Часть полупроводника n-типа или p-типа похожа на резистор, который не так полезен. Но когда производитель легирует монокристаллический кремний с помощью материала p-типа с одной стороны и n-типа с другой, возникает нечто новое — PN-переход.
PN-переходы — это элементарные строительные блоки полупроводниковых устройств, таких как диоды, транзисторы, солнечные элементы, светодиоды и интегральные схемы. Понимание этого позволяет понять работу всех этих устройств.
PN-переход
Поскольку мы знаем, что полупроводник p-типа имеет трехвалентные атомы, и каждый из них создает одну дырку, мы можем визуализировать это, как показано на рисунке ниже. Каждый обведенный кружком знак минус — это трехвалентный атом, а каждый знак плюс — это дыра в его валентной орбите.
Мы также знаем, что полупроводник n-типа имеет пятивалентные атомы, и каждый из них производит один свободный электрон, мы можем визуализировать это, как показано на следующем рисунке. Каждый обведенный кружком знак плюс — это пятивалентный атом, а каждый знак минус — это свободный электрон, который он вносит.
Производитель может изготовить один кристалл кремния с материалом p-типа на одной стороне и n-типом на другой стороне, как показано на рисунке. Граница между p-типом и n-типом называется PN-переходом.
Кристалл PN обычно известен как соединительный диод. Слово диод представляет собой сокращение двух электродов, где ди означает два.
Существует три возможных условия смещения для PN-соединения:
- Равновесие или нулевое смещение — внешнее напряжение не подается на PN-переход.
- Обратное смещение — положительная клемма источника подключена к n-типу, а отрицательная клемма источника подключена к p-типу.
- Прямое смещение — отрицательная клемма источника подключена к n-типу, а положительная клемма источника подключена к p-типу.
Давайте посмотрим на них один за другим.
Равновесие (нулевое смещение)
В PN-переходе без внешнего приложенного напряжения достигается условие равновесия. Посмотрим как.
Область истощения
Полупроводник n-типа имеет большее количество свободных электронов, чем полупроводник p-типа. Из-за этой высокой концентрации электронов на n-стороне они отталкиваются друг от друга.
Из-за отталкивания свободные электроны распространяются (рассеиваются) во всех направлениях. Некоторые из них пересекают границу между n и p. Когда свободный электрон входит в р-область, он притягивается к положительной дыре и рекомбинирует с ней. Когда это происходит, дыра исчезает, и свободный электрон становится валентным электроном.
Когда свободный электрон падает в дырку на p-стороне, атом p-стороны получает дополнительный электрон. Атом, который получает дополнительный электрон, имеет больше электронов, чем протонов, благодаря чему он становится отрицательным ионом.
Точно так же каждый свободный электрон, который покидает атом n-стороны, создает дыру в атоме n-стороны. Атом, который теряет электрон, имеет больше протонов, чем электронов, благодаря чему он становится положительным ионом.
Таким образом, каждый раз, когда электрон пересекает соединение и рекомбинирует с дыркой, он создает пару ионов. На следующем рисунке показаны эти ионы на каждой стороне соединения.
Каждая пара положительных и отрицательных ионов на стыке называется диполем. Создание диполя означает, что один свободный электрон с n-стороны и одна дырка с p-стороны выведены из оборота. По мере увеличения числа диполей область вблизи перехода истощается основными носителями заряда. Поэтому мы называем этот незаряженный регион областью истощения.
Барьерный потенциал
Каждый диполь имеет электрическое поле между положительными и отрицательными ионами. Всякий раз, когда свободный электрон пытается войти в область истощения, это электрическое поле выталкивает его обратно в область n.
Напряженность электрического поля увеличивается с каждой электронно-дырочной рекомбинацией внутри области обеднения. Поэтому электрическое поле в конечном итоге останавливает диффузию электронов через соединение, и достигается равновесие.
Электрическое поле между ионами эквивалентно разности потенциалов, называемых барьерным потенциалом. При комнатной температуре барьерный потенциал составляет примерно 0,3 В для германиевых диодов и 0,7 В для кремниевых диодов.
Прямое смещение
При прямом смещении p-тип соединен с положительной клеммой источника, а n-тип соединен с отрицательной клеммой источника. На следующем рисунке показан диод прямого смещения.
Если батарея подключена таким образом, дырки в p-области и свободные электроны в n-области выталкиваются в направлении перехода. Если напряжение батареи меньше барьерного потенциала (0,7 В), у свободных электронов недостаточно энергии, чтобы пройти через область истощения. Когда они попадают в область истощения, ионы выталкивают их обратно в n-область. Из-за этого ток не течет через диод.
Когда напряжение батареи превышает барьерный потенциал (0,7 В), свободные электроны имеют достаточно энергии, чтобы пройти через область истощения и рекомбинировать с дырками. Таким образом они начинают нейтрализовать область истощения, уменьшая ее ширину.
Когда свободный электрон рекомбинируется с дыркой, он становится валентным электроном. Как валентный электрон, он продолжает двигаться влево, переходя от одной дырки к другой, пока не достигнет левого конца диода.
Когда он покидает левый конец диода, появляется новая дырка и процесс начинается снова. Поскольку одновременно движутся миллиарды электронов, мы получаем непрерывный ток через диод.
Обратное смещение
Подключение p-типа к отрицательной клемме батареи и n-типа к положительной клемме соответствует обратному смещению. На следующем рисунке показан диод с обратным смещением.
Отрицательная клемма батареи притягивает дырки, а положительная клемма батареи притягивает свободные электроны. Из-за этого дырки и свободные электроны вытекают из соединения, оставляя положительные и отрицательные ионы позади. Следовательно, область истощения становится шире.
Ширина области истощения пропорциональна обратному напряжению. По мере увеличения обратного напряжения область истощения становится шире. Область истощения перестает расти, когда ее разность потенциалов равна приложенному обратному напряжению. Когда это происходит, электроны и дыры перестают двигаться от соединения.
Обратный ток
Обратный ток в диоде состоит из тока неосновной несущей и тока утечки на поверхность. Этот обратный ток настолько мал, что вы даже не можете его заметить, и он считается почти нулевым.
Обратный ток насыщения
Как известно, тепловая энергия непрерывно создает пары свободных электронов и дырок. Предположим, что тепловая энергия создала свободный электрон и дырку внутри области истощения.
Область истощения выталкивает вновь созданный свободный электрон в область n, заставляя его покинуть правый конец диода. Когда он достигает правого конца диода, он входит во внешний провод и течет к положительной клемме батареи.
С другой стороны, вновь созданная дырка помещается в область p. Эта дополнительная дырка на стороне p позволяет одному электрону с отрицательной клеммы батареи войти в левый конец диода и упасть в дырку.
Поскольку тепловая энергия непрерывно создает пары электрон-дырка внутри области истощения, во внешней цепи протекает небольшой непрерывный ток. Такой обратный ток, вызываемый термически создаваемыми неосновными носителями, называется током насыщения. Название насыщения означает, что увеличение обратного напряжения не приведет к увеличению количества термически производимых неосновных носителей.
Поверхностный ток утечки
В обратном смещенном диоде существует другой ток. Небольшой ток течет по поверхности кристалла, известной как ток поверхностной утечки.
Атомы на верхней и нижней поверхности кристалла не имеют соседей. У них всего шесть электронов на валентной орбите. Это означает, что у каждого поверхностного атома есть две дырки. Следующее изображение показывает эти дырки вдоль поверхности кристалла.
Из-за этого электроны проходят через поверхностные дырки от отрицательной клеммы батареи к положительной клемме батареи. Таким образом, небольшой обратный ток протекает вдоль поверхности.
Пробой
Существует предел того, сколько обратного напряжения выдержит диод перед пробоем. Если вы продолжите увеличивать обратное напряжение, диод в конечном итоге достигнет напряжения пробоя.
Как только напряжение пробоя достигнуто, большое количество неосновных носителей генерируется в области истощения за счет эффекта лавины, и диод начинает сильно проводить в обратном направлении.
Лавинный эффект
Как мы знаем, в диоде с обратным смещением присутствует небольшой ток несущей. Когда обратное напряжение увеличивается, оно заставляет неосновных носителей двигаться быстрее.
Эти неосновные носители, движущиеся с высокой скоростью, сталкиваются с атомами кристалла и выбивают валентные электроны, производя больше свободных электронов. Эти новые миноритарные носители присоединяются к существующим миноритарным носителям и сталкиваются с другими атомами, которые выбивают больше электронов.
Один свободный электрон смещает один валентный электрон, в результате чего образуются два свободных электрона. Эти два свободных электрона затем выбивают еще два электрона, в результате чего образуются четыре свободных электрона. Таким образом, число электронов увеличивается в геометрической прогрессии : 1, 2, 4, 8…
Это постоянное столкновение с атомами генерирует большое количество неосновных носителей, которые производят значительное количество обратного тока в диоде. И этот процесс продолжается до тех пор, пока обратный ток не станет достаточно большим, чтобы разрушить диод.
Диод — обозначение
На следующем рисунке показан схематический символ диода. Символ выглядит как стрелка, которая указывает 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 R S обычно используется, чтобы ограничить прямой ток I F.
После подключения этой схемы, если вы измерите напряжение и ток диода для прямого и обратного смещения и построите график, то вы получите график, который выглядит следующим образом:
Этот график называется вольт-амперная характеристика (IV). Это самая важная характеристика диода, потому что она определяет, сколько тока протекает через диод для данного напряжения.
Резистор является линейным устройством, потому что его кривая IV является прямой линией. Однако, диод отличается. Это нелинейное устройство, поскольку 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, обратное смещение и пробой.
Область прямого смещения
Когда напряжение диода меньше барьерного потенциала, через диод течет небольшой ток. Когда напряжение на диоде превышает барьерный потенциал, ток, протекающий через диод, быстро увеличивается.
Напряжение, при котором ток начинает быстро увеличиваться, называется прямым напряжением (VF) диода. Это также называется напряжением включения или напряжением колена. Как правило, кремниевый диод имеет VF около 0,7 В, а диод на основе германия имеет около 0,3 В.
Область обратного смещения
Область обратного смещения существует между нулевым током и пробоем.
В этой области небольшой обратный ток протекает через диод. Этот обратный ток вызван термически произведенными неосновными носителями. Этот обратный ток настолько мал, что вы даже не можете его заметить, и он считается почти нулевым.
Область пробоя
Если вы продолжите увеличивать обратное напряжение, вы в конечном итоге достигнете так называемого пробивного напряжения диода.
В этот момент в обедненном полупроводниковом слое происходит процесс, называемый лавинным пробоем, и диод начинает сильно проводить в обратном направлении, разрушаясь.
Из графика видно, что у пробоя очень острое колено с последующим почти вертикальным увеличением тока.
