Złącze p-n

Złącze p-n powstaje w miejscu styku dwóch półprzewodników o różnych stanach przewodnictwa. Nie może to jednak być czysto mechaniczne zetknięcie tychże półprzewodników.[4] [6] [7] Ze względu na mikroskopijne nierówności materii oraz zanieczyszczenia, które nie pozwalają zachodzić zjawiskom charakteryzującym złącze p-n. W tym celu złącze to wytwarza się wewnątrz kryształu. W złączu donory i akceptory pozostają nieruchome, a poruszają się jedynie dziury i elektrony. W wyniku tych ruchów powstaje tzw. warstwa zubożona.

Gdy złącze nie jest spolaryzowane dochodzi do dyfundowania nośników: elektrony z warstwy n przenikają do warstwy p i odwrotnie, w pobliżu miejsca styku powstaje ładunek mniejszościowy. Dochodzi także do rekombinacji ładunków, które dyfundowały z tymi co nie przeszły między półprzewodnikami.

Rekombinacja jest także przyczyną powstania nieruchomych ładunków po obu stronach złącza, które wytwarzają pole elektryczne zapobiegające dalszej dyfuzji jonów. Nieruchomy ładunek dodatni po stronie n hamuje przepływ dziur z obszaru p, natomiast ładunek ujemny po stronie p hamuje przepływ elektronów z obszaru n. W ten sposób dochodzi do powstania wcześniej wspomnianej warstwy zubożonej (zaporowej).

Rys 6. Przekrój złącza p-n.

Przepływ nośników większościowych nazywamy prądem dyfuzyjnym, natomiast przepływ ładunków mniejszościowych nazywamy prądem unoszenia. Zwrot prądu unoszenia jest przeciwny do zwrotu prądu dyfuzyjnego. W miejscu styku powstaje bariera potencjału, czyli pole elektryczne ładunku przestrzennego, który charakteryzuje się napięciem dyfuzyjnym.

Złącze p-n można spolaryzować poprzez przyłożenie zewnętrznego napięcia. Gdy minus podłączymy od strony p a plus od n to powodujemy dalsze poszerzenia warstwy zubożonej i zwiększenie rezystancji złącza.

Rys.7. Spolaryzowane złącze pn a) w kierunku zaporowym b) w kierunku przewodnictwa

Mówimy wtedy, że złącze jest spolaryzowane w kierunku zaporowym. Wówczas płynie przez nie jedynie niewielki prąd unoszenia. Gdy odwrócimy kierunek przepływu napięcia dojdzie do całkowitej likwidacji warstwy zaporowej. W ten sposób umożliwimy swobodny przepływ elektronów i dziur. Wówczas mówimy o złączu spolaryzowanym w kierunku przewodnictwa. Charakterystyka prądowo-napięciowa złącza p-n obrazuje nam ta sytuacje.

Rys.8. Charakterystyka prądowo-napięciowa złącza p-n.

Dioda Zenera (stabilistor) - odmiana diody półprzewodnikowej, której głównym parametrem jest napięcie przebicia złącza p-n. Po przekroczeniu napięcia przebicia ma miejsce nagły, gwałtowny wzrost prądu. W kierunku przewodzenia (anoda spolaryzowana dodatnio względem katody) zachowuje się jak normalna dioda, natomiast przy polaryzacji zaporowej (katoda spolaryzowana dodatnio względem anody) może przewodzić prąd po przekroczeniu określonego napięcia na złączu, zwanego napięciem przebicia. Przy niewielkich napięciach (do ok. 5 V) podstawową rolę odgrywa zjawisko Zenera, w zakresie od 5 do 7 V zjawisko Zenera i przebicie lawinowe, a powyżej 7 V - wyłącznie przebicie lawinowe. Napięcie przebicia jest praktycznie niezależne od płynącego prądu i zmienia się bardzo nieznacznie nawet przy dużych zmianach prądu przebicia (dioda posiada w tym stanie niewielką oporność dynamiczną).

Należy podkreślić, że identycznie zachowuje się każda dioda półprzewodnikowa. Cechami, które pozwalają wydzielić diody Zenera jako oddzielną kategorię elementów, są:

• przebicie niepowodujące uszkodzenia diody,

• napięcie przebicia określone dokładnie, z niewielką tolerancją, typowo 5% (dla np. diod prostowniczych ważne jest aby nie było mniejsze od zadanej wartości),

• mała oporność dynamiczna,

• zapewnienie możliwie gwałtownego przejścia do stanu przebicia złącza (możliwe ostre "kolano" na charakterystyce I = f(U)).

Podstawowym zastosowaniem diody Zenera jest źródło napięcia odniesienia, ponadto używana bywa do przesuwania poziomów napięć oraz jako element zabezpieczający i przeciwprzepięciowy (transil).

Zjawisko Zenera występuje w silnie domieszkowanych złączach p-n spolaryzowanych zaporowo. Objawia się gwałtownym wzrostem prądu (tzw. prądem Zenera) gdy napięcie polaryzujące przekroczy pewną charakterystyczną dla danego złącza wartość zwaną napięciem Zenera. Zjawisko Zenera jest również nazywane przebiciem Zenera.

W silnie domieszkowanym złączu p-n szerokość obszaru ładunku przestrzennego jest niewielka. Jeśli napięcie polaryzacji wstecznej takiego złącza będzie większe od napięcia Zenera, to górna krawędź pasma walencyjnego obszaru typu P znajdzie się wyżej niż dolna krawędź pasma przewodzenia obszaru typu N. Dlatego jeśli elektron znajdujący się w paśmie walencyjnym w obszarze typu P przejdzie przez obszar ładunku przestrzennego do obszaru typu N, to bez zmiany energii stanie się tam swobodnym nośnikiem - elektronem znajdującym się w paśmie przewodzenia półprzewodnika typu N. Takie przejście nazywane jest przejściem tunelowym.

Pojawienie się tych swobodnych nośników w obszarze N powoduje zwiększenie prądu płynącego w obwodzie. Nawet niewielki wzrost napięcia polaryzującego (przekraczającego napięcie Zenera) daje bardzo duży przyrost prądu.

Zjawisko Zenera występuje dla napięć polaryzujących nie większych niż 5-6V.

Dioda prostownicza - dioda przeznaczona głównie do prostowania prądu przemiennego, jej główną cechą jest możliwość przewodzenia prądu o dużym natężeniu.

Głównymi parametrami diod prostowniczych jest maksymalne dopuszczalne napięcie wsteczne (napięcie pomiędzy anodą i katodą w stanie zatkania) i maksymalny prąd przewodzenia, parametry te określają możliwość użycia diody w konkretnym zastosowaniu. Innymi parametrami ważnymi w tego rodzaju zastosowaniach jest maksymalny prąd chwilowy (określający odporność na przeciążenia), maksymalna moc tracona na diodzie, czas odzyskiwania zdolności zaworowej (wyznacza maksymalną częstotliwość prądu prostowanego).

Najpopularniejszym zastosowaniem diody prostowniczej jest prostowanie napięcia o częstotliwości sieciowej, czyli w Polsce 50 Hz. Diody te są elementami nieliniowymi i w związku z tym można wyróżnić napięcie powyżej którego gwałtownie rośnie prąd przepływający przez diodę w kierunku przewodzenia. Jest to minimalne napięcie przewodzenia, poniżej którego prąd diody jest pomijalnie mały. Dla germanu wynosi ono około 0,2 V (diody rzadziej stosowane); dla krzemu napięcie to równe jest około 0,7 V.

Spotykane w praktyce zakresy pracy diod prostowniczych obejmują prądy o wartości od kilku mA (miliamperów) do kilku kA (kiloamperów) i napięcia od kilku V (woltów) do kilkudziesięciu kV (kilowoltów). Mogą być wykonywane w postaci półprzewodnikowych diod złączowych (ze złączem p-n) lub diod Schottky'ego (ze złączem metal-półprzewodnik) gdy liczy się szybkość diody, oraz lamp elektronowych np. dioda próżniowa i gazotron.

Dioda tunelowa, rzadziej dioda Esakiego - dioda półprzewodnikowa, która dla pewnego zakresu napięć polaryzujących charakteryzuje się ujemną rezystancją dynamiczną.

Taką charakterystykę uzyskuje się w złączach silnie domieszkowanych, bowiem jest w nich możliwe przejście tunelowe nośników z pasma walencyjnego do pasma przewodzenia zarówno z obszaru półprzewodnika typu p+ do n+, jak i z obszaru n+ do p+, także przy polaryzacji złącza w kierunku przewodzenia (porównaj ze zjawiskiem Zenera). Czas tunelowego przejścia nośników jest rzędu 10^-13 s, dlatego diody tego typu wykorzystuje się do wytwarzania, wzmacniania i detekcji słabych drgań wysokich częstości (rzędu kilkuset gigaherców), w układach impulsowych (np. cyfrowych) oraz jako elementy aktywne generatorów.

Diody tunelowe wykonywane są z krzemu, arsenku galu, antymonku galu oraz obecnie już niezbyt często z germanu. Istotne parametry

• punkt szczytu, określony przez napięcie U_P i natężenie prądu I_P;

• punkt doliny, określony przez napięcie U_V i natężenie prądu I_V;

• rezystancja dynamiczna dla opadającej części charakterystyki.

Dla diod krzemowych

a dla diod wykonanych z arsenku galu

Typowe natężenie prądu I_P jest rzędu kilku, kilkunastu miliamperów.

Ważnym parametrem jest iloraz I_P / I_V - im jest on większy, tym lepiej. Ponadto, ze względu na przeznaczenie tych elementów do pracy z bardzo dużymi częstotliwościami istotne stają się: pojemność złącza p-n, indukcyjność pasożytnicza oraz pojemność obudowy, ponieważ wpływają na szybkość działania diody.

Dioda elektroluminescencyjna, dioda świecąca, LED (ang. light-emitting diode) - dioda zaliczana do półprzewodnikowych przyrządów optoelektronicznych, emitujących promieniowanie w zakresie światła widzialnego, podczerwieni i ultrafioletu.

Działanie

Działanie diody elektroluminescencyjnej (LED) opiera się na zjawisku rekombinacji nośników ładunku (rekombinacja promienista). Zjawisko to zachodzi w półprzewodnikach wówczas, gdy elektrony przechodząc z wyższego poziomu energetycznego na niższy zachowują swój pseudo-pęd. Jest to tzw. przejście proste. Podczas tego przejścia energia elektronu zostaje zamieniona na kwant promieniowania elektromagnetycznego. Przejścia tego rodzaju dominują w półprzewodnikach z prostym układem pasmowym, w którym minimum pasma przewodnictwa i wierzchołkowi pasma walencyjnego odpowiada ta sama wartość pędu.

Fotodioda - dioda półprzewodnikowa pracująca jako fotodetektor.

Fotodiody wykonane są jako elementy złącze p-n lub p-i-n, z warstwą samoistną (niedomieszkowaną). Fotony padające na złącze są absorbowane (zjawisko fotoelektryczne wewnętrzne) w rezultacie czego elektron zostaje przeniesiony do pasma przewodnictwa i powstaje para elektron-dziura. Elektrony swobodne są przyciągane przez dodatni ładunek przestrzenny na granicy obszaru typu n, dziury zaś wędrują do obszaru typu p. Prąd przewodzenia złącza p-n zwiększa się wraz ze wzrostem strumienia świetlnego. Złącze musi być polaryzowana zaporowo z zewnętrznego źródła napięcia.

Tryby pracy

• Brak polaryzacji - dioda pracuje jako źródło prądu elektrycznego, przy oświetleniu w złączu powstaje siła elektromotoryczna wywołująca prąd elektryczny (fotoprąd lub zjawisko fotowoltaiczne).

• przy polaryzacji zaporowej - do diody podłączone jest napięcie w kierunku zaporowym, dioda pełni rolę rezystora którego opór zależy od oświetlenia. Przy braku światła płynie tzw. prąd ciemny. Po oświetleniu liczba ładunków mniejszościowych wzrasta, a co za tym idzie wzrasta prąd wsteczny.

Zastosowania

• przy braku polaryzacji - bateria słoneczna

• przy polaryzacji zaporowej - nieliniowy rezystor, w którym opór zależy od strumienia światła

W obu przypadkach można wykorzystać fotodiodę jako detektor.

---