Физические основы полупроводниковых выпрямителей

Основу полупроводникового диода составляет p-n переход – контакт двух полупроводников с различными типами примесной проводимости. Кратко рассмотрим физические процессы, происходящие в p-n переходе.

Пусть полупроводник n-типа (основные носители - электроны) приведен в контакт с полупроводником p-типа (основные носители - дырки). Схематически это показано на рис. 6.3.: контакт полупроводника p-типа (справа) с полупроводником n-типа (слева). Рассмотрим поведение основных носителей тока.

Рис. 6.3.

В момент образования p-n перехода электроны из приконтактного слоя полупроводника n-типа начинают диффундировать в полупроводник p-типа, так как концентрация электронов в n-области много больше их концентрации в p-бласти. Вблизи поверхности раздела образуется слой неподвижных положительно заряженных ионов донорной примеси. В то же время дырки, концентрация которых в p-области гораздо больше, чем в n-области, диффундируют навстречу электронам из p-области в n-область и оставляют после себя в приконтактной области слой неподвижных отрицательно заряженных акцепторов. Приконтактная область заряженных доноров и акцепторов называется областью объемного заряда. Внутри области объемного заряда глубиной d существует разность потенциалов j_k, которая создает напряженность электрического поля

(6.1)

Поле E_k направлено так, что оно выталкивает попадающие в область объемного заряда основные носители обратно в объем полупроводника и, следовательно, препятствует дальнейшему диффузионному переносу основных носителей через p-n-переход. Преодолеть поле объемного заряда могут только те немногочисленные основные носители, тепловая энергия которых (~ kT) больше энергии электрического поля объемного заряда (ej_k). Они создают небольшой ток через переход.

В то же время поле E_k способствует переходу неосновных носителей через область объемного заряда. Образуемый ими ток течет в направлении, обратном диффузионному току, и также мал из-за низкой концентрации неосновных носителей. В результате величина объемного заряда, глубина его проникновения d и распределение носителей устанавливаются так, что результирующий ток через переход равен нулю. Наступает состояние динамического равновесия.

Рассмотрим свойства p-n перехода во внешнем электрическом поле E. Пусть поле направлено так, как показано на рис. 6.4,а - положительный потенциал приложен к p-области.

Рис. 6.4.

Динамическое равновесие нарушится, под влиянием внешнего поля основные носители тока в обоих полупроводниках будут двигаться к месту контакта. Величина объемного заряда, занятая им область, напряженность поля объемного заряда E_k будут уменьшаться. Область контакта обогащается основными носителями тока, которые здесь рекомбинируют. Через диод потечет значительный ток, который называется прямым. Вклад в полный ток неосновных носителей при этом пренебрежимо мал.

Изменение направления внешнего поля E на противоположное (на рис. 6.4б положительный потенциал приложен к n-области) приводит к тому, что теперь поле удаляет основные носители из области контакта подобно полю объемного заряда. Результирующая напряженность поля внутри области контакта растет, величина объемного заряда и занимаемая им область (глубина d) также увеличиваются.

Это приводит к тому, что переноса основных носителей через контакт практически не происходит. Такое направление внешнего электрического поля называется обратным. Ток через контакт при этом обусловлен только движением неосновных носителей, которые двигаются навстречу друг другу и рекомбинируют в области контакта.

Так как концентрация неосновных носителей мала, то такой обратный ток очень мал по сравнению с прямым. Таким образом, контакт двух полупроводников с различным типом проводимости может работать как выпрямитель - пропускать ток практически только в одном направлении.

На рис.6.5. показана типичная вольт-амперная характеристика (ВАХ) полупроводникового диода - зависимость силы тока I (мА) от приложенного напряжения U (мВ). Величина тока существенно различается для одной и той же абсолютной величины приложенного к диоду напряжения. Если ток в прямом направлении для диодов малой и средней мощности составляет десятки или сотни миллиампер, то обратный ток - единицы микроампер.

Рис. 6.5.

Дата добавления: 2015-05-07