P-n-переход

Полупроводники с примесной проводимостью нашли широкое применение в современной электронике.

В качестве примера рассмотрим, как действует полупроводниковый диод или выпрямитель переменного электрического тока. Основным элементом полупроводникового диода является так называемый p - n -переход. Он представляет собой тонкий слой между двумя областями одного и того же кристалла, отличающимися типом примесной проводимости (см. рис. 91.1, где слева от слоя находится область с проводимостью p -типа, а справа — n -типа).

В результате теплового движения свободные электроны из n -области частично проникают в p -область, а свободные дырки — из p -области в n -область. В результате возникает слабый диффузионный электрический ток I _д, текущий через p - n -переход слева направо (рис. 91.1). Электроны и дырки, попавшие в результате диффузии в «чужие» области, аннигилируют (взаимоуничтожаются) со свободными носителями тока противоположного знака. Другими словами, при встрече электрона с дыркой электрон, заполняя дырку, переходит из зоны проводимости в валентную зону — свободный электрон, так же как и свободная дырка, исчезает.

Рис. 91.1

За счет диффузного ухода части носителей тока как в n -, так и p -области возникают нескомпенсированные ионные заряды из донорных и акцепторных атомов. В n -области нескомпенсированный заряд положителен, а в p -области — отрицателен. Поэтому вблизи p - n -перехода образуется двойной электрический слой, называемый запирающим слоем. Он создает внутри перехода электрическое поле , направленное из n -области в p -область (рис. 91.1). Это поле затрудняет диффузию свободных электронов и дырок и приводит к уменьшению диффузионного тока.

Под действием тепловых флуктуаций во всем объеме кристалла время от времени рождается электрон-дырка собственного проводника (без учета примесных уровней). Появившиеся свободные электроны в p -области и свободные дырки в n -области создают слабый флуктуационный электрический ток I _ф, текущий через p - n -переход справа налево (рис. 91.1), причем I _ф = I _д.

Приложим к кристаллу с p - n -переходом внешнюю разность потенциалов. В случае, изображенном на рис. 91.2, внешнее электрическое поле будет оттягивать электроны из n -области и дырки из p -области от p - n -перехода. В этом случае единственно возможным будет только флуктуационный ток I _ф. Но он очень мал, потому что из-за тепловых флуктуаций пары электрон-дырка рождаются редко и в среднем далеко от p - n -перехода. Поэтому они обычно аннигилируются, не успев до него дойти. Следовательно, в этом случае ток через p - n -переход будет ничтожно мал.

В случае, изображенном на рис. 91.3, внешнее электрическое поле будет подгонять свободные электроны в n -области и свободные дырки в p -области к p - n -переходу. В результате резко возрастает диффузионный ток I _д.

Рис. 91.2 Рис. 91.3

Мы видим, что практически у p - n -перехода есть только односторонняя проводимость. Поэтому он и может использоваться для выпрямления переменного тока. На рис. 91.4 показан график силы тока, текущего через полупроводниковый диод, в том случае если приложенное напряжение изменяется по гармоническому закону.

Рис. 91.4

Поиск по сайту: