Элементы электронных схем.

Полупроводниковые диоды.

Принцип действия полупроводниковых диодов (вентилей) основан на явлении односторонней проводимости границы раздела двух полупроводников с различными типами электропроводности: электронной (электропроводность п – типа) и дырочной (электропроводность р – типа). Область электропроводности п – типа характеризуется тем, что прохождение тока здесь происходит за счет переноса отрицательно заряженных электронов, избыточное количество которых создается путем ввода в монокристалл полупроводника донорных примесей, например сурьмы, мышьяка, фосфора. В области электропроводности р – типа прохождение тока обусловлено переносом положительно заряженных «дырок» (дырка – это атом, у которого не хватает одного электрона и который, следовательно, обладает положительным зарядом, по абсолютной величине равным заряду электрона). Дырки получаются путем введения в монокристалл полупроводника акцепторных примесей, например индия, бора, алюминия.

Вместе с тем следует отметить, что вследствие теплового разрыва связей межу атомами в примесных полупроводниках всегда наряду с основными носителями, концентрация которых большая, существуют такие неосновные носители: дырки в полупроводниках п-типа и электроны в полупроводниках р-типа. В полупроводниках без примесей число электронов всегда равно числу дырок.

При непосредственном контактировании двух полупроводников, один из которых обладает электронной, а другой дырочной электропроводимостью, получается так называемый электронно-дырочный переход (р-п переход), основным свойством которого является зависимость величины его сопротивления от полярности приложенного напряжения. Для присоединения к внешней цепи у р-п областей полупроводника создают омические контакты с выводами.

Рассмотрим на примере двухслойного кристалла кремния процессы, происходящие в р-п переходе при воздействии на него внешнего напряжения. Если к р – области приложить положительный потенциал, а к п – области –отрицательный, то основные носители тока будут двигаться в пограничном слое навстречу друг другу (рис. 28, а). В результате сопротивление р-п

а – открытое (проводящее) состояние; б – закрытое (непроводящее) состояние; в – вольт-амперная характеристика.

Рисунок 28 – Прохождение тока через р-п переход полупроводникового диода

перехода уменьшается и через границу раздела проходит прямой ток I_пр, ограниченный практически только сопротивлением нагрузки R_н. Внешнее напряжение U_пр такой полярности называется прямым или проводящим.

При измерении полярности приложенного напряжения (рис.1, б) дырки в р- области и электроны в п- области полупроводника будут удаляться от границы раздела, что приводит к увеличению сопротивления р-п перехода, а поток основных носителей уменьшается до нуля. Через р-п переход проходит незначительный ток, создаваемый неосновными носителями, для которых приложенная разность потенциалов является ускоряющей. Внешнее напряжение такой полярности называется обратным U_обр или запирающим, а обусловленный им небольшой ток – обратным током I_обр.

Таким образом, значение и направление тока, проходящего через р-п переход двухслойной полупроводниковой структуры, зависит от значения и знака внешнего напряжения, т.е. р-п переход обладает выпрямляющими (вентильными) свойствами. Зависимость тока I, проходящего через р-п переход, от приложенного к нему напряжения U называется вольт-амперной характеристикой перехода. Эта характеристика имеет две ветви (рис. 28, в): одна расположена в первом квадранте и соответствует проводящему направлению в р-п переходе (прямому току в нем), вторая – в третьем квадранте и характеризует запирающие свойства перехода.

 

Лекция №11.