чем определяется односторонняя проводимость p n перехода
Чем определяется односторонняя проводимость p n перехода
2) P-N-переход. Эффект односторонней проводимости.
p-n-переход (n—negative — отрицательный, электронный, p—positive — положительный, дырочный), или электронно-дырочный переход — разновидность гомопереходов, Зоной p-n перехода называется область полупроводника, в которой имеет место пространственное изменение типа проводимости от электронной n к дырочной p.
Электронно-дырочный переход может быть создан различными путями:
1) в объёме одного и того же полупроводникового материала, легированного в одной части донорной примесью (n-область), а в другой — акцепторной (p-область);
2) на границе двух различных полупроводников с разными типами проводимости.
Если p-n-переход получают вплавлением примесей в монокристаллический полупроводник, то переход от n— к р-области происходит скачком (резкий переход). Если используется диффузия примесей, то образуется плавный переход.
Энергетическая диаграмма p-n-перехода. a) Состояние равновесия b) При приложенном прямом напряжении c) При приложенном обратном напряжении
При контакте двух областей n— и p— типа из-за градиента концентрации носителей заряда возникает диффузия последних в области с противоположным типом электропроводности. В p-области вблизи контакта после диффузии из неё дырок остаются нескомпенсированные ионизированные акцепторы (отрицательные неподвижные заряды), а в n-области — нескомпенсированные ионизированные доноры (положительные неподвижные заряды). Образуется область пространственного заряда (ОПЗ), состоящая из двух разноимённо заряженных слоёв. Между нескомпенсированными разноимёнными зарядами ионизированных примесей возникает электрическое поле, направленное от n-области к p-области и называемое диффузионным электрическим полем. Данное поле препятствует дальнейшей диффузии основных носителей через контакт — устанавливается равновесное состояние (при этом есть небольшой ток основных носителей из-за диффузии, и ток неосновных носителей под действием контактного поля, эти токи компенсируют друг друга). Между n— и p-областями при этом существует разность потенциалов, называемая контактной разностью потенциалов. Потенциал n-области положителен по отношению к потенциалу p-области. Обычно контактная разность потенциалов в данном случае составляет десятые доли вольта.
Внешнее электрическое поле изменяет высоту барьера и нарушает равновесие потоков носителей тока через барьер. Если положительный потенциал приложен к p-области, то потенциальный барьер понижается (прямое смещение), а ОПЗ сужается. В этом случае с ростом приложенного напряжения экспоненциально возрастает число основных носителей, способных преодолеть барьер. Как только эти носители миновали p — n-переход, они становятся неосновными. Поэтому концентрация неосновных носителей по обе стороны перехода увеличивается. Одновременно в p— и n-областях через контакты входят равные количества основных носителей, вызывающих компенсацию зарядов инжектированных носителей. В результате возрастает скорость рекомбинации и появляется отличный от нуля ток через переход, который с ростом напряжения экспоненциально возрастает.
Приложение отрицательного потенциала к p-области (обратное смещение) приводит к повышению потенциального барьера. Диффузия основных носителей через переход становится пренебрежимо малой. В то же время потоки неосновных носителей не изменяются (для них барьера не существует). Неосновные носители заряда втягиваются электрическим полем в p-n-переход и проходят через него в соседнюю область. Потоки неосновных носителей определяются скоростью тепловой генерации электронно-дырочных пар. Эти пары диффундируют к барьеру и разделяются его полем, в результате чего через p-n-переход течёт ток Is (ток насыщения), который обычно мал и почти не зависит от напряжения. Таким образом, вольтамперная характеристика p-n-перехода обладает резко выраженной нелинейностью. При изменении знака U значение тока через переход может изменяться в 105 — 106 раз. Благодаря этому p-n-переход может использоваться для выпрямления переменных токов (диод).
Физика. 10 класс
Полупроводники
Электрический ток в полупроводниках
Необходимо запомнить
В полупроводниках атомы связаны ковалентными (парноэлектронными) связями, которые при низких температурах и освещённости прочны. С ростом же температуры и освещённости эти связи могут разрушаться, образуя свободный электрон и «дырку».
Реальными частицами являются лишь электроны. Электронная проводимость обусловлена движением свободных электронов. Дырочная проводимость вызвана движением связанных электронов, которые переходят от одного атома к другому, поочерёдно замещая друг друга, что эквивалентно движению «дырок» в противоположном направлении. «Дырке» условно приписывается «+» заряд.
В чистых полупроводниках концентрация свободных электронов и «дырок» одинаковы.
Примеси, легко отдающие свои электроны, называются донорными. Если добавить их, получается полупроводник n-типа с электронной проводимостью.
Примеси, легко принимающие электроны, называются акцепторными. Если добавить их, получается полупроводник p-типа с дырочной проводимостью.
При контакте двух полупроводников с разным типом проводимости образуется так называемый p-n-переход.
Он обладает односторонней проводимостью.
Решение задачи
p–n-переход
О полупроводниковом диоде
При контакте полупроводников p— и n-типов образуется контактное электрическое поле, в результате диффузии электронов в полупроводник р-типа, а дырок в полупроводник n-типа. Создаётся запирающий слой для основных носителей заряда.
Односторонняя проводимость p–n-перехода
При включении в цепь p–n-перехода, когда область с электронной проводимостью соединена с отрицательным полюсом источника тока, а область с дырочной проводимостью – с положительным полюсом, внешнее электрическое поле ослабляет контактное поле, обогащает пограничный слой основными носителями и обеспечивает ток значительной силы, называемый прямым и обусловленный движением основных носителей заряда.
При обратном включении внешнее поле усиливает контактное поле, и пограничный слой обедняется основными носителями заряда. Течёт очень малый ток, обусловленный движением через p-n-переход неосновных носителей заряда, которых очень мало.
Полупроводниковый диод – устройство, содержащее p–n-переход и способное пропускать ток в одном направлении и не пропускать в обратном.
Транзистор или полупроводниковый триод – устройство, содержащее два p–n-перехода, прямые направления которых противоположны.
Современная электроника базируется на микросхемах и микропроцессорах, включающих в себя колоссальное число транзисторов. Транзисторы получили очень широкое распространение в современной технике. Они заменили электронные лампы в электрических цепях научной, промышленной и бытовой аппаратуры.
Открытие p–n перехода
Создание средств современной цифровой техники базируется на одном изобретении – транзисторе, основной принцип работы которого был открыт дважды, более полувека назад. И за 50 лет использования транзисторов у них не появилось серьёзных конкурентов. Кто же был первооткрывателем физического явления, положенного в основу работы транзистора?
1956 год. В Стокгольмском концертном зале три американских учёных Джон Бардин, Вильям Шокли и Уолтер Браттейн получают Нобелевскую премию «за исследования полупроводников и открытие транзисторного эффекта» – настоящий прорыв в области физики.
Но более чем за 15 лет до этого, в начале 1941 года молодой украинский учёный Вадим Лашкарёв первый в мире экспериментально обнаружил p–n-переход и раскрыл механизм электронно-дырочной диффузии, на основе которых в годы Великой Отечественной войны были созданы первые в СССР полупроводниковые диоды, а в начале 50-х годов – первые в Украине полупроводниковые триоды.
Что такое p-n переход
Атомы и ковалентная связь
Для начала давайте разберемся на уровне атомов что и как работает. Это будет небольшое предисловие.
Вся материя состоит из молекул, а молекулы в свою очередь из атомов. И у каждого атома есть протоны, нейтроны и электроны. 
Протоны образуют с нейтронами ядро, в котором их равное количество.
Исключение — это водород у которого есть только один протон в ядре, без нейтрона.
Вокруг ядра находятся орбиты электронов (кстати, сейчас принято считать, что это облако электронов). Между ними действуют сильные и слабые силы, которые являются основой атомов. Далее на изображениях не будем указывать протоны и нейтроны для простоты восприятия.
Конечно, можно погрузиться и дальше, что есть мезоны, кварки и другие фундаментальные частицы. А еще, что на электронных оболочках атомов электроны распределены в виде «газа» и их не получится точно обнаружить, только с определенной долей вероятности. Однако, это не обязательно знать для понимания принципов работы общей цифровой электроники.
Достаточно просто принять тот факт, что есть атомы, у которых присутствуют ядра с положительным зарядом, а вокруг этого ядра находятся орбиты с электронами.
Электроны и протоны имеют противоположные знаки.
В электрически нейтральном атоме количество электронов и протонов одинаково. Все электроны распределены по разным уровням. Кто ближе к ядру – по два электрона, следующий уровень по 4 электрона и так далее. Но если по какой-либо причине атом теряет электрон, то такой атом становится положительным ионом. 
Ему не хватает электрона на своей внешней электронной орбите, которая называется валентным уровнем. С валентного уровня у атома проще «забрать» электрон. А такие электроны, которые находятся на валентном уровне, называются валентными электронами.
Положительный ион (атом, у которого не хватает электронов) будет со знаком +, так как у него дефицит электронов, и он будет притягивать или притягиваться к свободному электрону (зависит от среды).
Все атомы в молекулах соединены друг с другом на валентном уровне, то есть при помощи ковалентной связи. 
На валентном уровне связь ядра с электронами намного меньше, чем на других, поэтому атомы могут образовывать материю, соединяясь с другими атомами. Так и получаются химические реакции и соединения атомов друг с другом.
Полупроводники и кристаллическая решетка
Теперь плавно переходим к полупроводникам. У полупроводников, таких как кремний (Si) и германий (Ge) на ковалентном уровне есть по 4 электрона. 
Не путайте кремень и кремний. Кремень – это минерал, а кремний – это химический элемент, который был открыт в 1810 году.
Особенность полупроводников заключается в том, что их атомы друг с другом образуют парные связи.
Допустим, есть атом кремния. У него 4 электрона на валентном уровне. Если к нему присоединить еще 4 атома кремния, то получится кристаллическая решетка. 4 атома связаны друг с другом 4 своими электронами.
На картинке показана связь атомов в плоскости. В реальности она естественно, находится не в одной плоскости, а в пространстве. 
То есть, каждый атом может образовывать устойчивую связь друг с другом, по 4 штуки с каждой стороны и плоскости.
Особенность полупроводников заключается в том, что эта кристаллическая решётка очень устойчива.
Кстати, проводимость полупроводников сильно зависит от внешних условий (давление, температура, радиация, свет). Намного сильнее, чем у других материалов. Это все связано с особенностью кристаллической решетки, которая позволят делать солнечные батареи, датчики, камеры и много чего еще.
Итак, атомы полупроводников без примесей электрически нейтральны.
И что самое главное, они все равно будут связаны друг с другом. Общая ковалентная связь позволят им обмениваться друг с другом электронами.
Проводимость полупроводников в нормальных условиях практически такая же, как у диэлектриков, то есть очень низкая.
Проводимость кристаллической решетки с примесями
Свободных электронов в чистом полупроводнике мало, и это объясняет низкую проводимость материала.
Однако, при повышении температуры электроны на валентном уровне получают большую энергию, и могут быстрее покидать свои орбиты. Поэтому материал становится более проводимым при повышении температуры.
И из-за этого полупроводники получили свое название. Это и проводник, и диэлектрик в одном флаконе, который меняет свою проводимость из-за внешних условий.
Донорская примесь и n-тип
Если добавить в кристаллическую решетку кремния атом, у которого 5 валентных электронов, то из-за него в кристалле появятся свободные электроны.
Например, есть атом мышьяка (As) и атомы кремния (Si). 
4 валентных электрона мышьяка образуют валентную связь с другими атомами кремния. А вот один электрон будет находится в зоне проводимости. То есть, он станет свободным электроном.
А вот атом мышьяка, который непреднамеренно отдал свой электрон, станет положительным ионом. И несмотря на это, кристаллическая решетка остается стабильной.
Полупроводник с примесью, в котором находятся свободные электроны, называется полупроводником n-типа. Основные носители заряда – свободные электроны. Неосновные – дырки.
Примеси добавляют при помощи легирования. Оно может быть, как металлургическим (повышением температуры, изготовление сплавов), так химическим (ионное и диффузное).
Если подать ток по такому материалу, то свободные электроны из примеси притягиваются положительным потенциалом. А с отрицательного потенциала приходят «новые» электроны, взамен старым, которые ушли к положительному потенциалу.
Акцепторная примесь и p-тип
А что будет, если в полупроводник добавить атом с тремя валентными электронам, например бор (B)? 
Тогда три валентных электрона атома бора создадут связь с другими атомами кремния. Однако теперь в кристалле с такой примесью будет не хватать одного электрона.
Это отсутствие электрона называется дыркой. По сути, это положительный потенциал, но для простоты понимания его принято называть дыркой.
Это не ион и не элементарная частица. Это дефицит электрона у атомов. И тот атом, у которого будет не хватать электрона на своей орбите, будет притягивать к себе и свободные электроны, которые оказались в кристалле, и электроны от соседних атомов.
Такая примесь в кристалле также повышает его проводимость. И эта примесь называется акцепторной. То есть, примесные атомы создают дефицит электронов в кристаллической решетке.
Поэтому, такой полупроводник с акцепторной примесью называются p-типом. Его основные носители заряда – дырки. А неосновные – электроны.
Если пустить ток по такому материалу, то к отрицательному потенциалу будет притягиваться дырка к новому поступающему электрону из источника тока. А вот к положительному потенциалу будут уходить электроны, которые находились в кристалле.
Кстати, примесный атом бора получается отрицательно заряженным ионом, поскольку при прохождении тока на его орбите будет не 3 электрона, а 4, что является для него избытком.
Ток неосновных зарядов
Как уже было сказано выше, у p-типа основные носители заряда — это дырки, а у n-типа — это электроны. Неосновные носители соответственно, наоборот. И неосновные носители зарядов тоже участвуют при прохождении тока.
Конечно, неосновных носителей зарядов намного меньше, чем основных, но не стоит их полностью игнорировать, особенно когда речь идет о p-n переходе.
Создание p-n перехода
Что будет, если соединить два кусочка кремния c примесями p-типа и n-типа вместе? Получится p-n переход. Или как его еще называют — электронно-дырочный переход. 
Этот переход является разграничительной зоной между p-областью и n-областью.
И особенностью этого перехода является то, что этот переход состоит из ионизированных примесных атомов, которые не позволяют свободным зарядам из двух разных областей соединяться друг с другом. Он образовался от такого явления, как диффузионный ток.
Этот ток возникает при нагреве (изготовлении перехода). Носители зарядов рекомбинируют друг с другом и уравновешивают баланс. Диффузионный ток под воздействием тепла хаотичный, и не имеет упорядоченного направления, если на него не действует вешнее напряжение.
Например, электроны из n-области начинают накапливаться возле положительных ионов примеси, но так как с другой стороны находятся отрицательные ионы n-области, они не могут перейти этот барьер. С дырками ситуация аналогична.
Свободные электроны из n-области не могут перейти в p-область из-за барьера, который создан ионизированными донорскими примесями. Здесь создается электрическое поле, которое действует как барьер для дырок и электронов. И из-за этого в p-n переходе отсутствуют свободные носителя зарядов. Переход их попросту отталкивает от себя с двух сторон.
Кстати, еще одно название барьера – обедненная область.
А в целом, кристалл остается электрически нейтральным. Если бы не было этого барьера, свободные носители заряды уравновесили бы друг друга.
Преодоление потенциального барьера
Чтобы свободные электроны и дырки могли пройти через этот барьер, нужно приложить внешнее напряжение, которое будет превышать напряжение, требуемое для перехода барьера.
Подключим к n-области минус источника тока, а к p-области плюс источника тока. Такое включение называется прямым. Еще n-область в приборах называют катодом, а p-область — анодом.
Напряжение источника должно быть выше, чем то, которое требуется для открытия p-n перехода.
Допустим, потенциальный барьер равен 0,125 Вольт. Чтобы преодолеть его, подключим источник с напряжением 5 В.
Чтобы не перегружать восприятие, на схеме не показаны неосновные носители зарядов. 
И благодаря воздействию электрического поля внешнего источника, свободным носителям хватает энергии для того, чтобы перейти этот потенциальный барьер и преодолеть его электрическое поле. Переход подключен с прямым смещением.
Свежий электрон идет с источника, переходит в n-область, далее преодолевает барьер и переходит дырке, где происходит рекомбинация. И далее этот электрон идет на встречу к дырке, которая идет с положительного потенциала, подключенного к p-области. То есть, по p-n переходу проходит электрический ток. Этот ток называют еще диффузионным током или током прямого включения – когда основные носители зарядов упорядочено движутся к внешнему источнику тока.
Аналогична ситуация с дырками. Положительный потенциал внешнего источника, который подключён к p-области, будет забирать электрон, а на его месте появится дырка. Дырка в свою очередь будет двигаться к барьеру и далее к отрицательному потенциалу источника.
Ток, который создается дырками называется дырочным. Соответственно, ток, который создается электронами – электронным.
А на этой схеме переход показан без барьера, но с обратным током. 
Неосновные носители зарядов в свою очередь действуют наоборот, от чего и возникает дополнительное сопротивление в p-n переходе.
Обратный ток может быть равен всего нескольким микроамперам.
Обратное включение
Поменяем полярность внешнего источника на противоположную. Минус к p-области, а плюс к n-области. Что же будет происходить с барьером и током зарядов?
Барьер увеличится за счет того, что основные носители зарядов будут притягиваться к внешнему источнику. Увеличится сопротивление потенциального барьера и напряжение его открытия. 
Однако, не смотря на все это, через p-n переход будет протекать обратный ток. 
Этот обратный ток очень мал, поскольку создается неосновными носителями заряда. Он еще называется дрейфовым током.
Применение p-n перехода
Вот так и работает простой диод, который состоит из p-n перехода. По-простому, p-n переход – это и есть классический диод. И он может работать как при прямом включении, так и при обратном. А вообще, вся современная цифровая техника состоит из p-n переходов.
Транзисторы, тиристоры, микросхемы, логические элементы, процессоры и многое другое основано именно на этом.
Контролируемый лавинообразный пробой
А что будет, если превысить напряжение потенциального барьера? Например, оно равно 7 В. А на схеме источник 5 В. Если подключим источник на 8 В, то наступит лавинообразный ток.
Неосновные носители зарядов будут забирать с собой основные. От части этот процесс контролируем, если не превышать напряжение источника выше, чем может выдержать p-n переход.
Электрический пробой
Если еще больше повысим напряжение, то будет электрический пробой. Эти явления широко используются на практике, например, в качестве стабилизаторов.
Ток не пойдет по цепи пока не будет то напряжение, которое требуется для открытие обратного смещенного p-n перехода.
И электрический пробой контролируется. Стабилитроны (так называются диоды, которые работают в таком режиме) делаются специально с широкими p-n переходами, которые долго работают под постоянными нагрузками.
Тепловой пробой
Но если радиодеталь изначально не рассчитана электрический пробой, то она быстро нагреется и произойдет тепловой пробой. Дырки и электроны получат тепловую энергию, из-за которой барьер полностью разрушится. Переход нагревается и трескается под действием температуры. Это необратимый процесс.
Вообще, когда техника «перегорает» — это и есть явление теплового пробоя, то есть превышение допустимой температуры.
И во время пайки тоже может случиться тепловой пробой. Достаточно немного перегреть деталь и p-n переход будет разрушен.
Соответственно, если пустить по диоду ток, который превышает его пропускную способность, то тоже случится тепловой пробой. Тоже самое касается и рассеиваемой мощности.
Как избавиться от обратного тока
А можно ли избавиться от обратного тока? Для этого в переход добавляют металлические примеси, которые убирают неосновные носители зарядов при обратном включении.
Но и обратный ток можно использовать на практике.
Например, с его помощью реализуются обратная связь, некоторые функции и измерения.
Как еще применяется обратное включение
А еще, обратное включение очень похоже на конденсатор. Взгляните на схему. Это же две обкладки конденсатора, посередине которого есть «диэлектрик». И электронно-дырочный переход обладает емкостью. И это тоже используется на практике. Так называется полупроводниковый конденсатор. 
В радиоприёмниках используют вместо подстрочных конденсаторов варикапы. Варикапы легко настроить. Нужно всего лишь подать напряжение обратным смещением определенного значения, для повышения или понижения емкости.
Конечно, это не основное применение p-n перехода. Переход используется во всей цифровой технике по-разному.
Выпрямители, усилители, генераторы, процессоры, солнечные батареи и много другое. И то, что было описано выше про принцип работы p-n перехода – это принцип работы обычного диода.
Это наиболее простое описание принципа работы p-n перехода. Он бывает разных типов, и в полупроводниках есть физические явления, которые возникают при различных условиях.
Да и изготовление полупроводниковых радиодеталей бывает разным. Полупроводники разделяются на целые классы со своими особенностями. А микропроцессорное производство – это отдельный вид искусства. 