больше, чем в p-области. В результате происходит:

• диффузия из n-области в p-область. При этом в n-области остаются неподвижные, положительно заряженные ионы доноров;
• одновременно происходит диффузия дырок из p-области в n-область. За счет отрицательно заряженных ионов-акцепторов p-область вблизи границы приобретает отрицательный заряд;
• эти две соседние области образуют слой объемного заряда, в котором возникает контактное электрическое поле Ek (Epn), препятствующее дальнейшему переходу электронов и дырок.

Контактное поле сохраняет состояние равновесия при определенных условиях. При повышении температуры небольшая часть микроэлектронов и дырок преодолевает контактное поле и создает диффузионный микроток. При этом за счет не основных создается проводимость. В состоянии равновесия они компенсируют друг друга.

Рассмотрим более подробно p-n-переход в отсутствие внешнего поля. Вблизи границы перехода образуется двойной заряженный слой. Электрическое поле, созданное этим слоем, направлено по нормали к границе от n до p-области. Это поле препятствует диффузии основных переносчиков и тем самым создает для них потенциальный барьер:

На энергетической диаграмме энергия частиц и дырок измеряется по их состоянию в n- и p-областях соответственно.

Поэтому из n-области в p-область могут перейти только те, энергия которых превышает высоту потенциального барьера Фpn. Концентрация электрочастиц с достаточной энергией для преодоления барьера определяется распределением Больцмана. Расчет по формуле представлен на записи ниже:

n = n0 exp (-Фpn ⁄ kT), где n0 — концентрация в n-области.

Частицы, прошедшие через барьер, создают электронную составляющую диффузионного тока In. Аналогично дырки, прошедшие барьер, образуют дырочную составляющую диффузионного тока Ip. Ip и In направлены из р-области в n-область, а суммарный ток основных равен:

I0 = In + Ip ∼ exp (-Фpn ⁄ kT)

Теперь посмотрим на энергетическую диаграмму p-n перехода в отсутствие внешнего поля (предыдущее изображение). Поле вблизи границы способствует движению не главных обладателей, которые «скатываются» с потенциальной «горки». Поэтому все не основные, генерируемые в области, близкой к контакту, перемещаются через электронно-дырочный переход и образуют направленный от n к p ток. Сила его насыщения практически не зависит от разности потенциалов между n- и p-полупроводниками и определяется лишь количеством не главных, образующихся в приконтактной области в единицу времени: Is = Ins + Ips.

НО! В состоянии равновесия устанавливается высота потенциального барьера, при которой полный электроток равен нулю I = I0 — Is = 0.

Равновесие (нулевое смещение)

В PN-переходе без внешнего напряжения достигается состояние равновесия. Посмотрим как.

Область истощения

В полупроводнике n-типа независимых больше, чем в полупроводнике p-типа. Из-за такой высокой концентрации электронов на n-стороне они отталкиваются друг от друга.

За счет отталкивания такие электроны разлетаются (рассеиваются) во все стороны. Некоторые из них пересекают границу между n и p. Когда он попадает в р-область, он притягивается к положительной дырке и рекомбинирует с ней. Когда это происходит, дырка исчезает, а он становится валентным.

Когда такой электрон попадает в дырку на стороне p, атом на стороне p получает дополнительный электрон. Такой атом имеет больше электронов, чем протонов, что делает его отрицательным ионом.

Точно так же каждый электрон, покидающий атом n-стороны, создает дырку в атоме n-стороны. Атом, потерявший электрон, имеет больше протонов, чем электронов, что делает его положительным ионом.

Таким образом, каждый раз, когда электрон пересекает соединение и рекомбинирует с дыркой, он создает ионную пару. На рисунке ниже показаны эти ионы с каждой стороны связи.

Каждая пара положительных и отрицательных ионов на стыке называется диполем. Создание диполя означает, что не занятый электрон на стороне n и дырка на стороне p выведены из оборота. По мере увеличения числа диполей область вблизи перехода истощается основными обладателями заряда. Поэтому мы называем этот незаряженный участок областью истощения.

Барьерный потенциал

Каждый диполь имеет электрическое поле между положительными и отрицательными ионами. Каждый раз, когда электрон пытается войти в область истощения, это электрическое поле толкает его обратно в n-область.

Интенсивность электрического поля увеличивается с каждой рекомбинацией электронов и дырок в области истощения. Следовательно, электрическое поле в в итоге останавливает диффузию электронов через соединение, и достигается равновесие.

Электрическое поле между ионами эквивалентно разности потенциалов, называемой барьерным потенциалом. При комнатной температуре барьерный потенциал составляет около 0,3 В для германиевых светодиодов и 0,7 В для кремниевых.

Создание p-n перехода

Что произойдет, если соединить два куска кремния с примесями p-типа и n-типа? Вы получите переход p-n. Или, как его еще называют, электронно-дырочный переход.

Этот переход является пограничной зоной между областью p и областью n.

И особенность этого перехода в том, что он состоит из ионизированных примесных атомов, которые не позволяют зарядам из двух разных областей соединиться друг с другом. Он образовался из такого явления, как диффузионный заряд.

ГЛАВНОЕ! Он вырабатывается при нагреве (изготовлении перехода). Те, кто носит заряд, рекомбинируют друг с другом и уравновешивают баланс. Он под действием тепла носит хаотический характер и не имеет упорядоченного направления, если на него не действует внешнее напряжение.

Например, электроны n-области начинают скапливаться вблизи положительных ионов примеси, но поскольку с второй стороны находятся отрицательные ионы n-области, они не могут преодолеть этот барьер. Аналогичная ситуация с дырками.

Независимые электроны из n-области не могут перейти в p-область из-за барьера, создаваемого ионизированными донорскими примесями. Создается электрическое поле, которое действует как барьер для дырок и электронов. И из-за этого на p-n переходе нет пустых носителей зарядов. Переход просто отталкивает их с обеих сторон.

 Кстати, еще одно название барьера — обедненная область.

В целом кристалл остается электрически нейтральным. Если бы этого барьера не существовало, Пустые переносчики заряда уравновешивали бы друг друга.

Преодоление потенциального барьера

Чтобы независимые электроны и дырки прошли через этот барьер, необходимо приложить внешнее напряжение, превышающее напряжение, необходимое для пересечения барьера.

Подключим к n-области минус источника тока, а к p-области — плюс источника. Такое включение называется прямым. Также область n в устройствах называется катодом, а область p — анодом.

ВНИМАНИЕ! Напряжение источника должно быть больше, чем требуемое для открытия p-n перехода.

Допустим, барьерный потенциал равен 0,125 Вольт. Для его преодоления подключим источник с напряжением 5 В.

Чтобы не перегружать восприятие, на схеме не показаны не основные носители зарядов.

А благодаря влиянию электрического поля внешнего источника носители обладают достаточной энергией, чтобы пересечь этот потенциальный барьер и преодолеть его электрическое поле. Переход подключен с прямым смещением.

Новый электрон приходит с источника, идет в n-область, затем проходит барьер и переходит к дырке, где происходит рекомбинация. А затем этот электрон встречается с дыркой, которая идет от положительного потенциала, подключенного к р-области. То есть через p-n переход проходит электрический ток. Этот ток также называется диффузионным током или током прямого включения, когда основные носители заряда упорядоченно движутся к внешнему источнику тока.

ВАЖНО! Аналогичная ситуация с дырками. Положительный потенциал внешнего источника, который подключен к р-области, примет электрон, а на его месте появится дырка. Дырка, в свою очередь, будет двигаться к барьеру и далее к отрицательному потенциалу источника.

Ток, создаваемый дырками, называется дырочным. Следовательно, ток, создаваемый электронами, является электронным.

А на этой схеме переход показан без барьера, но с возвратным током.

Не основные носители заряда, в свою очередь, действуют во втором направлении, вызывая дополнительное сопротивление в p-n-переходе.

Такой ток может составлять всего несколько микроампер.

Противоположное включение

Изменим полярность внешнего источника на противоположную. Минус к области p и плюс к области n. Что произойдет с барьером и током зарядов?

Барьер увеличится за счет того, что основные носители заряда будут притягиваться к внешнему источнику. Сопротивление потенциального барьера и напряжение его открытия возрастут.

Однако, несмотря на все это, через p-n переход будет протекать обратный ток.

Этот обратный ток очень мал, потому что он создается не основными носителями заряда. Также называется дрейфовым током.

Обратный ток

Обратный ток состоит из не основного несущего тока и тока утечки на поверхность. Этот обратный ток настолько мал, что даже не заметен и считается практически нулевым.

Обратный ток насыщения

Как известно, тепловая энергия непрерывно создает пары незанятых электронов и дырок. Допустим, что тепловая энергия создала электрон и дырку в обедненной области.

Область истощения выталкивает вновь созданный незанятый электрон в область n, заставляя его покинуть правый конец. Когда он достигает правого конца светодиода, он входит во внешний провод и течет к положительной клемме батареи.

С другой стороны, вновь созданная дырка помещается в p-область. Это дополнительное отверстие на p-стороне позволяет электрону с отрицательной клеммы батареи проникать в левый конец диода и падать в дырку.

Поскольку тепловая энергия постоянно создает электронно-дырочные пары в обедненной области, во внешней цепи протекает небольшой постоянный ток. Этот обратный ток, вызванный термически генерируемыми не основными носителями, называется током насыщения. Название «насыщение» означает, что увеличение обратного напряжения не приведет к увеличению количества термически произведенных не основных носителей.

Поверхностный ток утечки

В стабилитроне с возвратным смещением есть другой ток. По поверхности кристалла протекает небольшой ток, известный как ток поверхностной утечки.

Атомы на верхней и нижней поверхностях кристалла не имеют соседей. У них всего шесть электронов на валентной орбите. Это означает, что каждый поверхностный атом имеет две дырки. На изображении ниже показаны эти отверстия вдоль поверхности кристалла.

Благодаря этому электроны проходят через поверхностные дырки от отрицательного вывода батареи к положительному выводу батареи. Поэтому вдоль поверхности течет небольшой обратный ток.

Пробой

Существует предел величины возвратного напряжения, которое он может выдержать перед ростом. Если вы продолжите увеличивать противоположное напряжение, он в конечном счете достигнет резкого возрастания напряжения в полупроводнике.

Как только достигается возрастание напряжения в полупроводнике, в области обеднения из-за лавинного эффекта генерируется большое количество неосновных носителей, и он начинает сильно проводить в другом направлении.

Лавинный эффект

Как известно, в стабилитроне с возвратным смещением существует небольшой ток несущей. Когда оно увеличивается, оно заставляет не основные носители двигаться быстрее.

Эти неосновные носители, движущиеся с большой скоростью, сталкиваются с атомами кристалла и выбивают валентные электроны, производя больше электронов. Эти новые миноритарные носители присоединяются к существующим миноритарным носителям и сталкиваются с другими атомами, выбивающими больше электронов.

Нетронутый электрон вытесняет один валентный электрон, в результате чего образуются два незадействованных электрона. Эти два свободных электрона выбивают еще два электрона, в результате чего образуются четыре свободных электрона. Таким образом, количество электронов увеличивается в прогрессии: 1, 2, 4, 8…

Это постоянное столкновение с атомами порождает большое количество неосновных носителей, которые создают значительный обратный ток. И этот процесс продолжается до тех пор, пока обратный ток не станет достаточно большим, чтобы разрушить стабилитрон.

Диод: обозначение

На рисунке ниже показано условное обозначение. Символ выглядит как стрелка, указывающая со стороны p в сторону n. Сторона p называется анодом, а сторона n — катодом.

Диод I-V характеристики

На следующем рисунке показана базовая диодная схема, в которой диод смещен в прямом направлении. Резистор RS обычно используется для ограничения прямого тока IF.

После подключения этой схемы, если вы измерите напряжение и ток диода для прямого и противоположного смещения и построите график, то вы получите график, подобный этому:

В этом случае график называется вольт-амперной характеристикой (IV). Это наиболее значимый параметр диода, поскольку она определяет, какой ток протекает через диод при заданном напряжении.

Резистор является линейным устройством, потому что его кривая IV представляет из себя прямую линию. Но диод отличается. Это нелинейное устройство, потому что его кривая IV не является прямой линией. Это связано с барьерным потенциалом.

В зависимости от приложенного к нему напряжения диод будет работать в одной из трех областей: прямое смещение, возвратное смещение и увеличение.

Применение p-n перехода

Так работает простой диод, состоящий из p-n перехода. Говоря простым языком, p-n переход — это классический диод. Причем работать он может как при прямом, так и при другом включении. Вообще вся современная цифровая техника состоит из p-n переходов.

На их основе создаются транзисторы, тиристоры, микросхемы, логические элементы, процессоры и прочее.

Область прямого смещения

Когда напряжение на диоде меньше барьерного потенциала, через диод протекает небольшой ток. Когда напряжение на диоде превышает барьерный потенциал, ток, протекающий через диод, быстро увеличивается.

Напряжение, при котором ток начинает быстро возрастать, называется прямым напряжением (VF) диода. Это также называется напряжением включения или напряжением колена. Обычно кремниевый диод имеет VF около 0,7 В, а диод на основе германия — около 0,3 В.

Область возвратного смещения

Между нулевым током и увеличением, существует область другого смещения.

В этой области через диод протекает небольшой обратный ток. Этот обратный ток вызван термически произведенными неосновными носителями. Он настолько мал, что даже не заметен и считается практически нулевым.

Область роста электротока

Если вы продолжите увеличивать это напряжение, вы в конечном счете достигнете так называемого пробивного напряжения диода.

В этот момент в обедненном слое происходит процесс, называемый лавинным увеличением в полупроводнике, и диод начинает сильно проводить в обратную сторону, разрушаясь.

На графике видно, что оно имеет очень крутое колено, за которым следует почти вертикальный подъем тока.

Контролируемый лавинообразный подъем

Что произойдет, если напряжение потенциального барьера будет превышено? Например, оно равно 7 В. А в схеме источник 5 В. Если мы подключим источник на 8 В, то пойдет лавинообразный ток.

Неосновные носители заряда будут отцеплять основные. Отчасти этот процесс управляем, если напряжение источника не превышает того, которое может выдержать p-n-переход.

Электрический полъем

Если мы увеличим напряжение еще больше, произойдет электрический подъем. Эти явления широко используются на практике, например, в качестве стабилизаторов.

ГЛАВНОЕ! Ток не будет течь по цепи до тех пор, пока не появится напряжение, необходимое для открытия p-n перехода, смещенного в другом направлении.

И электопробой находится под контролем. Стабилитроны (так называют диоды, работающие в этом режиме) специально делают с большой шириной p-n переходов, которые долго работают при постоянных нагрузках.

Тепловой пробой

Но если радиодеталь изначально не была рассчитана на электрическое увеличение в полупроводнике, она быстро нагреется и произойдет теплопробой. Дырки и электроны получат тепловую энергию, из-за которой барьер будет полностью разрушен. Переход нагревается и трескается под воздействием температуры. Это необратимый процесс.

НО! В целом, когда техника «перегорает», это явление теплового возрастания электротока в полупроводнике, то есть превышение допустимой температуры.

При пайке также может произойти тепловой пробой. Достаточно немного перегреть деталь и p-n переход будет разрушен.

Следовательно, при прохождении через диод, превышающего его пропускную способность, также произойдет тепловой пробой в полупроводнике. То же самое касается рассеиваемой мощности.

Как избавиться от противоположного тока

Можно ли избавиться от такого тока? Для этого в переход добавляются металлические примеси, удаляющие неосновные носители заряда при данном включении.

Но и обратный ток можно использовать на практике. Например, с его помощью реализуют обратную связь, некоторые функции и измерения.

Как еще применяется включение

А еще оно соответствует конденсатору. Посмотрите на схему. Это две обкладки конденсатора, рядом с которыми посередине находится «диэлектрик». А электронно-дырочный переход имеет емкость. И это тоже используется на практике. Это полупроводниковый конденсатор.

В радиоприемниках вместо подстрочных конденсаторов приводят варикапы. Варикапы просты в настройке. Вам просто нужно применить напряжение с обратным смещением определенного значения, чтобы увеличить или уменьшить емкость.

Конечно, это не основное применение p-n перехода. Переход используется в цифровых технологиях по-разному.

Выпрямители, усилители, генераторы, процессоры, солнечные батареи и прочее. А то, что было описано выше о принципе работы p-n перехода, это принцип работы обычного диода.

Итог

Это самое простое, но полезное описание того, как работает p-n переход биполярных образований. Они бывают разных типов, и в полупроводниках существуют физические явления, происходящие резко при различных условиях.

Да и производство полупроводниковых приборов бывает разным. Полупроводники делятся на целые классы проектов со своими особенностями. А производство микропроцессоров компьютеров — это отдельный вид искусства.