Zjawiska zachodzące w złączu P-N

- niespolaryzowane

W temperaturze pokojowej wszystkie atomy domieszkowe są zjonizowane, tzn. koncentracja dziur w obszarze typu p jest większa niż koncentracja elektr. a w obszarze typu n odwrotnie. W pobliżu płaszczyzny złącza istnieją gradienty koncentracji dziur i elektr. co powoduje ich przemieszczanie (dyfuzję). Elektrony z obszaru przyzłączowego n dyfundują do obszaru p; podobnie dziury z obszaru przyzłączowego p przechodzą do obszaru n. Nośniki przedostające się do przeciwnych obszarów stając się nadmiarowymi nośnikami mniejszościowymi w tych obszarach. Rekombinują one z nośnikami większościowymi, które nie przeszły na drugą stronę złącza. W obszarze n powstaje nadmiar ładunku jonów dodatnich, a w obszarze p nadmiar ładunku jonów ujemnych. Są to ładunki jonów nieruchomych, ulokowanych w węzłach siatki krystalicznej. W obszarach przyzłączowych powstaje więc podwójna warstwa nieskompensowanych ładunków (warstwa zaporowa). Po utworzeniu warstwy zaporowej przepływ nośników większościowych jest hamowany. Ładunek przestrzenny dodatni po stronie n hamuje przepływ dziur z obszaru p do n, natomiast ładunek przestrzenny ujemny po stronie p hamuje przepływ elektronów z obszaru n do p. Tworzy się pole elektryczne reprezentowane przez barierę potencjału. Wysokość tej bariery nazywa się napięciem dyfuzyjnym U_D:

q - ładunek elektronu; k - stała Boltzmana; T - temperatura; N_a - koncentracja akceptorów; N_d - koncentr. donorów; n_i - koncentr. samoistna półprzew.

Napięcie dyfuzyjne w temperaturze pokojowej dla złączy krzemowych 0,6÷0,8V dla złączy germanowych 0,1÷0,3V. Szerokość warstwy zaporowej d zależy od koncentracji domieszek po obu stronach złącza i napięcia dyfuzyjnego:

ε = ε_r εo - przenikalność elektryczna półprzewodnika.

Pole elektryczne wytworzone przez ładunek przestrzenny sprzyja przepływowi nośników mniejszo-ściowych wytworzonych wskutek generacji termicznej. Niektóre z nich dyfundują ku krawędziom warstwy zaporowej i przechodzą na drugą stronę. W ten sposób powstają prądy unoszenia nośników mniejszościowych I_pu i I_nu , które mają przeciwne zwroty w stosunku do prądów dyfuzyjnych nośników większościowych. Jeżeli do złącza nie jest przyłożone żadne zewn. napięcie, to wypadkowa gęstość prądu płynącego przez złącze wynosi 0.

-spolaryzowane w kierunku przewodzenia

Doprowadzenie napięcia z zewnątrz zakłóca stan równowagi elektrycznej. Przy polaryzacji w kierunku przewodzenia, tzn. tak, że do obszaru p jest dołączony biegun dodatni źródła zasilania, a do obszaru n - ujemny, zmniejsza się bariera potencjału do wartości U_d-U_ZEWN, maleje szerokość warstwy zaporowej oraz natężenie pola elektrycznego. Zmniejszenie bariery potencjału powoduje wzrost prądu dyfuzyjnego, tj. wzrost liczby dziur przechodzących z obszaru p do obszaru n i elektronów przechodzących z obszaru n do obszaru p. Te dodatkowe nośniki nazywane są wstrzykniętymi, nadmiarowymi nośnikami mniejszo-ściowymi. W chwili wprowadzenia przyciągają one nośniki o przeciwnym znaku - większościowe w danym obszarze. Koncentracja nośników nadmiarowych zmniejsza się zatem wykładniczo w miarę oddalania się od warstwy zaporowej w wyniku rekombinacji z nośnikami większościowymi. Wskutek niejednakowej koncentracji, wstrzyknięte nośniki mniejszościowe dyfundują do obszarów o mniejszej koncentracji, a więc w kierunku doprowadzeń. Jednocześnie od strony doprowadzeń napływają nowe nośniki większościowe, wprowadzone dzięki polaryzacji złącza, zapewniające neutralizację ładunku wprowadzonego do poszczególnych obszarów. Prądy unoszenia I_pu i I_nu pozostają przy tym praktycznie nie zmienione. W wyniku zwiększenia składowej dyfuzyjnej prądu, w obwodzie zewnętrznym płynie prąd:

I_s - prąd nasycenia, zależny od stałych fizycznych, materiałowych oraz konstrukcyjnych złącza.

- spolaryzowane w kierunku zaporowym

Przy polaryzacji wstecznej napięcie zewnętrzne ma kierunek zgodny z napięciem dyfuzyjnym. Następuje więc dalszy odpływ swobodnych nośników z obszaru otaczającego warstwę zaporową. Zwiększa się jej szerokość i rośnie bariera potencjału. Zwiększenie bariery potencjału powoduje zmniejszenie dyfuzji nośników, czyli zmniejszenie koncentracji nośników wprowadzanych na drugą stronę złącza. Przez diodę płynie tylko prąd unoszenia (10^-6÷10^-12 A), który nieznacznie zależy od przyłożonego napięcia, zależy natomiast od temperatury złącza i technologii jego wytwarzania. Przy dostatecznie dużym napięciu polaryzacji zaporowej prąd wsteczny rośnie szybko. W przypadku braku rezystancji ograniczającej prąd może nastąpić przebicie przejścia. Charakter przebicia złącza może być różny w zależności od zjawisk występujących w złączu.

Przebicie lawinowe. Przy pewnych wartościach pola elektrycznego wstecznego nośniki ładunku elektrycznego w półprzewodniku mogą uzyskiwać energie wystarczające do jonizacji obojętnych atomów sieci krystalicznej. Dodatkowe nośniki ładunku elektrycznego wyzwolone w ten sposób zwiększają jonizację atomów kryształu i prąd wsteczny rośnie lawinowo. Lawinowe przebicie złącza p-n występuje w półprzewodnikach o szerokim przejściu, gdzie jest możliwe uzyskanie energii przyśpieszanych w polu elektrycznym nośników wystarczającej do wywołania jonizacji lawinowej.

Przebicie tunelowe (zjawisko Zenera). Występuje przy wielkich natężeniach pola elektrycznego wywołanego napięciem wstecznym. W złączach silnie domiesz-kowanych, gdzie obszary ładunku przestrzennego są wąskie, przy polaryzacji w kierunku wstecznym górna krawędź pasma walencyjnego obszaru p leży powyżej dolnej krawędzi pasma przewodnictwa obszaru n. Wówczas jest możliwe zwężenie się pasma zabronionego i wzrost prawdopodobieństwa przejścia niektórych elektronów walencyjnych z pasma podstawowego do pasma przewodnictwa (efekt tunelowy). Elektrony z pasma walencyjnego mogą wtedy przejść do pasma przewodnictwa bez zmiany energii, ale po przekroczeniu pasma zabronionego. Przejścia takie nazywane są przejściami tunelowymi, a prąd - prądem Zenera. Napięcie, przy którym następuje gwałtowny wzrost prądu, nazywa się napięciem Zenera.

Dioda Zenera posiada złącze, w którym średnie drogi, jakie może przebyć elektron przed kolej-nymi rekombinacjami są mniejsze niż zwykł. diód (skrócona jest droga - czas życia el. - nie ma on możli-wości zderzenia się). Param. diody Zenera:

Napięcie Zenera (kilka -kilkadziesiąt V); Rez. dynamiczna diody Znr; P_a=U_max*I_max moc adm Temp. stabilność nap. Zn. T_KUz= ΔU_z /(U_zΔT_k).

---