Właściwości złącza p-n

Złącze p-n stanowi podstawę diod półprzewodnikowych. Rozpatrzmy właściwości złącza poddanego napięciu. Na poniższym rysunku pokazano złącze p-n, którego półprzewodnik typu N został połączony z dodatnim, a półprzewodnik typu P z ujemnym biegunem źródła napięcia. Dodatkowo pole elektryczne wytworzone przez źródło napięcia jest skierowane zgodnie z polem ładunków przestrzennych - bariera potencjału zostaje przez to zwiększona, co jeszcze bardziej utrudnia dyfuzję.

Zjawisko to można wytłumaczyć w ten sposób, że biegun dodatni źródła odciąga elektrony obszaru N od złącza, a biegun ujemny odciąga dziury obszaru P od złącza, wobec czego w strefie złącza jest bardzo mało nośników ładunku elektrycznego, pozostają tylko jony nie przenoszące ładunku. Mówimy, że przy takim połączeniu złącze działa zaporowo. W kierunku zaporowym może płynąć minimalny prąd, zwany prądem wstecznym. Gdy na odwrót połączymy półprzewodnik typu P z dodatnim, a półprzewodnik typu N z ujemnym zaciskiem źródła napięcia, wówczas pole wytworzone przez źródło napięcia jest skierowane przeciwnie do pola do pola warstwy zaporowej.

Wtedy bariera potencjału zostanie obniżona, co wyraźnie ułatwia dyfuzję. Elektrony półprzewodnika typu P są odpychane przez biegun ujemny źródła w kierunku warstwy zaporowej i mogą łatwo przekroczyć barierę potencjału. Natomiast dziury półprzewodnika typu N są odpychane przez biegun dodatni źródła w kierunku złącza. Szerokość warstwy jonów ulega zmniejszeniu. Przy takim połączeniu złącza przepływ prądu jest ułatwiony. Kierunek od obszaru P do N nazywamy kierunkiem przewodzenia, a kierunek od obszaru N do P - kierunkiem zaporowym lub wstecznym. Przy polaryzacji złącza w kierunku wstecznym, jeżeli obszar ładunku przestrzennego jest szeroki, to nośniki ładunku przechodząc przez ten obszar nabierają dużej energii. Przy odpowiednio dużej wartości napięcia wstecznego, poruszające się nośniki zderzają się z elektronami znajdującymi się w siatce krystalicznej, przekazując im swoją energię. W wyniku tego elektrony te opuszczają siatkę krystaliczną, stając się elektronami swobodnymi. Są one znów przyspieszane i mogą wygenerować dalsze. Proces nabiera charakteru lawinowego. Wskutek jonizacji lawinowej następuje bardzo duży wzrost liczby przepływających elektronów, a więc bardzo duży wzrost prądu.

Na poniższym rysunku przedstawiono zależność prądu I złącza p-n od przyłożonego napięcia U, czyli jego charakterystykę prądowo-napięciową. Przebieg tej charakterystyki wynika ze zjawisk opisanych powyżej.

Widać, że złącze p-n umożliwia przepływ prądu tylko w jednym kierunku - w kierunku przewodzenia. Po przekroczeniu tzw. napięcia progowego U(TO) (dla krzemu wynosi ono ok. 0,7V, a dla germanu ok. 0,2V) prąd przewodzenia zwiększa się bardzo szybko. Natomiast przy polaryzacji w kierunku zaporowym prąd jest bardzo mały - wiele tysięcy razy mniejszy niż w kierunku przewodzenia. Mówimy, że złącze PN ma wartości prostownicze. Przy dużym napięciu wstecznym (po przekroczeniu tzw. napięcia przebicia U(BR)) rozpoczyna się zjawisko przebicia lawinowego, a więc szybkie narastanie prądu przy prawie stałym napięciu na diodzie. Może to spowodować zniszczenie diody, jeżeli nie ograniczy się prądu przez włączenie szeregowo dodatkowej rezystancji.

Charakterystyki złączy p-n znacznie zależą od temperatury. Przede wszystkim ze zmianami temperatury zmienia się prąd wsteczny. W przybliżeniu zwiększa się on ok. dwukrotnie przy wzroście temperatury o 10K. Zmiany prądu są rzędu 5% przy zmianach temperatury o 1K. Obecnie diody półprzewodnikowe wykonuje się prawie wyłącznie z krzemu, rzadziej z germanu, jako diody ostrzowe i warstwowe.

---