Каким свойством обладает p n переход: Электронно-дырочный переход и его свойства

Электронно-дырочный переход и его свойства

Подавляющее большинство современных полупроводниковых приборов функционируют благодаря тем явлениям, которые происходят на самих границах материалов, имеющих различные типы электропроводности.

Полупроводники бывают двух типов – n и p. Отличительной особенностью полупроводниковых материалов n-типа является то, в них в качестве носителей электрического заряда выступают отрицательно заряженные электроны. В полупроводниковых материалах p-типа эту же роль играют так называемые дырки, которые заряжены положительно. Они появляются после того, как от атома отрывается электрон, и именно поэтому и образуются положительный заряд.

Для изготовления полупроводниковых материалов n-типа и p-типа используются монокристаллы кремния. Их отличительной особенностью является чрезвычайно высокая степень химической чистоты. Существенно изменить электрофизические свойства этого материала можно, внося в него совсем незначительные, на первый взгляд, примеси.

Символ «n», используемый при обозначении полупроводников, происходит от слова «negative» («отрицательный»). Главными носителями заряда в полупроводниковых материалах n-типа являются электроны. Для того чтобы их получить, в кремний вводятся так называемые донорные примеси: мышьяк, сурьму, фосфор.

Символ «p», используемый при обозначении полупроводников, происходит от слова «positive» («положительный»). Главными носителями заряда в них являются дырки. Для того чтобы их получить, в кремний вводятся так называемые акцепторные примеси: бор, алюминий.

Число свободных электронов и число дырок в чистом кристалле полупроводника совершенно одинаково. Поэтому когда полупроводниковый прибор находится в равновесном состоянии, то электрически нейтральной является каждая из его областей.

Возьмем за исходное то, что n-область тесно соединена с p-областью. В таких случаях между ними образуется переходная зона, то есть некое пространство, которое обеднено зарядами. Его ёщё называют «запирающим слоем», где дырки и электроны, подвергаются рекомбинации. Таким образом, в месте соединения двух полупроводников, которые имеют различные типы проводимости, образуется зона, называемая p-n переходом.

В месте контакта полупроводников различных типов дырки из области p-типа частично следуют в область n-типа, а электроны, соответственно, – в обратном направлении. Поэтому полупроводник p-типа заряжается отрицательно, а n-типа – положительно. Эта диффузия, однако, длится только до тех пор, пока возникающее в зоне перехода электрическое поле не начинает ей препятствовать, в результате чего перемещение и электронов, и дырок прекращается.

В выпускаемых промышленностью полупроводниковых приборах для использования p-n перехода к нему необходимо приложить внешнее напряжение. В зависимости от того, какими будет его полярность и величина, зависит поведение перехода и проходящий непосредственно через него электрической ток. Если к p-области подключается положительный полюс источника тока, а к n-области – полюс отрицательный, то имеет место прямое включение p-n перехода. Если же полярность изменить, то возникнет ситуация, называемая обратным включением p-n перехода.

Прямое включение

Когда осуществляется прямое включение p-n перехода, то под воздействием внешнего напряжения в нем создается поле. Его направление по отношению к направлению внутреннего диффузионного электрического поля противоположно. В результате этого происходит падение напряженности результирующего поля, а запирающий слой сужается.

 

Вследствие такого процесса в соседнюю область переходит немалое количество основных носителей заряда. Это означает, что из области p в область n результирующий электрический ток будет протекать дырками, а в обратном направлении – электронами.

Обратное включение

Когда осуществляется обратное включение p-n перехода, то в образовавшейся цепи сила тока оказывается существенно ниже, чем при прямом включении. Дело в том, что дырки из области n будут следовать в область p, а электроны – из области p в область n. Невысокая сила тока обуславливается тем обстоятельством, что в области p мало электронов, а в области n, соответственно, – дырок.

 

Таким образом, при обратном включении полупроводникового прибора в цепь, переход через контакт двух областей осуществляется с помощью неосновных носителей заряда, количество которых совсем невелико. Поэтому электрическое сопротивление оказывается достаточно большим, а проводимость – незначительной. Это означает, что возникает запирающий слой.

P-N-переход

При обратном включении к р-области подсоединен “-” источника, а к n-области – “+” источника. Направление поля, которое создается источником внешнего напряжения, совпадает с направлением поля p-n–перехода. Поля складываются и потенциальный барьер между p- и n- областями увеличивается. Диффузионный ток уменьшается и увеличивается дрейфовый ток. Полный ток p-n–перехода определяется только дрейфовым током, т.е. током неосновных носителей заряда. Этот ток называется обратным.

Т.о. p-n–переход, включенный в прямом направлении пропускает электрический ток, а включенный в обратном направлении – не пропускает.
P-N-переход при обратном напряжении Uобр аналогичен конденсатору со значительным током утечки в диэлектрике. Запирающий слой имеет высокое сопротивление и играет роль диэлектрика, а по обе его стороны расположены два разноименных объемных заряда +Qобр и –Qобр., созданные ионизированными атомами донорной и акцепторной примеси. Поэтому р-n-переход обладает емкостью, подобной конденсатору с двумя обкладками. Эту емкость называют барьерной емкостью.
Барьерная емкость, как и емкость обычных конденсаторов, возрастает при увеличении площади р-n–перехода, диэлектрической проницаемости полупроводника и уменьшении толщины запирающего слоя.
Особенность барьерной емкости состоит в том, что она нелинейная, т. е. изменяется при изменении напряжения на переходе. Если обратное напряжение возрастает, то толщина запирающего слоя увеличивается и емкость Сб, уменьшается. Характер этой зависимости показывает график на рисунке. Как видно, под влиянием напряжения Uобр емкость Сб изменяется в несколько раз.

Зависимость полного тока p-n–перехода от приложенного внешнего напряжения называется статической вольт – амперной характеристикой перехода.
При достижении обратным напряжением критического значения Uпр обратный ток резко возрастает. Этот режим называется пробоем p-n–перехода. С практической точки зрения можно выделить два вида пробоя:
1)электрический пробой – он не опасен для p-n–перехода: при отключении источника обратного напряжения вентильные свойства перехода полностью восстанавливаются;
2)тепловой пробой – он может привести к разрушению кристалла и является аварийным режимом.
Электрический пробой вызван чрезмерным вырастанием напряженности электрического поля в переходе. Обратный ток вырастает, т.к. электрическое поле большой напряженности вырывает ее из ковалентных связей, и это приводит к увеличению концентрации носителей заряда в переходе.
Тепловой пробой вызван нагревом перехода и сопровождается резким увеличением термогенерации носителей заряда в области перехода.
Одним из важных параметров полупроводниковых приборов с электронно-дырочными переходами является допустимое обратное напряжение Uобр.max, при котором сохраняется свойство односторонней электропроводности.

Вольт фарадная характеристика

Вольт амперная характеристика P-N перехода

6.4: Соединения pn — Инженерные LibreTexts

  1. Последнее обновление
  2. Сохранить как PDF
  • Идентификатор страницы
    18975
    • Андреа М. Митофски
    • Trine University

    Многие устройства, в том числе фотогальванические устройства, светодиоды, фотодиоды, полупроводниковые лазеры и термоэлектрические устройства, в основном состоят из pn-переходов. Чтобы понять фотоэлектрические устройства и другие устройства преобразования энергии, нам нужно понять pn-переходы. Рассмотрим полупроводниковый кристалл, состоящий из материала n-типа (с избытком электронов) с одной стороны и материала p-типа (без электронов, другими словами, с избытком дырок) с другой стороны. Соединение материалов p-типа и n-типа называется p-n-переходом. Предположим, что соединение резкое и находится в тепловом равновесии.

    Некоторые pn-переходы сделаны из элементарных полупроводников, таких как Si, а другие pn-переходы сделаны из составных полупроводников, таких как GaAs.

    Рисунок \(\PageIndex{1}\): Диаграмма уровней энергии полупроводников p-типа и n-типа.

    Некоторые pn-переходы имеют одинаковый материал с обеих сторон, в то время как другие pn-переходы имеют разные материалы с обеих сторон. Например, pn-переход может быть изготовлен из слоя n-типа GaAs и слоя p-типа GaAs. Он также может быть изготовлен из слоя GaAs n-типа и слоя AlAs p-типа.

    Что произойдет, если мы соединим материал p-типа и материал n-типа, чтобы сформировать pn-переход? Валентные электроны и дырки движутся. Ядра и внутренние электроны оболочки не имеют. Некоторые избыточные электроны из области n-типа переходят в область p-типа. Часть избыточных дырок из области p-типа уходит в область n-типа. Эти носители заряда диффундируют, уносятся из области вблизи перехода. Эта область вблизи перехода, в которой отсутствуют носители заряда, называется обедненным слоем [10, с. 564]. Как показано на рис. \(\PageIndex{1}\), уровень Ферми \(E_f\) находится вблизи валентной зоны для материалов p-типа. В материале P-типа отсутствуют электроны, поэтому энергия, при которой равновероятно найти занятое и незанятое состояние электрона, ближе к валентной зоне. По той же причине уровень Ферми \(E_f\) находится вблизи зоны проводимости для материалов n-типа. На рисунке \(\PageIndex{2}\) показана диаграмма уровней энергии в зависимости от положения для pn-перехода, и на этом рисунке уровни Ферми двух материалов выстроены в ряд.

    Рассмотрим переход, в котором материал n-типа представляет собой кремний, легированный атомами фосфора, а материал p-типа представляет собой кремний, легированный атомами алюминия. Сторона n-типа pn-перехода имеет избыток положительных зарядов, поскольку некоторые атомы фосфора замещают атомы Si в материале. Атомы фосфора имеют на один протон больше, чем атомы кремния. У них также есть еще один электрон, но валентный электрон является носителем заряда, который диффундирует от соединения. Точно так же сторона p-типа перехода имеет избыток отрицательных зарядов, потому что некоторые атомы алюминия замещают атомы кремния. Атомы алюминия имеют на один протон меньше, чем атомы Si. У них также на один электрон меньше, но дырка является носителем заряда, который также диффундирует от перехода.

    Электрическое поле формируется на стыке из-за суммарного распределения заряда вблизи стыка. Напряженность электрического поля — это сила, приходящаяся на единицу заряда, и она имеет единицы \(\frac{V}{m}\). Также обязательно имеет место падение напряжения на p-n переходе в равновесии, и это напряжение называется контактным потенциалом \(V_0\) в единицах вольт. Хотя контактный потенциал представляет собой напряжение, его нельзя измерить, поместив вольтметр на p-n-переход, потому что при подаче дополнительных напряжений на каждом выводе вольтметра будут образовываться дополнительные контакты [9]., п. 141].

    На рисунке \(\PageIndex{2}\) показана диаграмма энергетических уровней p-n-перехода. Горизонтальная ось представляет положение, а вертикальная ось представляет энергию. Это связано с цифрами в разделе 6.2. Однако рисунок \(\PageIndex{2}\) увеличен по вертикали и построен в зависимости от положения вблизи перекрестка. На нем также показана взаимосвязь между диаграммой уровней энергии и символом цепи для диода, а обедненный слой помечен. Расстояние по вертикали \(qV_0\), также обозначенное на рис. \(\PageIndex{2}\), представляет собой количество энергии, необходимой для перемещения электрона через соединение [9]., п. 141].

    На рисунке \(\PageIndex{3}\) показана диаграмма уровней энергии для pn-перехода со смещением в прямом направлении. В прямом смещенном p-n переходе ток течет от p-типа к n-стороне перехода. Точнее, дырки перетекают из области p-типа в область n-типа, и некоторые из этих дырок нейтрализуют избыточные заряды в слое обеднения. Слой истощения сужается. Электрическое поле, препятствующее прохождению зарядов, уменьшается, и падение напряжения на переходе уменьшается. Энергия \(q (V_0 — V_x)\) обозначена на рис. \(\PageIndex{3}\) для смещенного в прямом направлении p-n перехода, где напряжение \(V_x\) — это подаваемое напряжение. Эта энергия представляет собой энергию, необходимую для того, чтобы заставить заряды течь через соединение, и она меньше, чем соответствующая энергия в случае несмещенного соединения. Заряды текут легче в случае прямого смещения p-n перехода, а диод действует как провод.

    На рисунке \(\PageIndex{4}\) показана диаграмма уровней энергии для обратно смещенного pn-перехода. Для pn-перехода с обратным смещением напряжение на переходе \(V_0 + V_x\) больше, чем для несмещенного перехода, а энергия, необходимая для протекания зарядов \(q (V_0 + V_x)\), больше, чем для незамкнутый стык. Обратно смещенные pn-переходы действуют как разомкнутые цепи, и заряды не текут из-за необходимого количества энергии.

    Рисунок \(\PageIndex{2}\): Диаграмма уровней энергии несмещенного pn-перехода. Рисунок \(\PageIndex{3}\): Диаграмма уровней энергии pn-перехода со смещением в прямом направлении. ): Диаграмма уровней энергии обратно смещенного pn-перехода.

    Светоизлучающий диод (LED) представляет собой устройство, которое преобразует электричество в оптическую электромагнитную энергию и состоит из полупроводникового pn-перехода. При использовании на светодиод подается прямое смещение, как показано на рис. \(\PageIndex{3}\). Дырки перетекают из области p-типа в область n-типа. Некоторые из этих дырок объединяются с электронами в обедненном слое. В светодиоде в этом процессе испускаются фотоны. Энергия испущенного фотона соответствует энергии энергетической щели. Некоторые светодиоды имеют дополнительный собственный нелегированный слой на стыке между слоями p-типа и n-типа для повышения эффективности устройства.

    Солнечная батарея и оптический фотодетектор также по существу являются pn-переходами. Оба этих устройства преобразуют оптическую электромагнитную энергию в электричество. Когда на эти устройства падает свет, на стыке образуются электронно-дырочные пары. Из-за распределения заряда по стыку многие из созданных электронов и дырок уносятся прочь от стыка, прежде чем они смогут рекомбинировать [9]. Этот поток зарядов представляет собой ток, поэтому оптическая электромагнитная энергия преобразуется в электричество. Когда свет падает на фотогальваническое устройство, на переходе может быть измерено напряжение, и этот эффект называется фотогальваническим эффектом [9]. , п. 212].

    Расстояние по вертикали между зоной проводимости и валентной зоной на диаграмме энергетических уровней равно энергетической щели \(E_g\). Энергетическая щель материала, используемого для изготовления солнечного элемента или фотодетектора, определяет свойства устройства. Фотоны с энергией, превышающей энергетическую щель, обладают достаточной энергией для образования электронно-дырочных пар, в то время как фотоны с меньшей энергией не могут.

    Рисунок \(\PageIndex{5}\): Схема атмосферных окон — длины волн, при которых электромагнитное излучение будет проникать в атмосферу Земли. Химическое обозначение (\(\text{CO}_2\), \(\text{O_3}\)) указывает на газ, блокирующий солнечный свет на определенной длине волны. Этот рисунок используется с разрешения [72].

    Если к pn-переходу приложен температурный градиент, заряды текут. Когда одна сторона устройства нагревается, заряды движутся быстрее, и эти энергетические заряды диффундируют к более холодной стороне. Этот эффект, называемый термоэлектрическим эффектом Зеебека, обсуждается в главе 8.

    Эта страница под названием 6.4: pn Junctions распространяется под лицензией CC BY-NC 4.0 и была создана, изменена и/или курирована Андреа М. Митофски с использованием исходного контента, который был отредактирован в соответствии со стилем и стандартами платформы LibreTexts; подробная история редактирования доступна по запросу.

    1. Наверх
    • Была ли эта статья полезной?
    1. Тип изделия
      Раздел или Страница
      Автор
      Андреа М. Митофски
      Лицензия
      CC BY-NC
      Версия лицензии
      4,0
      Показать оглавление
      нет
    2. Теги
      1. PN развязка
      2. источник@https://www. trine.edu/books/documents/de_text1.0.0.pdf

    свойство перехода — CSS: каскадные таблицы стилей

    transition-property Свойство CSS устанавливает свойства CSS, к которым должен применяться эффект перехода.

    Если указать сокращенное свойство (например, background ), будут анимированы все его сокращенные подсвойства, которые можно анимировать. 

     /* Значения ключевых слов */
свойство перехода: нет;
свойство перехода: все;
/* значения  */
свойство перехода: test_05;
переход-свойство: -специфический;
свойство перехода: скользяще-вертикально;
/* Несколько значений */
свойство перехода: test1, animation4;
переход-свойство: все, высота, цвет;
переход-свойство: все, -moz-специфический, скользящий;
/* Глобальные значения */
свойство перехода: наследовать;
переход-свойство: начальный;
свойство перехода: вернуться;
свойство перехода: возвратный слой;
свойство перехода: не установлено;

    Значения

    нет

    Никакие свойства не будут изменены.

    все

    Все свойства, которые могут переходить, будут.

    <пользовательский идентификатор>

    Строка, определяющая свойство, к которому должен применяться эффект перехода при изменении его значения.

    Исходное значение все
    Применяется ко всем элементам , ::до и ::после псевдоэлементов
    Унаследовано нет
    Вычисленное значение как указано
    Тип анимации дискретный 
     свойство перехода = 
     нет | 
     # 
     "> = 
     все |

    Простой пример

    В этом примере выполняется четырехсекундный переход размера шрифта, когда пользователь наводит указатель мыши на элемент.

    HTML 
     Наведите курсор на меня
    CSS 
     .цель {
  размер шрифта: 14px;
  свойство перехода: размер шрифта;
  продолжительность перехода: 4 с;
}
.цель:наведите {
  размер шрифта: 36 пикселей;
}

    Вы найдете больше примеров 9Свойство перехода 0127 включено в основную статью о переходах CSS.

    9020 2

    Таблицы BCD загружаются только в браузере с включенным JavaScript. Включите JavaScript для просмотра данных.

    • Использование переходов CSS
    • переход
    • продолжительность перехода
    • функция времени перехода
    • задержка перехода
    • Событие перехода

    Обнаружили проблему с содержанием этой страницы?

    • Отредактируйте страницу на GitHub.

      Опубликовано

      в

      от

      admin

      Метки:

      Комментарии

      Добавить комментарий

      Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

    Спецификация
    Переходы CSS
    # свойство-перехода-свойство