ZŁĄCZE p-n

Złącze p-n powstaje w rezultacie połączenia (zbliżenia na odległość międzyatomową) dwóch półprzewodników typu „p” i typu „n”.

Rozkład koncentracji nośników przed połączeniem półprzewodników - linie ciągłe

oraz po ich połączeniu - linie przerywane

Wniosek: granica złącza wnika głębiej do p.p. słabiej domieszkowanego.

Wskutek różnych gęstości nośników w połączonych p.p. wystąpi ich dyfuzja (do obszarów o mniejszej gęstości):

Zwroty dyfuzji / odpływu nośników

W efekcie dyfuzyjnego odpływu nośników powstają w złączu nieruchome jony domieszek:

W obszarze <-x_p, x_n> nie ma ruchomych nośników ładunku, ma on więc dużą rezystywność i nazywany jest warstwą zaporową złącza.

Jony tworzą nieskompensowany lokalnie ładunek przestrzenny:

Z ładunkiem przestrzennym ρ związane jest prawem Gaussa pole elektryczne:

gdzie: S - oznacza powierzchnię obejmującą obszar o objętości V,

ε - stałą dielektryczną p.p.

W rozpatrywanym przypadku jednowymiarowym, pole elektryczne ma tylko składową wzdłuż x, więc można zapisać:

gdzie: x' - jest zmienną pomocniczą.

Granice całkowania

bo ρ na zewnątrz warstwy zaporowej jest = 0.

Przedstawiony na ostatnim rysunku rozkład gęstości ładunku można scałkować graficznie:

Obecność ładunku przestrzennego wywołuje różnicę potencjałów pomiędzy p.p. typu „p” i „n”, nazywaną napięciem dyfuzyjnym U_B lub barierą potencjału, która jest równa:

Po przekształceniach:

Gdy T=300K ⇒ U_BSi ≅ 0,8V, U_BGe ≅ 0,2V.

Pole elektryczne i bariera potencjału mają takie zwroty, że powstrzymują dalszy odpływ dyfuzyjny nośników większościowych:

Zwrot pola jest taki, że jednocześnie wspomaga ruch nośników mniejszościowych przez złącze:

Nośniki mniejszościowe, które przeszły przez złącze, obniżają wysokość bariery potencjału (częściowo neutralizują nieskompensowany ładunek przestrzenny), co umożliwia dalszy dyfuzyjny przepływ nośników większościowych.

Po pewnym czasie następuje równowaga i suma wszystkich prądów płynących przez złącze (dwóch dyfuzyjnych i dwóch unoszenia) wynosi zero.

Dokładniej: przy braku napięcia polaryzacji zewnętrznej, dyfuzja dziur z obszaru „p” do obszaru „n” jest równoważona unoszeniem dziur w stronę przeciwną.

Podobnie, dyfuzja elektronów z obszaru „n” do obszaru „p” jest równoważona przez unoszenie elektronów w stronę przeciwną.

ZAKŁÓCENIE RÓWNOWAGI W ZŁĄCZU p-n

Barierę potencjału można zmieniać np. za pomocą zewnętrznego źródła napięcia dołączonego do złącza p-n.

1. Napięcie zewnętrzne zgodnie dodaje się do napięcia bariery:

Zewnętrzne źródło U wspomaga barierę potencjału złącza ⇒
↑.

Wzrost
powoduje silne ograniczenie prądów dyfuzyjnych nośników większościowych i jednoczesny nieznaczny wzrost prądów unoszenia (dryftu) nośników mniejszościowych.

W rezultacie, przez złącze i w obwodzie zewnętrznym płynie niewielki prąd wypadkowy (rzędu μA) a ten sposób polaryzacji złącza nazywany jest polaryzacją zaporową lub wsteczną.

2. Polaryzacja przewodzenia

Zewnętrzne źródło U osłabia barierę potencjału złącza ⇒
↓.

Zmniejszenie
powoduje b. silny wzrost prądów dyfuzyjnych nośników większościowych i jednoczesne zmniejszenie prądów unoszenia nośników mniejszościowych.

Źródło zewnętrzne przeciwdziała napięciu dyfuzyjnemu, bariera potencjału maleje o wartość napięcia zewnętrznego i wynosi: U_B-U.

Prąd dyfuzji nośników większościowych jest znacznie większy niż prąd unoszenia nośników mniejszościowych.

W efekcie przez złącze (i w obwodzie zewnętrznym) płynie znaczny prąd (dziesiątki mA - tysiące A) tzw. prąd przewodzenia.

Czy jest możliwa całkowita kompensacja napięcia bariery (np. za pomocą napięcia zewnętrzego)?

CHARAKTERYSTYKA PRĄDOWO-NAPIĘCIOWA ZŁĄCZA p-n

Wypadkowy prąd I płynący przez „teoretyczne” złącze p-n jest wykładniczą funkcją napięcia na złączu:

Prąd nasycenia złącza I_S ma postać:

gdzie: D_n , D_p - współczynniki dyfuzji elektronów bądź dziur,

L_n , L_p - długości drogi dyfuzyjnej elektronów bądź dziur, definiowana jako odległość, na której koncentracja nośników maleje e-krotnie (około 63%), przy czym:

,

gdzie: τ_n , τ_p czas życia nośników mniejszościowych - elektronów bądź dziur.

Przykładowe wartości współczynników dyfuzji dla T=300K

	Si	Ge
Dn[m^2/s]	33,8⋅10^-4	98,8⋅10^-4
Dp[m^2/s]	13⋅10^-4	46,8⋅10^-4

Z wzoru na prąd nasycenia złącza ⇒ że zależy on od koncentracji nośników mniejszościowych ⇒ I_S jest bardzo silnie rosnącą funkcją temperatury.

W prostych zastosowaniach, przy ustalonej temperaturze T=300K, można skorzystać z przybliżenia:

Charakterystyka I=f(U) rzeczywistej diody p.p. różni się od charaktrystyki „teoretycznej” ponieważ

• napięcie na przewodzącym złączu jest mniejsze od doprowadzonego do diody wskutek spadku napięcia na rezystancjach p.p.

• prąd wsteczny jest większy od prądu nasycenia złącza I_S wskutek skończonej rezystywności (upływności) warstwy zaporowej.

PODSTAWY ELEKTRONIKI Jacek Zientkiewicz

__________________________________________

POLITECHNIKA LUBELSKA 25

Dla złącza p-n rozważmy: I = f(U)

Z rysunku ⇒ że aby otrzymać zgodne sumowanie napięć do półprzewodnika typu „p” należy dołączyć elektrodę ujemną zewnętrznego źródła napięcia, a do półprzewodnika typu „n” dodatnią. Napięcie dyfuzyjne (bariera potencjału) powiększa się o wartość napięcia zewnętrznego i wynosi U_B+U.

p_n

Wspomaganie dryftu

za pomocą pola elektrycznego

n_p

dryft nośników mniejszościowych w polu elektrycznym

typ „p”

typ „n”

Hamowanie dyfuzji

dziur za pomocą pola elektrycznego

dyfuzja dziur z części „p”

n_n

p_p

typ „p”

typ „n”

Emax = E(0)

Warunek obojętności wymaga aby: ρ(-) → Q_-+ ρ(+) → Q₊ = 0

typ „n”

typ „p”

n_n

p_p

|p_p| > |n_n| ⇒

|x_n| > |x_p|

---