Возвращаемся к рубрике "Основы электроники" и в этой статье мы разберем очень важное, основополагающее понятие, а именно p-n переход. И, конечно, же разберем работу устройства, сердцем которого является уже упомянутый p-n переход, то есть полупроводникового диода.
И первым делом мы подробно рассмотрим устройство p-n перехода и химические процессы, протекающие в нем, которые, собственно, и определяют то, как он работает. Основными понятиями, которыми мы будем сегодня оперировать являются "электроны" и "дырки". И если с электроном все понятно, то на физическом смысле дырок стоит остановиться поподробнее.
Полупроводниковые материалы, которые являются основой p-n перехода, характеризуются тем, что они объединяют в себе как свойства проводников, так и свойства диэлектриков. В кристаллической структуре проводников есть много свободных носителей заряда, которые под воздействием электрического поля начинают перемещаться, что и обуславливает способность проводника проводить ток.
В диэлектриках связь частиц с атомами очень сильная, поэтому свободные носители заряда отсутствуют (все частицы жестко закреплены на своем месте в кристаллической решетке). Поэтому диэлектрики не пропускают электрический ток.
В полупроводниках же все не так однозначно. В целом, для того, чтобы электрон покинул свое место, то есть высвободился от атома ему необходим определенный уровень внутренней энергии. Эта энергия может появиться, например, в результате повышения температуры. И величина этой внутренней энергии для полупроводников намного меньше, чем для диэлектриков. В этом и состоит ключевой момент!
При низкой температуре большинство электронов полупроводника "сидят" на своих местах, и поэтому проводимость тока очень низкая. А, соответственно, с ростом температуры способность полупроводника проводить ток улучшается.
С этим процессом разобрались: итак, с ростом температуры в полупроводнике число свободных электронов увеличивается.
Во время разрыва связи электрона с ядром атома в электронной оболочке атома появляется свободное место. Атом при этом получает положительный заряд, ведь изначально заряд был нейтральным, а электрон, имеющий отрицательный заряд, атом покинул. Но свободное место не долго остается пустым, так как на него переходит электрон из соседнего атома. И этот процесс повторяется снова и снова. Таким образом, происходит перемещение положительного заряда. И вот именно этот условный(!) положительный заряд и называют дыркой:
Такой механизм проводимости называется собственной проводимостью полупроводника. Но на практике, в частности в транзисторах и диодах, применяются полупроводники с примесями, поскольку примесная проводимость значительно превышает собственную.
Примеси разделяют на:
- донорные, то есть отдающие
- акцепторные, принимающие
Разберем классический пример - кремний и мышьяк. У кремния на внешней оболочке атома 4 электрона (валентные электроны). У мышьяка таких электронов 5. Атом мышьяка отдает 4 из своих электронов на образование связей с 4-мя электронами атома кремния. При этом один из 5-ти валентных электронов не участвует в образовании связей.
У мышьяка энергия отрыва этого 5-го электрона от атома достаточно невелика. Настолько, что уже при небольшой температуре атомы мышьяка теряют свои незанятые в связях с кремнием электроны. Но при этом, поскольку в соседних атомах нет свободных мест, то дырок не возникает, и "дырочная" проводимость практически отсутствует. Так мы получили полупроводник с электронной проводимостью, то есть полупроводник n-типа.
Если же мы возьмем в качестве примеси 3-х валентный элемент (3 электрона на внешней оболочке атома), то в случае с добавлением примеси к кремнию (4 электрона), одно место останется свободным. На это место "придет" электрон соседнего атома и так далее, то есть возникнет процесс перемещения дырки. Так мы получим полупроводник p-типа.
Вот мы разобрались и с этим, двигаемся непосредственно к рассмотрению p-n перехода.
Итак, p-n переход (электронно-дырочный переход) - это область, в которой соприкасаются два полупроводника, имеющие разный тип проводимости (p-тип и n-тип):
Причем обе области электрически нейтральны. Только одна из них содержит свободно перемещающиеся дырки, а вторая - электроны.
При соприкосновении полупроводников разного типа возникает диффузионный ток. Это связано с тем, что свободные носители (электроны и дырки) стремятся перейти из той области, где их много, в ту область, где их мало. При прохождении через переход частицы рекомбинируют друг с другом. В результате этого вблизи границы перехода образуются избыточные заряды:
На рисунке изображены только свободные носители заряда в каждой из областей.
Давайте чуть подробнее разберем этот процесс. Один из электронов переходит из области n-типа и "занимает" свободное место, то есть дырку в области p-типа. На первоначальном месте этого электрона в области n-типа появляется дырка (ведь электрона там больше нет). И в итоге получается, что в p-области вблизи перехода скапливаются электроны, а в n-области наоборот дырки. Не забываем, что дырка - это не реально существующая частица, а условный(!) положительный заряд.
Но этот процесс не продолжается бесконечно по одной простой причине. Из-за того, что на границе формируются два новых слоя, возникает дополнительное электрическое поле, которое они порождают. Под действием этого поля возникает так называемый дрейфовый ток, направленный противоположно диффузионному току. И при определенной концентрации частиц около границы перехода между этими токами возникает равновесие и процесс останавливается:
Строго говоря, p-n переход - это именно область, в которой практически отсутствуют свободные носители заряда (обедненная область). Для того, чтобы выйти из этого положения равновесия, мы можем приложить к переходу внешнее напряжения. Различают прямое и обратное смещение.
При прямом смещении положительный потенциал подается на область p-типа, а отрицательный, соответственно, на область n-типа:
В этом случае внешнее электрическое поле (от источника напряжения) направлено противоположно тому полю, которое существует внутри перехода. В результате диффузионный ток начинает преобладать над дрейфовым, поскольку такое внешнее поле приводит к движению дырок из p-области в n-область и электронов в обратном направлении.
Вот так и возникает прямой ток, направление которого противоположно движению электронов. Обратное же смещение выглядит так:
Такое подключение приводит лишь к увеличению областей, в которых отсутствуют свободные носители заряда. Действительно, под действием электрического поля при обратном смещении свободные электроны и дырки будут удаляться от границы слоев.
В результате диффузионный ток будет максимально уменьшен и преобладать будет ток дрейфовый. В таком случае протекающий ток называют обратным (его величина очень мала по сравнению с прямым током).
Полупроводниковое устройство, внутри которого сформирован один такой p-n переход, и называют диодом. А его выводы (электроды) получили названия анод и катод. На принципиальных электрических схемах полупроводниковый диод обозначается следующим образом:
Ключевой характеристикой диода является вольт-амперная характеристика (ВАХ). Она представляет из себя зависимость протекающего через диод тока от приложенного к нему напряжения:
Как видите, здесь все в точности соответствует тому, что мы обсудили при разборе p-n перехода. Правая ветвь графика относится к прямому смещению перехода. При увеличении напряжения увеличивается и протекающий прямой ток. Обратите внимание, что при прямом включении напряжение должно достигнуть определенного значения для того, чтобы диод стал хорошо пропускать ток. Если напряжение меньше этого значения (пусть и создает прямое смещение), то способность диода пропускать ток будет низкой.
При обратном смещении (левая ветвь характеристики) ток достигает некоторого значения и перестает увеличиваться. Это процесс протекания незначительного обратного тока. Если продолжать увеличивать напряжение, то произойдет пробой p-n перехода (про ситуацию пробоя мы еще обязательно поговорим в статье, посвященной стабилитронам).
Таким образом, можно сказать, что диод пропускает ток в одном направлении и препятствует протеканию тока в обратном направлении.
И на этом, пожалуй, закончим, сегодня мы по итогу рассмотрели все основные процессы, протекающие в p-n переходе и полупроводниковом диоде. Совсем скоро, буквально в одной из следующих статей, разберем основные примеры использования диодов. Будем рады видеть вас на нашем сайте снова!
