Какими свойствами обладает p-n переход?

Что такое p-n переход? Как он образуется?

p-n-перехо́ д (n — negative — отрицательный, электронный, p — positive — положительный, дырочный), или электронно-дырочный переход — область соприкосновения двух полупроводников p- и n-типа, в которой происходит переход от одного типа проводимости к другому. Электрические процессы в p-n-переходах являются основой работы полупроводниковых диодов, транзисторов и других электронных полупроводниковых приборов с нелинейной вольт-амперной характеристикой.

Разность потенциалов, образованную приграничными зарядами, называют контактной разностью потенциалов U K (см. рис. 1.3, а), или потенциальным барьером, преодолеть который носители не в состоянии. Дырки, подошедшие к границе со стороны р-области, отталкиваются назад положительным зарядом, а электроны, подошедшие из n-области, – отрицательным зарядом. Таким образом, образуется р-n-переход, представляющий собой слой полупроводника с пониженным содержанием носителей – так называемый обедненный слой, который имеет относительно высокое электрическое сопротивление.

Какими свойствами обладает p-n переход?

Если к p-n - переходу приложено напряжение знаком плюс на область с электронной проводимостью, то электроны в n - полупроводнике и дырки в р -полупроводнике удаляются внешним полем от запирающего слоя в разные стороны, увеличивая его толщину. Сопротивление p-n - перехода велико, сила тока мала и практически не зависит от напряжения. Этот способ включения диода называется включением в запирающем или в обратном направлении. Обратный ток полупроводникового диода обусловлен собственной проводимостью полупроводниковых материалов, из которых изготовлен диод, т. е. наличием небольшой концентрации свободных электронов в p -полупроводнике и дырок в n -полупроводнике.
Если к p-n - переходу приложено напряжение знаком плюс на область с дырочной проводимостью и знаком минус на область с электронной проводимостью, то переходы основных носителей через p-n - переход облегчаются. Двигаясь навстречу друг другу, основные носители входят в запирающий слой, уменьшая его удельное сопротивление. Сила тока через диод в этом случае при напряжениях, превышающих U_k, ограничивается лишь сопротивлением внешней электрической цепи. Этот способ включения диода называется включением в пропускном или в прямом направлении.
Способность p-n - перехода пропускать ток в одном направлении и не пропускать его в противоположном направлении используется в приборах, называемых полупроводниковыми диодами, для преобразования переменного тока в постоянный, точнее в пульсирующий, ток.
Достоинством полупроводникового диода являются малые размеры и масса, длительный срок службы, высокая механическая прочность, высокий коэффициент полезного действия, а недостатком — зависимость их параметров от температуры.

3) В чём заключается пробой p-n перехода?

Пробоем называют резкое изменение режима работы p-n-перехода, находящегося под большим обратным напряжением. ВАХ для больших значений обратных напряжений показана на рис. 1.5

I. Туннельный пробой (А-Б),

II. Лавинный пробой (Б-В),

III. Тепловой пробой (за т.В).

4)Что такое туннельный пробой p-n перехода? Каков механизм его возникновения?

Туннельный пробой (эффект Зенера) - электрический пробой p-n перехода, вызванный туннельным эффектом, то есть «просачиванием» электронов сквозь тонкий потенциальный барьер

Туннельный пробой возникает при малой ширине p-n-перехода (например, при низкоомной базе), когда при большом обратном напряжении электроны проникают за барьер без преодоления самого барьера. В результате туннельного пробоя ток через переход резко возрастает и обратная ветвь ВАХ идет перпендикулярно оси напряжений вниз.

5) Что такое лавинный пробой p-n перехода? Каков механизм его возникновения?

Лави́ нный пробо́ й — электрический пробой в диэлектриках и полупроводниках, обусловленный тем, что, разгоняясь в сильном электрическом поле на расстоянии свободного пробега, носители заряда могут приобретать кинетическую энергию, достаточную для ударной ионизации атомов или молекул материала при соударениях с ними.

Лавинный пробой возникает в том случае, если при движении до очередного соударения с нейтральным атомом кристалла электрон или дырка приобретают энергию, достаточную для ионизации этого атома, при этом рождаются новые пары электрон-дырка, происходит лавинообразное размножение носителей зарядов; здесь основную роль играют неосновные носители, они приобретают большую скорость. Лавинный пробой имеет место в переходах с большими удельными сопротивлениями базы («высокоомная база»), т.е. в p-n-переходе с широким переходом.

6) Что такое тепловой пробой p-n перехода? Каков механизм его возникновения?

Тепловой пробой характеризуется сильным увеличением тока в области p-n-перехода в результате недостаточного теплоотвода, приводит к необратимым изменениям в структуре p-n перехода.

7) Что такое поверхностный пробой p-n перехода? Каков механизм его возникновения?

В области р-п перехода, выступающей на поверхность, обычно имеет место значительное изменение напряженности электрического поля. Поверхностный заряд может привести как к уменьшению, так и к увеличению l. В результате этого на поверхности р-п перехода происходит электрический пробой при на­пряжении, меньшем, чем в объеме. Это явление носит название поверхностного пробоя. Большую роль в возникновении поверхностного пробоя играют диэ­лектрические свойства поверхностных покрытий.

8) В чём заключается явление ударной ионизации в p-n переходе?

Сущность этого явления заключается в том, что двигаясь с большей скоростью на участке р-n перехода, электроны сталкиваются снейтральными атомами и ионизируют их. В результате такой ударной ионизациипоявляются новые свободные электроны и дырки, которые, в свою очередь, разгоняются полем и создают всевозрастающее количество носителей тока. Описанныйпроцесс носит лавинообразный характер и приводит к значительному увеличениюобратного тока через р-n переход.

9) В чём заключается явление туннелирования в p-n переходе?

Основа этого явления заключается в том, что частица (например, электрон 2 на рис.5), имея энергию Eэл, которая меньше высоты потенциального барьера Eб обладает конеч­ной вероятностью проникновения сквозь этот барьер. Потен­циальный барьер Eб (например, связанный с работой выхо­да электрона из металла) по законам классической физики не составляет препятствия для электрона 1, обладающего боль­шей энергией, чем высота этого барьера. При определенных условиях и электрон 2 может преодолеть его, хотя энергия электрона меньше высоты потенциального барьера. Причем этот электрон не огибает барьера, а как бы «туннелирует» сквозь него (отсюда и название эффекта), имея одну и ту же энергию до и после перехода.