В этом руководстве по теории PN-перехода показано, что при легировании кремния небольшими количествами сурьмы образуется полупроводниковый материал N-типа, а при легировании того же кремниевого материала небольшими количествами бора образуется полупроводниковый материал P-типа.
Все это хорошо, но эти недавно легированные полупроводниковые материалы N-типа и P-типа сами по себе мало что делают, поскольку они электрически нейтральны. Однако, если мы соединим (или сплавим) эти два полупроводниковых материала вместе, они поведут себя совершенно по-другому, поскольку они сливаются вместе, образуя то, что обычно известно как “PN-переход”, что позволяет нам изучать влияние теории PN-перехода.
Когда полупроводниковые материалы N-типа и P-типа впервые соединяются вместе, между обеими сторонами PN-перехода возникает очень большой градиент плотности. В результате некоторые свободные электроны от атомов примеси-донора начинают мигрировать через этот вновь образованный переход, заполняя дыры в материале P-типа, образуя отрицательные ионы.
Однако, поскольку электроны переместились через PN-переход из кремния N-типа в кремний P-типа, они оставляют после себя положительно заряженные донорные ионы (ND) с отрицательной стороны, и теперь дырки от акцепторной примеси мигрируют через переход в противоположном направлении в область, где имеется большое количество свободных электронов.
В результате плотность заряда P-типа вдоль перехода заполняется отрицательно заряженными акцепторными ионами (NA), а плотность заряда N-типа вдоль перехода становится положительной. Этот перенос заряда электронов и дырок через PN-переход известен как диффузия. Ширина этих P- и N-слоев зависит от того, насколько сильно каждая сторона легирована плотностью акцептора NA и плотностью донора ND соответственно. подробнее про структуру P-N перехода читайте на страницах специализированного сайта.
Этот процесс продолжается взад и вперед до тех пор, пока количество электронов, пересекших переход, не приобретет достаточно большой электрический заряд, чтобы отталкивать или предотвращать прохождение других носителей заряда через переход. В конечном итоге возникает состояние равновесия (электрически нейтральная ситуация), создающее зону “потенциального барьера” вокруг области перехода, поскольку атомы-доноры отталкивают дырки, а атомы-акцепторы — электроны.
Поскольку свободные носители заряда не могут находиться в месте, где существует потенциальный барьер, области по обе стороны от перехода теперь полностью лишены каких-либо свободных носителей по сравнению с материалами N- и P-типов, расположенными дальше от перехода. Эта область вокруг PN-перехода теперь называется обедненным слоем.
PN-переход
Общий заряд с каждой стороны PN-перехода должен быть равным и противоположным, чтобы поддерживать нейтральное состояние заряда вокруг перехода. Если область обедненного слоя имеет расстояние D, то она, следовательно, должна проникать в кремний на расстояние Dp для положительной стороны и на расстояние Dn для отрицательной стороны, что дает соотношение между ними: Dp * N A = Dn * N D для поддержания нейтральности заряда, также называемой равновесием.
Расстояние между обедненными слоями
Поскольку материал N-типа теряет электроны, а P-тип — дырки, материал N-типа становится положительным по отношению к P-типу. Тогда присутствие примесных ионов по обе стороны от перехода приводит к созданию электрического поля в этой области с N-стороной при положительном напряжении относительно P-стороны. Проблема в настоящее время заключается в том, что свободному заряду требуется некоторая дополнительная энергия для преодоления существующего в настоящее время барьера, позволяющего ему пересечь переход в области обеднения.
Это электрическое поле, создаваемое процессом диффузии, создает “встроенную разность потенциалов” на переходе с потенциалом разомкнутой цепи (нулевого смещения) в:
Где: Eo — напряжение перехода с нулевым смещением, VT — тепловое напряжение 26 мВ при комнатной температуре, ND и NA — концентрации примесей, а ni — собственная концентрация.
Подходящее положительное напряжение (прямое смещение), приложенное между двумя концами PN-перехода, может обеспечить свободные электроны и дырки дополнительной энергией. Внешнее напряжение, необходимое для преодоления этого существующего в настоящее время потенциального барьера, очень сильно зависит от типа используемого полупроводникового материала и его фактической температуры.
Обычно при комнатной температуре напряжение на обедненном слое для кремния составляет около 0,6 – 0,7 вольт, а для германия – около 0,3 — 0,35 вольт. Этот потенциальный барьер будет существовать всегда, даже если устройство не подключено ни к какому внешнему источнику питания, как показано на примере диодов.
Значение этого встроенного потенциала на переходе заключается в том, что он противодействует как потоку дырок, так и электронов через переход, и именно поэтому его называют потенциальным барьером. На практике PN-переход формируется внутри монокристалла материала, а не просто соединяется или сплавляется вместе две отдельные детали.
Результатом этого процесса является то, что PN-переход обладает выпрямляющими вольт-амперными характеристиками (IV или I-V). Электрические контакты оплавлены с обеих сторон полупроводника, что позволяет осуществлять электрическое подключение к внешней цепи. Полученное в результате электронное устройство обычно называют PN-переходным диодом или просто сигнальным диодом.
Далее, в этом руководстве по теории PN-перехода мы увидели, что PN-переходы могут быть получены путем соединения или диффузии полупроводниковых материалов с различными легированными примесями для получения электронного устройства, называемого диодом, которое может использоваться в качестве базовой полупроводниковой структуры выпрямителей, всех типов транзисторов, светодиодов, солнечных элементов и многих других подобных твердотельных устройств.
В следующем уроке о PN-переходе мы рассмотрим одно из наиболее интересных применений PN-перехода — это его использование в схемах в качестве диода. Добавляя соединения к каждому концу материалов P-типа и N-типа, мы можем создать двухконтактное устройство, называемое PN-переходным диодом, которое может быть смещено внешним напряжением, чтобы либо блокировать, либо пропускать через него ток.