Когда полупроводники вступают в контакт p– и n-типы электрическое контактное поле создается за счет диффузии электронов в полупроводник p-типа и дырок в полупроводник n-типа. Для основных носителей заряда формируется ограничивающий слой.
Урок 33: Электричество в полупроводниках
В полупроводниках атомы соединены друг с другом ковалентными связями (пара-электрон), которые прочны при низких температурах и слабом освещении. При повышении температуры и освещенности эти связи могут разрушаться с образованием свободного электрона и “дырки”.
Только электроны являются истинными частицами. Электронная проводимость обусловлена движением свободных электронов. Дырочная проводимость обусловлена движением связанных электронов, которые переходят от одного атома к другому, попеременно сменяя друг друга, что эквивалентно движению “дырок” в обратном направлении. Дырка” условно соответствует заряду “+”.
В чистых полупроводниках концентрация свободных электронов и “дырок” одинакова.
Примеси, которые легко отдают свои электроны, называются донорными примесями. Если их сложить, то получится полупроводник n-типа с электронной проводимостью.
Примеси, которые легко принимают электроны, называются акцепторными примесями. При их добавлении получается полупроводник p-типа с дырочной проводимостью.
Когда два полупроводника с разными типами проводимости вступают в контакт друг с другом, образуется так называемый p-n-переход.
Он обладает однонаправленной проводимостью.
Электронно-дырочный переход может быть сформирован различными способами:
Почему p-n-переход имеет однонаправленную проводимость
2) P-n-переход. Эффект односторонней проводимости.
p-n-переход (n-отрицательный, отрицательный, электрон, p-положительный, дырка), или электронно-дырочный переход, является одним из типов гомоперехода, Это зона p-узел это область полупроводника, в которой происходит пространственное изменение типа проводимости от электронного n к отверстию p.
Электронно-дырочный переход может происходить по-разному:
1) в объеме того же полупроводникового материала, легированного в одной части донорной примесью (n-), а в другом – акцептор (p-регион);
2) на границе между двумя различными полупроводниками с разными типами проводимости.
Если p-nформируется путем вплавления примесей в монокристалл полупроводника, переход от n– к р-область возникает внезапно (резкий перекресток). Если используется диффузия примесей, происходит плавный переход.
Энергетическая диаграмма p-n-a) Равновесное состояние b) При приложении постоянного напряжения c) При приложении обратного напряжения
На стыке двух регионов n– и p– Градиент концентрации носителей заряда заставляет последних диффундировать в область с противоположным типом проводимости. В p-области вблизи контакта после диффузии дырок из него остаются нескомпенсированные ионизированные акцепторы (отрицательные стационарные заряды), а в n-область некомпенсированных ионизированных доноров (положительные заряды). Это приводит к область пространственного заряда (SPZ), состоящий из двух противоположно заряженных слоев. Между нескомпенсированными противоположными зарядами ионизированных примесей создается электрическое поле, направленное от n-регион к p-область и называется электрическим полем диффузии. Это поле препятствует дальнейшей диффузии основных носителей через контакт – устанавливается равновесное состояние (существует небольшой ток основных носителей за счет диффузии и ток неосновных носителей за счет поля контакта, эти токи компенсируют друг друга). Между n– и p-В этих областях существует разность потенциалов, называемая контактной разностью потенциалов. Потенциал области n положителен по отношению к потенциалу p-регион. Обычно разность потенциалов контактов составляет одну десятую вольта.
Внешнее электрическое поле изменяет высоту барьера и нарушает равновесное течение тока носителей через барьер. Если положительный потенциал приложен к p-регион, потенциальный барьер будет снижен (дрейф вперед) и СПД будет сужен. В этом случае при увеличении приложенного напряжения количество основных носителей, способных пересечь барьер, возрастает экспоненциально. Когда эти носители превышают p -. nперекрестка, они становятся небазовыми. Следовательно, концентрация неосновных носителей с обеих сторон перехода увеличивается. В то же время в p– и n-области, равные количества носителей массы входят через контакты, вызывая компенсацию зарядов инжектированных носителей. Результатом является увеличение скорости рекомбинации и ненулевой ток через спай, который экспоненциально увеличивается с ростом напряжения.
Прикладывание отрицательного потенциала к p-область (обратное смещение) увеличивает потенциальный барьер. Диффузия основных носителей через переход становится пренебрежимо малой. В то же время поток неосновных носителей остается неизменным (для них нет барьера). Минорные носители втягиваются электрическим полем в p-n-и проходят через перекресток в соседний регион. Поток неосновных носителей определяется скоростью тепловой генерации электронно-дырочных пар. Эти пары диффундируют в барьер и разделяются его полем, что приводит к потоку электронно-дырочных пар через p-n-ток спая Is (ток насыщения), который обычно мал и почти не зависит от напряжения. Поэтому вольт-амперные характеристики p-n-перехода являются сильно нелинейными. Изменяя знак U ток через переход может измениться в 105-106 раз. Поэтому p-n-переход-переход может использоваться для выпрямления переменного тока (диод).
Если переход подключен к источнику таким образом, что положительный полюс источника подключен к – области, а отрицательный – к – области, напряженность электрического поля в ограничивающем слое будет уменьшаться, облегчая перенос базовых носителей через контактный слой. Дырки из -области и электроны из -области, двигаясь навстречу друг другу, будут пересекать переход, создавая ток в прямом направлении. Ток, протекающий через спай, будет увеличиваться по мере увеличения напряжения источника.
Почему p n-переход имеет однонаправленную проводимость
Полупроводники играют уникальную роль в современной электронике. За последние три десятилетия они почти полностью заменили электровакуумные приборы.
Каждый полупроводниковый прибор содержит один или несколько электронно-дырочных переходов. Электронно-дырочный переход (или -переход) – это область контакта между двумя полупроводниками с разными типами проводимости.
В полупроводнике типа — основными носителями свободного заряда являются электроны; их концентрация намного выше, чем у дырок (). В полупроводнике типа — основными носителями являются дырки (). Когда два полупроводника – и -типа вступают в контакт друг с другом, начинается процесс диффузии: дырки из -области переходят в -область, а электроны, наоборот, из -области в -область. В результате концентрация электронов уменьшается в -области вблизи контактной зоны и появляется положительно заряженный слой. В -области концентрация дырок уменьшается и образуется отрицательно заряженный слой. Таким образом, на границе раздела полупроводников образуется двойной электрический слой, поле которого препятствует процессу диффузии электронов и дырок навстречу друг другу (рис. 1.14.1). Область границы раздела между полупроводниками разного типа проводимости (так называемый блокирующий слой) обычно достигает толщины в десятки или сотни межатомных расстояний. Пространственные заряды в этом слое создают блокирующее напряжение между – и – телами. зоколо 0,35 В для германиевых переходов и 0,6 В для кремниевых переходов.
Разъем – обладает удивительным свойством однонаправленной проводимости.
Если полупроводник с переходом подключен к источнику тока таким образом, что положительный полюс источника подключен к -области, а отрицательный – к -области, напряженность поля в ограничивающем слое увеличится. Дырки в -области и электроны в -области будут удаляться от перехода, увеличивая концентрацию носителей массы в барьерном слое. Через спай практически не протекает ток… Напряжение на границе раздела – называется обратным напряжением. Очень малый обратный ток возникает только из-за внутренней проводимости полупроводникового материала, т.е. из-за наличия небольшой концентрации свободных электронов в – области и дырок в – области.
Если переход подключен к источнику таким образом, что положительный полюс источника подключен к – области, а отрицательный – к – области, напряженность электрического поля в барьерном слое уменьшится, облегчая прохождение основных носителей через контактный слой. Дырки из -области и электроны из -области, двигаясь навстречу друг другу, будут пересекать переход, создавая ток в прямом направлении. Ток, протекающий через спай, будет увеличиваться по мере увеличения напряжения источника.
Способность спая проводить ток практически только в одном направлении используется в устройствах, называемых полупроводниковыми диодами. Полупроводниковые диоды изготавливаются из кристаллов кремния или германия. При их изготовлении в кристалл с одним типом проводимости вплавляется примесь, обеспечивающая другой тип проводимости.
Полупроводниковые диоды используются в выпрямителях для преобразования переменного тока в постоянный. Типичная вольт-амперная характеристика кремниевого диода показана на рисунке 1.14.2.
Полупроводниковые диоды имеют много преимуществ перед вакуумными диодами – малые размеры, длительный срок службы и механическая прочность. Существенным недостатком полупроводниковых диодов является их температурная зависимость. Кремниевые диоды, например, могут удовлетворительно работать только в диапазоне температур от -70 °C до 80 °C. Германиевые диоды имеют несколько более широкий диапазон рабочих температур.
Полупроводники с двумя переходами вместо одного называются транзисторами. Название происходит от сочетания английских слов transfer и resistor. Обычно транзисторы изготавливаются из германия и кремния. Существует два типа транзисторов: —транзисторы и —транзисторы. Например, германиевый транзистор —- представляет собой небольшую пластину германия с донорной примесью, т.е. полупроводника типа -. В этой пластине формируются две области с акцепторной примесью, т.е. области с дырочной проводимостью (рис. 1.14.3). В транзисторе —- основная германиевая пластина имеет проводимость типа —, а две области, сформированные на ней, имеют проводимость типа — (рис. 1.14.4).
Пластина транзистора называется базой (B), одна из областей с противоположным типом проводимости называется коллектором (C), а другая – эмиттером (E). Коллектор обычно больше эмиттера. В схематических обозначениях стрелка эмиттера указывает направление тока, протекающего через транзистор.
Оба разъема транзисторов подключены к двум источникам тока. На рисунке 1.14.5 показано включение —структуры в транзисторную схему. Переход эмиттер-база включен в прямом (сквозном) направлении (цепь эмиттера), а переход коллектор-база включен в блокирующем направлении (цепь коллектора).
Пока цепь эмиттера разомкнута, ток в цепи коллектора очень мал, поскольку основные свободные носители заряда – электроны в базе и дырки в коллекторе – находятся в ловушке.
Когда цепь эмиттера замкнута, дырки – основные носители заряда в эмиттере – перемещаются от эмиттера к базе, создавая ток w э. Но для отверстий, попавших в базу из эмиттера, переход – в коллекторной цепи открыт. Большинство дырок захватываются полем этого перехода и попадают в коллектор, генерируя ток величиной к. Чтобы ток коллектора был почти равен току эмиттера, база транзистора делается в виде очень тонкого слоя. Если ток в цепи эмиттера изменяется, ток в цепи коллектора также изменяется.
Если в цепь эмиттера включен источник переменного напряжения (рис. 1.14.5), то на резисторе, включенном в цепь коллектора, также возникает переменное напряжение, амплитуда которого может во много раз превышать амплитуду входного сигнала. Поэтому транзистор действует как усилитель переменного напряжения.
Однако эта схема транзисторного усилителя неэффективна, поскольку отсутствует коэффициент усиления по току и весь ток эмиттера протекает через входные источники э. В реальных транзисторных усилителях источник переменного напряжения подключен так, что через него протекает только небольшой ток базы б = э – к. Небольшие изменения тока базы вызывают большие изменения тока коллектора. Коэффициент усиления по току в таких схемах может исчисляться сотнями.
В настоящее время полупроводники очень широко используются в радиоэлектронике. Современные технологии позволяют использовать полупроводники – диоды, транзисторы, полупроводниковые фотодетекторы и т.д. – размером в несколько микрометров. Качественно новым этапом в электронике стало развитие микроэлектроники, которая занимается разработкой интегральных схем и принципов их применения.
Интегральная схема представляет собой комбинацию большого количества взаимосвязанных компонентов – сверхмалых диодов, транзисторов, конденсаторов, резисторов, соединительных проводов, изготовленных в едином процессе на одном кристалле. Микрочип размером с микросхему может содержать несколько сотен тысяч микроэлектронных элементов.
Использование микропроцессоров привело к революционным изменениям во многих областях современной электронной техники. Это особенно ярко проявляется в электронно-вычислительной технике. Персональные компьютеры пришли на смену громоздким компьютерам, которые содержали десятки тысяч электронных ламп и занимали целые здания.
При прямом смещении положительный потенциал прикладывается к области p-типа, а отрицательный – к области n-типа, соответственно:
Структура полупроводникового диода, p-n-переход.
Вернемся к основам электроники, и в этой статье мы рассмотрим очень важную базовую концепцию, а именно p-n-переход! И, конечно же, рассмотрим работу устройства, сердцем которого является уже упомянутый p-n-переход, т.е. полупроводниковый диод. ?
И прежде всего, мы подробно рассмотрим структуру p-n-перехода и химические процессы, происходящие в нем, которые фактически определяют, как он работает. Основные термины, которые мы будем использовать сегодня, – это “электроны” и “дырки”. Хотя электрон очевиден, физический смысл дырок стоит объяснить более подробно.
Полупроводниковые материалы, из которых изготавливаются p-n-переходы, характеризуются тем, что сочетают в себе свойства как проводника, так и диэлектрика. В кристаллической структуре проводников имеется множество свободных носителей заряда, которые под воздействием электрического поля начинают двигаться, и это определяет способность проводника проводить электричество.
В диэлектриках связь между молекулами и атомами очень прочная, поэтому там нет свободных носителей заряда (все молекулы жестко закреплены на своем месте в кристаллической решетке). Поэтому диэлектрики не позволяют электричеству проходить через них.
В полупроводники не так просты. В общем, чтобы электрон покинул свое место, т.е. вышел из атома, ему необходим определенный уровень внутренней энергии. Эта энергия может возникнуть, например, в результате повышения температуры. Значение этой внутренней энергии гораздо ниже для полупроводников, чем для диэлектриков. Это ключевой момент!
При низких температурах большинство электронов в полупроводнике “сидят” на своих местах, и поэтому проводимость тока очень низкая. Следовательно, по мере повышения температуры способность полупроводника проводить ток улучшается.
Этот процесс был завершен: Таким образом, при повышении температуры в полупроводнике увеличивается количество свободных электронов.
Когда связь электрона с ядром атома разрывается, в электронной оболочке атома появляется свободное пространство. Атом получает положительный заряд, потому что изначально заряд был нейтральным, а электрон, имеющий отрицательный заряд, покинул атом ? .
Однако свободное пространство недолго остается пустым, потому что в него внедряется электрон из соседнего атома. И этот процесс повторяется снова и снова. Таким образом, положительный заряд смещается. Именно этот условный(!) положительный заряд и называется дыркой.
Этот механизм проводимости называется внутренней проводимостью полупроводника. Однако на практике, особенно в транзисторах и диодах, используются полупроводники с примесями, поскольку проводимость примесей намного выше, чем собственная проводимость.
Примеси делятся на:
- Донор, т.е. даритель
- Приемник, т.е. получающий
Давайте рассмотрим классический пример, кремний и мышьяк ? Кремний имеет 4 электрона (валентных электрона) на внешней оболочке атома. Мышьяк имеет 5 таких электронов. Атом мышьяка отдает 4 своих электрона для образования связи с 4 электронами атома кремния. Один из 5 валентных электронов не участвует в связи.
В мышьяке энергия связи этого пятого электрона довольно низкая. Настолько, что даже при низких температурах атомы мышьяка теряют свои несвязанные электроны с кремнием. Но в этом случае, поскольку в соседних атомах нет свободных пространств, нет дырок и практически отсутствует “дырочная” проводимость. Таким образом, мы получили электронопроводящий полупроводник – полупроводник n-типа.
Если в качестве примеси взять 3-валентный элемент (3 электрона на внешней оболочке атома), то при добавлении этой примеси к кремнию (4 электрона) одно место останется свободным. Это место будет “занято” электроном соседнего атома и так далее, то есть будет происходить процесс вытеснения дырок. Таким образом, мы получаем полупроводник p-типа.
Это мы тоже решили ? Теперь перейдем непосредственно к рассмотрению p-n-перехода!
Итак, p-n-переход (электронно-дырочный переход) – это область, где контактируют два полупроводника с разными типами проводимости (p-типа и n-типа):
Обе области электрически нейтральны. Только один из них содержит свободно движущиеся дырки, а другой – электроны.
Когда полупроводники разных типов вступают в контакт друг с другом, возникает диффузионный ток. Это происходит потому, что свободные носители (электроны и дырки) стремятся переместиться из области, где их много, в область, где их мало. После прохождения через переход частицы рекомбинируют друг с другом. В результате вблизи границы перехода образуются избыточные заряды:
На рисунке показаны только свободные носители заряда в каждой области.
Давайте объясним этот процесс немного подробнее… Один из электронов перемещается из области n-типа и “занимает” свободное пространство, т.е. образуется дырка в области p-типа. На прежнем месте этого электрона в области n-типа появляется дырка (потому что электрона там больше нет). И в результате оказывается, что в области p-типа вблизи перехода скапливаются электроны, а в области n-типа, наоборот, обнаруживаются дырки. Не будем забывать, что дырка – это не реальная частица, а условный (!) положительный заряд.
Но этот процесс не может продолжаться бесконечно по одной простой причине. Поскольку на границе образуются два новых слоя, создается дополнительное электрическое поле, которое они генерируют. Под действием этого поля возникает так называемый дрейфовый ток, который направлен противоположно диффузионному току. А при определенной концентрации частиц вблизи границы перехода наступает равновесие между этими течениями, и процесс прекращается:
Строго говоря, p-n-переход – это именно та область, в которой практически нет свободных носителей заряда (обедненная область). Чтобы выйти из этого положения равновесия, мы можем приложить к переходу внешнее напряжение. Различают прямое и обратное смещение.
При прямом смещении положительный потенциал прикладывается к области p-типа, а отрицательный, соответственно, к области n-типа:
В этом случае внешнее электрическое поле (от источника напряжения) противоположно тому, которое существует внутри спая. В результате диффузионный ток начинает преобладать над током дрейфа, поскольку это внешнее поле заставляет дырки перемещаться из области p-типа в область n-типа, а электроны – в противоположном направлении.
Это создает ток проводимости, направление которого противоположно движению электронов.
С другой стороны, обратная тенденция выглядит следующим образом:
Эта комбинация приводит только к увеличению областей, где нет свободных носителей заряда. Действительно, под действием электрического поля при обратном смещении свободные электроны и дырки будут удаляться от границы слоя.
В результате диффузионный ток уменьшится до максимума и будет преобладать дрейфовый ток. В этом случае протекающий ток называется обратным током (его величина очень мала по сравнению с прямым током).
Полупроводниковый прибор с одним из этих параметров p-n-переходназывается диодом. Его выводы (электроды) называются анодом и катодом. На электрических схемах полупроводниковый диод обозначается следующим образом:
Ключевой характеристикой диода является вольт-амперная характеристика (ВАХ). Это зависимость между током, протекающим через диод, и приложенным к нему напряжением:
Как вы можете видеть, это точно так же, как мы обсуждали для p-n-перехода. Правая часть графика относится к прямому смещению перехода. При увеличении напряжения прямой ток также увеличивается. Обратите внимание, что при прямом смещении напряжение должно достичь определенного значения, чтобы диод хорошо пропускал ток. Если напряжение меньше этого значения (хотя и создает прямое смещение), пропускная способность диода по току будет низкой.
При обратном подключении (левая ветвь характеристики) ток достигает определенного значения и перестает увеличиваться. Это процесс, при котором протекает небольшой обратный ток. Если вы продолжите увеличивать напряжение, p-n-переход выйдет из строя (подробнее о ситуации с выходом из строя мы поговорим в статье о стабилизаторе ? ).
Таким образом, можно сказать, что диод позволяет току течь в одном направлении и препятствует протеканию тока в противоположном направлении.
И это все на сегодня, мы рассмотрели основные процессы в p-n-переход и полупроводниковый диод. Вскоре, буквально в одной из следующих статей, мы обсудим основные применения диодов. Мы будем рады видеть вас снова на нашем сайте!
В этом случае некоторые электроны, получив достаточно энергии, чтобы совершить работу по освобождению, вылетают из нити, образуя вокруг нее “электронное облако”. Когда между нитью и анодом создается электрическое поле, электроны летят к электроду, если он соединен с положительным полюсом батареи, и отталкиваются обратно к нити, если она соединена с отрицательным полюсом источника, т.е. имеет тот же заряд, что и электроны.
Таким образом, n-p-переход в полупроводнике имеет однонаправленную проводимость.
Это свойство полупроводников широко используется в устройствах, называемых полупроводниковые диоды. Они являются основными компонентами выпрямителей переменного тока и детекторов электромагнитных сигналов.
На предыдущих уроках мы начали изучать условия, при которых электрический ток течет в различных средах. Из экспериментов Мандельштама и Папалекси мы узнали, что носителями тока в металлах являются свободные электроны. Другими словами, металлы обладают электронной проводимостью.
Мы также узнали, что проводимость в полупроводниках обусловлена движением электронов и дырок. Напомним, что проводимость полупроводников за счет свободных электронов называется электронная проводимостьи проводимость, обусловленная движением дырок …проводимость отверстий… полупроводники.
Однако в обоих случаях свободные носители заряда появляются в результате специфических процессов, происходящих при протекании электрического тока. Возможно ли распространение электрического тока в вакууме, характеризующемся “отсутствием” материи и, следовательно, отсутствием электрических зарядов?
Поскольку в вакууме нет свободных носителей заряда, он является идеальным диэлектриком. Давайте проверим это с помощью эксперимента. Возьмите посуду, из которой удален воздух. В блюдо впаяны две металлические пластины, два электрода.
Подключите один из них (анод) к положительному полюсу источника тока, а другой (катод) – к отрицательному. Также включите в схему чувствительный миллиамперметр. Замкните цепь – измерительный прибор показывает отсутствие тока. Это указывает на то, что в вакууме действительно нет свободных носителей заряда.
Поэтому, чтобы электрический ток протекал в вакууме, в нем должна быть некоторая концентрация свободных носителей заряда, “созданная” в вакууме заранее каким-то образом.
Давайте изменим этот эксперимент. Припаяем к сосуду в качестве катода проволоку (нить накала) и закрепим ее концы снаружи. Этот провод по-прежнему является катодом. Мы используем другой источник тока, чтобы заставить его светиться. Вы заметите, что как только нить накаливания загорится, миллиамперметр в цепи покажет силу тока, и она будет тем больше, чем выше горит нить. Таким образом, нагретая нить обеспечивает наличие носителей заряда, необходимых для существования тока в вакууме.
Давайте теперь определим заряд этих частиц. Для этого мы меняем полюса на электродах, впаянных в сосуд: нить накала делаем анодом, а противоположный полюс – катодом. Хотя нить накаливания продолжает светиться и посылать заряженные частицы в вакуум, тока в цепи нет.
Этот эксперимент показывает, что частицы, испускаемые нитью, заряжены отрицательно, потому что они отталкиваются от электрода, когда он заряжен отрицательно. Поэтому носителями тока в вакууме являются электроны.
Явление испускания электронов веществом при его нагревании называется тепловой электронной эмиссией.Электроны, испускаемые нагретым телом, называются термоядерные электроныи само тело излучатель.
Явление термоионной эмиссии было открыто в 1853 году французским физиком Эдмоном Беккерелем. За ним 13 февраля 1880 года последовал Томас Эдисон (после чего явление было названо эффектом Эдисона). Однако объяснить явление теплового излучения удалось только после открытия Джозефа Томсона в 1897 году. В том же году британский физик Оуэн Уэланс Ричардсон начал работу над проблемой, которую он позже назвал “термоионная эмиссия электронов”. Согласно его теории, основанной на теории электронов, свободные электроны в металле находятся в хаотическом движении. При накаливании нити это движение усиливается.
В этом случае некоторые электроны, получив достаточно энергии, чтобы совершить работу по освобождению, вылетают из нити накала, образуя рядом с ней “электронное облако”. Когда между нитью и анодом создается электрическое поле, электроны будут лететь к электроду, если он соединен с положительным полюсом батареи, и отталкиваться обратно к нити, если она соединена с отрицательным полюсом источника, т.е. имеет тот же заряд, что и электроны.
Вакуумные приборы, работа которых основана на явлении тепловой эмиссии, называются электронные лампы.
Самый простой из них, вакуумный диод, содержит два электрода. Первая, спираль из тугоплавкого материала, такого как вольфрам или молибден, которая нагревается током, называется катодом. Другой, холодный электрод, собирающий термоэлектроны, называется анодом и обычно имеет цилиндрическую форму со светящимся катодом в центре. Схематически вакуумный диод показан на рисунке.
Наиболее важной характеристикой диода является его вольт-амперная характеристика при постоянном напряжении накала. Для этой цели мы будем использовать схему, в которой применяется катодный диод с промежуточной нитью накала. Таким образом, когда напряжение между катодом и анодом равно нулю, электроны, вылетающие из катода, создают вокруг катода электронное облако (пространственный отрицательный заряд), которое отталкивает электроны, вылетающие из катода.
Большинство электронов возвращается на катод, и только небольшое их количество достигает анода. По мере увеличения анодного напряжения количество электронов, достигающих анода, увеличивается, а электронное облако постепенно уменьшается. Когда все термоэлектроны достигают анода, анодный ток достигает насыщения. Дальнейшее увеличение напряжения не приводит к увеличению анодного тока, т.е. ток через диод не зависит от напряжения. Этот ток называется током насыщения. ток насыщения.Чтобы увеличить ток насыщения, необходимо повысить температуру катода за счет увеличения тока накала.
Поскольку вольт-амперные характеристики вакуумного диода являются нелинейными, диод является нелинейным элементом. Поскольку ток в лампе возможен только тогда, когда положительный полюс батареи соединен с анодом, а отрицательный – с катодом, Вакуумные диоды обладают однонаправленной проводимостью. Действительно, при изменении полярности приложенного напряжения и если оно достаточно высокое (при замедляющее напряжение) Электроны синтеза не достигают анода, и ток через трубку не течет.
Для контроля тока внутри трубки вводятся дополнительные электроды, называемые экранами, поскольку они обычно имеют форму металлических сеток или спиралей, окружающих катод. В зависимости от общего количества экранов, трубки называются триоды (анод, катод и управляющая сетка), тетроды (анод, катод и две сетки) и пентоды (анод, катод и три сетки).
Если в аноде вакуумной трубки сделать отверстие, то через него пролетит некоторое количество электронов. Их движением можно управлять с помощью электрических и магнитных полей.
По этой же причине предельная рабочая температура полупроводника выше. Для германия – 80º C, кремния – 150º C, арсенида галлия – 250º C (DE = 1,4 эВ). При более высоких температурах число носителей заряда увеличивается, сопротивление кристалла уменьшается, и полупроводник подвергается термическому разрушению.
p-n-переход и его электрические свойства
Принцип работы полупроводниковых приборов объясняется свойствами так называемого электронно-дырочного перехода (p-n-перехода), который представляет собой переходную зону между полупроводниковыми областями с различными механизмами проводимости.
Электронно-дырочный переход – это область полупроводника, где тип проводимости меняется в пространстве (с электронного на электрический). электронный группа n – отверстие – p-регион). Поскольку в p-области электронно-дырочного перехода концентрация дырок намного выше, чем в n-области, дырки из n-области стремятся диффундировать в электронную область. Электроны диффундируют в p-область.
В исходный полупроводник (обычно четырехвалентный германий или кремний) добавляются атомы пяти- или трехвалентных примесей (фосфор, мышьяк или алюминий, индий и т.д.) для создания n-типа или p-типа проводимости, соответственно.
Атомы пятивалентных примесей (доноров) легко отдают один электрон в зоне проводимости, создавая избыток электронов в полупроводнике, не участвующих в образовании ковалентной связи; проводник приобретает проводимость n-типа. Введение трехвалентных примесей (акцепторов) приводит к тому, что последние, выбирая один электрон из атомов полупроводника для образования недостающей ковалентной связи, придают полупроводнику проводимость p-типа, поскольку создаваемые при этом дырки (уровни свободной энергии в валентной полосе) ведут себя как положительные носители заряда в электрическом или магнитном поле. Дырки в полупроводнике p-типа и электроны в полупроводнике n-типа называются основными носителями, в отличие от неосновных носителей (электронов в полупроводнике p-типа и дырок в полупроводнике n-типа), которые создаются тепловыми колебаниями атомов в кристаллической решетке.
Если полупроводники разных типов проводимости привести в контакт (контакт создается технологически, но не механически), то электроны в полупроводнике n-типа могут занять вакантные уровни в валентной полосе полупроводника p-типа. Происходит следующее рекомбинация электронов с дырками вблизи границы различных типов полупроводников.
Этот процесс аналогичен диффузии свободных электронов из полупроводника n-типа в полупроводник p-типа и диффузии дырок в обратном направлении. Удаление базовых носителей на границе между полупроводниками разных типов приводит к образованию слоя, лишенного подвижных носителей, где в полупроводнике n-типа будут присутствовать положительные донорные ионы. донор атомы в области n и отрицательные ионы в области p акцептор атомы. Этот слой с подвижной длиной обеднения носителей в доли микрона является электронно-дырочным электронно-дырочный переход.
Потенциальный барьер на p-n-переходе.
Если к полупроводнику приложить электрическое напряжение, p-n-переход будет проявлять совершенно разные свойства в зависимости от полярности этого напряжения.
Свойства p-n-перехода при непосредственном соединении.
Свойства p-n-перехода в обратном соединении.
Таким образом, с некоторым приближением можно предположить, что электрический ток протекает через p-n-переход, если полярность напряжения питания постоянна, и, наоборот, не протекает при изменении полярности.
Однако, помимо зависимости генерируемого тока от внешней энергии, такой как источник питания или фотоны света, что используется в некоторых полупроводниковых устройствах, существует термогенерация. В этом случае концентрация естественных носителей заряда быстро уменьшается, поэтому IOBR Таким образом, если переход подвергается воздействию внешней энергии, возникает пара свободных зарядов: электрон – дырка. Каждый носитель заряда, созданный в области массового заряда p–n будет воспринята электрическим полем EBH и выбрасывается: электрон w n-регион, отверстие для p– регион. Возникает электрический ток, который пропорционален ширине зоны массового заряда. Это объясняется тем, что чем больше EVH тем шире область электрического поля, в которой рождаются и разделяются носители заряда. Как упоминалось выше, скорость генерации носителей заряда в полупроводнике зависит от концентрации и энергетического положения глубоких примесей, присутствующих в материале.
По этой же причине предельная рабочая температура полупроводника выше. Для германия – 80º C, кремния – 80º C: 150º C, арсенид галлия: 250º C (DE = 1,4 эВ). При более высоких температурах число носителей заряда увеличивается, сопротивление кристалла уменьшается, и полупроводник термически разрушается.
Вольт-амперные характеристики p-n-перехода.
Вольт-амперная характеристика (VA) – это графическое представление потока через p-n-переход ток, протекающий через p-n-переход в зависимости от приложенного внешнего напряжения I=f(U). Вольт-амперная характеристика p-n-перехода для прямого и обратного хода показана ниже.
Она состоит из прямой (0-A) и обратный (0-B-C) линии; вертикальная ось представляет собой прямой и обратный ходоткладываются по вертикальной оси, а прямой и обратный ход – по оси абсцисс прямое и обратное напряжение.
Напряжение от внешнего источника, приложенное к p-n-переход почти полностью сосредоточена на переходе обеднения носителей. В зависимости от полярности возможны два фиксированных напряжения вперед или назад.
На стороне вперед (рис. справа – вверху) внешнее электрическое поле направлено на внутреннее и ослабляет его частично или полностью, снижая высоту потенциального барьера (Rpr). На стороне обратный обратное соединение (рис. справа – внизу) электрическое поле совпадает по направлению с p-p поле и приводит к увеличению потенциального барьера (Ропр).
CVC p-n-перехода описывается аналитической функцией:
U — внешнее напряжение соответствующего знака, приложенное к переходу;
Io = It — обратный (тепловой) ток p-n-перехода;
— температурный потенциал, где k – постоянная Больцмана, q – элементарный заряд (при T = 300K, 0,26 В).
При постоянном напряжении (U>0) экспоненциальная составляющая быстро возрастает [], единица в скобках может быть опущена и . При обратном напряжении (U<0) экспоненциальная составляющая стремится к нулю, и ток, протекающий через спай, почти равен обратному току; Ip-n = -Io.
Разложение p-n-перехода.
Разбивка это резкое изменение режима работы спая, когда он находится под обратным напряжением.
Характерной чертой этого изменения является быстрое падение дифференциальное сопротивление спая (Rdif). Соответствующий участок вольт-амперной характеристики показан на рисунке справа (обратная ветвь). После начала пробоя наблюдается небольшое увеличение обратного напряжения, за которым следует резкое увеличение обратного тока. В процессе пробоя ток может увеличиваться, в то время как обратное напряжение остается постоянным или даже уменьшается (по модулю) (в последнем случае дифференциальное сопротивление Rdif является отрицательным).
Сбой может быть лавинный пробой, туннельный пробой и тепловой пробой. Как срыв туннеля, так и срыв лавины называются электрический сбой.
Читайте далее:- Биполярные транзисторы.
- Полупроводники – материал для подготовки к Единому государственному экзамену по физике.
- Полупроводниковые диоды.
- Электрический ток в полупроводниках.
- Как работает транзистор.
- Основные параметры выпрямительных диодов; Школа для инженеров-электриков: Электротехника и электроника.
- Типы эмиссии электронов.