Меню

Какие носители заряда обеспечивают прохождение тока через p n переход

p-n-переход

подскажите, что вы можете рассказать про Формирование потенциального барьера в p-n-переходе?

оводимости (p- и n-типа) , то между ними также возникает потенциальный барьер, так называемый электронно-дырочный переход или pn-переход. Рассмотрим как он появляется и каковы его физические свойства.

При возникновении контакта двух полупроводников, в одном из которых высока концентрация дырок (p-тип) , а в другом — свободных электронов (n-тип) вследствие теплового движения начинается диффузия основных носителей заряда из «родного» полупроводника в соседний, где концентрация таких частиц во много раз меньше. Дырки переходят из p-полупроводника в n-полупроводник, электроны — из n- в p-полупроводник.
Энергетические диаграммы pn-перехода (a-прямое смещение; б-обатное. )

В результате диффузии электронов из n-области в дырочную и дырок из p-области в электронную на границе между этими областями образуется двойной слой разноименных зарядов, и, следовательно, контактная разность потенциалов, которая в случае pn-перехода выше, чем на контакте “металл-полупроводник” и составляет 0,4. 0,8В.

При этом, также как и в случае контакта «металл-полупроводник», на границе возникает электрическое поле, препятствующее дальнейшему переходу носителей заряда. То есть, в приграничной области происходит изгиб зон таким образом, что для перехода из одного полупроводника в другой носителям требуется дополнительная энергия. В p-полупроводнике зоны изгибаются вниз, создавая потенциальный барьер для дырок, в n-полупроводнике изгибаются вверх — потенциальный барьер для электронов (см. рис.) .

В приграничном слое возникает динамическое равновесие: рекомбинирующие носители заменяются новыми, но общее количество носителей остается постоянным.

При прямом смещении, когда положительный потенциал подан на p-область, дырки устремляются навстречу электронам, которые, преодолевая пониженный потенциальный барьер в области pn-перехода попадают в p-область. При этом происходит рекомбинация электронов и дырок. Вследствие этого «чужие» носители заряда не проникают глубь полупроводников, погибая в области pn-перехода. Протекание тока при этом можно представить в виде двух потоков — электронов и дырок, которые втекают в область рекомбинации с противоположных сторон. С увеличением напряжения возрастают скорости втекающих электронов и дырок и, соответственно, скорость их рекомбинации.
Вольт-амперная характеристика pn-перехода

Для pn-перехода прямая ветвь ВАХ pn-перехода такая же, как и в предыдущем случае. В области малых напряжений энергия электрического поля затрачивается в основном на компенсацию контактного электрического поля и понижение потенциального барьера. Поскольку при этом лишь малая часть носителей заряда обладает энергией, достаточной для преодоления потенциального барьера, то сопротивление контакта еще велико, ток через контакт незначительный и соответствующий этой ситуации участок 0A прямой ветви ВАХ имеет слабый наклон. При дальнейшем увеличении напряжения энергия носителей оказывается достаточной для преодоления потенциального барьера и ток резко возрастает (участок AB на ВАХ) . Для одного и того же полупроводникового материала основное отличие ВАХ контакта «металл-полупроводник» и pn-перехода заключается в том, что высота потенциального барьера pn-перехода обычно больше, чем у барьера Шоттки и точке А соответствует большее напряжение.

При обратном смещении pn-перехода основные носители заряда оттягиваются от pn-перехода, высота потенциального барьера для них повышается (см. рис.) , поэтому основные носители заряда не участвуют в создании электрического тока. Ток образуется неосновными носителями, концентрация которых гораздо меньше. Поэтому ток, протекающий при обратном смещении, гораздо меньше тока при прямом смещении.

Обратная ветвь ВАХ pn-перехода полностью аналогична соответствующей характеристике контакта «металл-полупроводник».

На вопрос отвечает Новая концепция электричества Твердохлебова Г. А.
Никакого потенциального барьера в p-n переходе нет, как и нет перехода дырок из p-полупроводника в n-полупроводник, как пишет предыдущий автор, потому, что дырки в металлах и полупроводниках неподвижны.

Источник

Токи р-n перехода

Выше было рассмотрено диффузионное перемещение через р–п переход дырок и электронов. Этот поток носителей представляет собой диффузионный ток:

Читайте также:  Расчет предохранителя для постоянного тока

I диф = Ipp + Inn, (3)

где Ipp– ток, образованный дырками области р–типа;

I nn – ток, образованный электронами области n типа.

Поле р–п перехода, являясь тормозящим для основных носителей, а для неосновных носителей ускоряющее. Под воздействием его не основные носители перемещаются в смежную область. Их поток представляет собой дрейфовый ток:

I др =I pn + Inp, (4)

где I рn, –ток, образованный дырками области n–типа;

I np–ток, образованный электронами области р–типа.

В отсутствии внешнего электрического поля:

Для случая равновесия обозначим I диф =I од, а I др =I o и тогда

I oд = I о (6)

Следует заметить, что диффузионный и дрейфовый токи направлены в противоположные стороны, поэтому результирующий ток через р–п переход равен 0.В условиях динамического равновесия через р–п переход переходят только те свободные носители, энергия которых выше высоты потенциального барьера.

Влияние внешнего напряжения на р–п переход.

Прямое включение – источник напряжения подключен знаком «плюс» к области р–типа и «минусом» к области n–типа. Обратное включение противоположно прямому. При прямом включении электрическое поле источника напряженностью Enp направленo навстречу контактному полю Е и результирующая напряженность будет равна Е1= Е – Enp.Уменьшение напряженности поля вызовет уменьшение высоты потенциального барьера на величину прямого напряжения источника U пр= +U (см.рис.5 и 6):

Dj1 = Dj – Uпр (7)

Уменьшение высоты потенциального барьера приводит к увеличению числа основных носителей через р-n переход, т.е. к увеличению диффузионного тока:

I диф = I од . (8)

Так как I од = Iо , то можно записать

I диф = Io (9)

На величину дрейфового тока изменение высоты потенциального барьера не влияет, он остается таким же, как и в условиях равновесия. Поэтому результирующий ток через р–п переход, называемый прямым, c учетом (.9) будет равен:

Iпр= Iдиф –Iо = Io ( ) (10)

Рис.6 Прямое и обратное включение p-n-перехода.

При прямом включении уменьшается ширина р-n перехода, а при обратном включение р-n перехода, ширина перехода увеличивается (см. рис.6 б)) Рассуждая аналогично можно заключить, что в этом случае результирующий ток, называемый обратным, будет равен:

I об = I o ( )… (11)

При некотором значении обратного напряжения диффузионный ток станет равен нулю, через р–п переход будет протекать только дрейфовый ток. Его величина незначительна, т.к. концентрация не основных носителей мала. Поскольку ток, образованный движением не основных носителей зависит от тепловой генерации пар носителей, его называют также тепловым. Тепловой ток называют также током насыщения, так как это предельное значение обратного тока при возрастании обратного напряжения.При обратном включении ширина рп перехода увеличивается.

Электроёмкость р–п перехода.

По обе стороны границы p-n перехода расположены атомы донорной и акцепторной примесей и образуют отрицательные и положительные пространственные заряды. Если к p-n переходу приложить напряжение, то в зависимости от его величины будет изменяться его ширина, а , следовательно, и пространственный заряд. В этой связи p-n переход можно рассматривать как две пластины конденсатора с равными по величине, но противоположными по знаку заряду, т.е. p-n переход обладает электроемкостью. Различают барьерную и диффузионную электроемкость. Барьерная электроемкость определяется:

, , (12)

где Qоб – объёмные заряды, образованные ионизированными атомами акцепторной примеси; Uоб – обратное напряжение.

Значении p-n перехода в прямом направлении из каждой области в смежную инжектируются неосновные для нее носители заряда. Это связано с диффузией зарядов при понижении потенциального барьера. Если слои тонкие, то около границы p-n перехода возникает избыточная концентрация неосновных носителей. Чтобы нейтрализовать этот заряд из прилегающих слоев отсасываются основные носители. Следовательно, в каждой области у границы p-n перехода возникают равные по значению, но противоположные по знаку заряды Qдиф. Электроемкость, которая связана с изменением инжектированных носителей при изменении напряжения, называют диффузионной. Эта электроемкость увеличивается с увеличением прямого тока, а барьерная электроемкость увеличивается при увеличении обратного тока. При расчетах p-n перехода при прямом включении учитывают Сдиф, а при обратном Сδ.

Читайте также:  Основные характеристики трехфазного переменного тока

Вольтамперная характеристика р–п перехода.

Это зависимость тока проходящего через рп переход от приложенного к нему напряжению:

I = ¦(U) ( рис.7.)

Рис. 7. Вольтампермерная характеристика диода

Вольтамперная характеристика (ВАХ) — это зависимость электрического тока, протекающего через диод от напряжения, приложенного к диоду. Прямой ток резко растет при небольших положительных напряжениях (UnpB). Но этот ток не должен превышать максимального значения, т.к. в противном случае произойдет перегрев диода и он выйдет из строя. Максимальное обратное напряжение определяется конструкцией диода и находится в интервале 10В ÷ 10кВ.

Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет

Источник

Прохождение тока через p-n-переход

Приложим к p-n-переходу внешнее напряжение (напряжение «смещение»).

1. Подключим «-» внешнего источника напряжения U к p-области, а «+» к n-области. Такую полярность называют обратной.

Под действием электрического поля источника основные носители будут дрейфовать от пограничных к переходу слоев вглубь полупроводника.

В результате дрейфа ширина обедненного основными носителями слоя увеличится по сравнению с равновесным состоянием и сопротивление р-п перехода возрастет. Почти все приложенное напряжение падает на переходе.

Высота потенциального барьера возрастет на величину Uобр.:

(1)

При этом дрейфовый ток практически не изменяется от величины Uобр., т.к. изменяется лишь скорость переноса неосновных носителей заряда, не влияя на количество переносимых носителей в единицу времени.

Диффузионная составляющая тока зависит от высоты потенциального барьера. Чем он выше, тем меньшее количество основных носителей заряда способно преодолеть этот барьер.

Таким образом, с увеличением обратного напряжения величина диффузионного тока уменьшается.

При больших обратных напряжениях ток через переход стремится к величине дрейфового тока.

В дальнейшем этот ток будем называть обратным током насыщения p-n-перехода(Iобр).

2. Теперь приложим к p-области “+”, а к n-области “-“ источника внешнего напряжения. Такую полярность напряжения называют прямой (Uпр).

При такой полярности основные носители перемещаются по направлению к p-n-переходу. Недостаток носителей в приконтактных слоях уменьшается, толщина перехода становится меньше (2-2’) и сопротивление p-n-перехода понижается.

Приложенное к переходу результирующее напряжение уменьшается:

(2)

Следовательно, высота потенциального барьера уменьшается и диффузионный ток основных носителей через переход растет. В дальнейшем этот ток будем называть прямым (Iпр).

Пока через переход могут двигаться и неосновные носители (составляющие дрейфового тока).

При pn-переход исчезает.

Концентрация неосновных неравновесных носителей у границы перехода экспоненциально зависит от величины приложенного к переходу напряжения.

где — температурный потенциал,

и — равновесные концентрации неосновных носителей у границыp-n-перехода.

Если приложено прямое напряжение, то концентрация неосновных носителей в слоях, примыкающих к границам перехода, возрастает. В каждой области возникает избыточная концентрация неосновных носителей.

Введение носителей заряда в область полупроводника через электронно-дырочный переход или контакт металл-полупроводник называют инжекцией носителей заряда.

При протекании прямого тока из дырочной области в электронную инжектируются дырки, а из электронной в дырочную-электроны.

Величина избыточной концентрации неосновных носителей на границах перехода равна:

Уменьшение избыточной концентрации носителей при низком уровне инжекции в направлении от границы перехода вглубь полупроводника происходит по экспоненциальному закону. Например, для избыточной концентрации дырок:

где диффузионная длина дырок

диффузионная длина электронов

Диффузионная длина это расстояние, на котором избыточная концентрация неосновныхносителей уменьшается вследствие рекомбинации в e рез, т.е. 2,7 раза.

Например, концентрация дырок в p-области в 100 раз больше, чем концентрация электронов в n-области. Тогда дырочный ток будет в 100 раз больше электронного.

Читайте также:  Как движутся электроны в проводнике при постоянном токе

Область полупроводника, предназначенная для инжекции носителей заряда, называется эмиттерной областью (эмиттером), а область, в которую инжектируются эмиттером неосновные для нее носители, называется базовой областью (базой).

Заряд инжектированных в базу неосновных носителей — дырок компенсируется зарядом электронов, поступающих из внешней цепи. Процесс компенсации протекает быстро и не связан с процессом рекомбинации.

Например, для Ge р=10 Ом с, тогда =10 -11 с.

Отношение избыточной концентрации неосновных носителей заряда в базе вблизи р-п перехода к равновесной концентрации основных носителей заряда называется уровнем инжекции.

Уровень инжекции определяется не только током через переход, но и геометрией перехода и физическими свойствами полупроводника.

Толщина перехода зависит от величины приложенного напряжения.

(9)

если U “отриц.”, то в формуле появится “+”

Источник



pn переход принцип работы. Основные и неосновные носители зарядов.

pn переход это тонкая область, которая образуется в том месте, где контактируют два полупроводника разного типа проводимости. Каждый из этих полупроводников электрически нейтрален. Основным условием является то что в одном полупроводнике основные носители заряда это электроны а в другом дырки.

При контакте таких полупроводников в результате диффузии зарядов дырка из p области попадает в n область. Она тут же рекомбенирует с одним из электронов в этой области. В результате этого в n области появляется избыточный положительный заряд. А в p области избыточный отрицательный заряд.

Таким же образом один из электронов из n области попадает в p область, где рекомбенирует с ближайшей дыркой. Следствием этого также является образование избыточных зарядов. Положительного в n области и отрицательного в p области.

В результате диффузии граничная область наполняется зарядами, которые создают электрическое поле. Оно будет направлено таким образом, что будет отталкивать дырки находящиеся в области p от границы раздела. И электроны из области n также будут отталкиваться от этой границы.

Если говорить другими словами на границе раздела двух полупроводников образуется энергетический барьер. Чтобы его преодолеть электрон из области n должен обладать энергией больше чем энергия барьера. Как и дырка из p области.

Наряду с движением основных носителей зарядов в таком переходе существует и движение неосновных носителей зарядов. Это дырки из области n и электроны из области p. Они также двигаются в противоположную область через переход. Хотя этому способствует образовавшееся поле, но ток получается, ничтожно мал. Так как количество неосновных носителей зарядов очень мало.

Если к pn переходу подключить внешнюю разность потенциалов в прямом направлении, то есть к области p подвести высокий потенциал, а к области n низкий. То внешнее поле приведет к уменьшению внутреннего. Таким образом, уменьшится энергия барьера, и основные носители заряда смогут легко перемещаться по полупроводникам. Иначе говоря, и дырки из области p и электроны из области n будут двигаться к границе раздела. Усилится процесс рекомбинации и увеличится ток основных носителей заряда.

Если разность потенциалов приложить в обратном направлении, то есть к области p низкий потенциал, а к области n высокий. То внешнее электрическое поле сложится с внутренним. Соответственно увеличится энергия барьера не дающего перемещаться основным носителям зарядов через переход. Другими словами электроны из области n и дырки из области p будут двигаться от перехода к внешним сторонам полупроводников. И в зоне pn перехода попросту не останется основных носителей заряда обеспечивающих ток.

Если обратная разность потенциалов будет чрезмерно высока, то напряжённость поля в области перехода увеличится до тех пор, пока не наступит электрический пробой. То есть электрон ускоренный полем не разрушит ковалентную связь и не выбьет другой электрон и так далее.

Источник