3

150 Ćwiczenia laboratoryjne z fizyki

150 Ćwiczenia laboratoryjne z fizyki

■

W wyniku lego procesu w cienkim obszarze przyzłączowym półprzewodnika typu n wystąpi nadmiar ładunku dodatniego (w porównaniu z głębszym obszarem półprzewodnika typu u). Natomiast w obszarze przyzłączowym półprzewodnika typu p wystąpi nadmiar ładunku ujemnego (w porównaniu z głębszym obszarem półprzewodnika typu p). Zatem warstwa podwójna wytwarza lokalne pole elektryczne E_np o kierunku od typu n do p przeciwdziałające dalszej dyfuzji nośników ładunku. W warstwie tej występuje również zmniejszenie koncentracji swobodnych nośników ładunku. Jest ich tu bardzo mało w porównaniu z pozostałymi obszarami obu typów półprzewodnika. Dzięki temu ta cienka warstwa posiada tak dużą rezystancję, że decyduje o łącznej rezystancji całego złącza. Jest to bardzo ważne, bo decydujące o właściwościach elektrycznych diody półprzewodnikowej. Z powyższych powodów omawianą warstwę nazywa się często warstwą zaporową.

N    E.    ^p

ife

b)    _N    . i    p

	©*• ©►©*• -	+i -*<5> <E) ■*<£>
	©* ©*•©►! -	+\
i	©*• ©►©*■-	pi -a® -*<5>	—i
	©*-©*•©*• u	+i «<±> *<±> *•©
	©* ©*©•>	+\
L 1 ■		lii.__1

Rys. 19.3. Spolaryzowana dioda n-pi a) w kierunku zaporowym, b) w kierunku przewodzenia

Pole elektryczne E_np przeciwstawia się dyfuzji nośników większościowych ą jednocześnie ułatwia przepływ mniejszościowych przez złącze (jest to tzw. prąd

unoszenia). W niespolaryzowanym złączu ustala się stan równowagi, w którym znoszą się tc obydwa rodzaje prądów (ich suma równa się zeru).

jeżeli do złącza p-n przyłożyć zewnętrzne pole elektryczne E_t w kierunku zgodnym z kierunkiem pola E„_p (do półprzewodnika typu n - biegun dodatni, a do typu p - biegun ujemny) (rys. 19.3a), to grubość warstwy zaporowej wzrośnie. W wyniku tego rezystancja złącza znacznie wzrośnie i będzie przez niego płynąć stosunkowo słaby prąd. Nosi on nazwę zaporowego, a jego kierunek przepływu - kierunku zaporowego.

jeżeli do złącza p-n przyłożyć zewnętrzne pole elektryczne E, w kierunku przeciwnym do wewnętrznego pola złącza E_np (do typu n - biegun ujemny, a do typu p - biegun dodatni) (rys. 19.3b), to zmniejsza się grubość warstwy zaporowej i jej rezystancja. Przy takiej polaryzacji przez diodę może płynąć prąd o dużym natężeniu, a jego kierunek nazywamy kierunkiem przewodzenia.

Natężenie prądu I płynącego przez złącze p-n pod wpływem przyłożonego z zewnątrz napięcia U wyraża się następującym wzorem

(19.1)

gdzie: I, - tzw. prąd nasycenia, e - ładunek elementarny, k - stała Boltzmanna.

W kierunku przewodzenia (U > 0) prąd (I > 0) wzrasta gwałtownie ze wzrostem napięcia, a w kierunku zaporowym (U < 0) prąd (tu / < 0) szybko osiąga wartość ekstremalną (/ = -I_s). Graficznym obrazem zależności (19.1) jest charakterystyka prądowo-napięciowa diody p-n.

Powyższa teoria złącza p-n wynika z modelu dyfuzyjnego, zaproponowanego przez Shockleya w 1949 roku. Odchylenia od tej idealnej charakterystyki złącza są dosyć częste w takich półprzewodnikach, jak np. Si, GaAs i GaP. Główną przyczyną tych odchyleń jest zmiana gęstości prądu elektronów i dziur w obszarze warstwy zaporowej, wynikająca z rekombinacji nośników, czego nie uwzględnia teoria Shockleya. Dlatego w praktycznych pomiarach uzyskuje się charakterystykę opisaną równaniem

1 = 1,

exp \e

PkT

-I

(19.2)

Współczynnik p wskazuje na proporcję między składową prądu dyfuzyjnego a składową prądu rekombinacyjnego i jest równy 1 dla czystego prądu dyfuzyjnego oraz 2 dla prądu rekombinacyjnego.

Dla odpowiednio dużego napięcia polaryzującego diodę w kierunku prze

wodzenia (tzn. gdy spełniony jest warunek można pominąć i otrzymuje się zależność:

'W

3) jedynkę we wzorze (19.2)