1. Yarim o’tkazgichlarda elektr toki p-n o’tish

P-n-birikmasi va uning xossalari
P-n o'tish joyida p- va n-hududlardagi asosiy zaryad tashuvchilarning kontsentratsiyasi teng bo'lishi yoki sezilarli darajada farq qilishi mumkin. Birinchi holda, p-n birikmasi nosimmetrik, ikkinchisida - assimetrik deb ataladi. Asimmetrik o'tishlar ko'proq qo'llaniladi.
P-mintaqadagi akseptor nopokligi konsentratsiyasi n-mintaqadagi donor nopokligi konsentratsiyasidan katta bo'lsin (1.1a-rasm). Shunga ko'ra, p-mintaqasidagi teshiklar (yorug'lik doiralari) kontsentratsiyasi n-mintaqasidagi elektronlar (qora doiralar) kontsentratsiyasidan kattaroq bo'ladi.
P-mintaqasidan teshiklarning va n-mintaqasidan elektronlarning tarqalishi tufayli ular butun hajm bo'ylab bir tekis taqsimlanadi. Agar elektronlar va teshiklar neytral bo'lsa, diffuziya oxir-oqibat kristalning butun hajmida ularning konsentratsiyasini to'liq tenglashtirishga olib keladi. Biroq, bu sodir bo'lmaydi. P-mintaqasidan n-mintaqasiga o'tadigan teshiklar, donor nopokligining atomlariga tegishli elektronlarning bir qismi bilan qayta birlashadi. Natijada, elektronsiz qolgan donor nopoklikning musbat zaryadlangan ionlari musbat zaryadli chegara qatlamini hosil qiladi. Shu bilan birga, bu teshiklarning p mintaqasidan chiqib ketishi qo'shni elektronni tutib olgan qabul qiluvchi nopoklik atomlarining chegaraga yaqin mintaqada kompensatsiyalanmagan manfiy ion zaryadini hosil qilishiga olib keladi. Xuddi shunday, elektronlarning n-mintaqasidan p-mintaqasiga diffuziya harakati mavjud bo'lib, xuddi shunday ta'sirga olib keladi.

Chegaraviy zaryadlar hosil qilgan potentsial farq deyiladi kontakt potentsial farqi U yoki potentsial to'siq, qaysi tashuvchilarni engishga qodir emas. Chegaraga p-mintaqadan yaqinlashib kelayotgan teshiklar musbat zaryad bilan, n-mintaqadan yaqinlashib kelayotgan elektronlar esa manfiy zaryad bilan itariladi. Kontakt potentsial farqi E kuchga ega bo'lgan elektr maydoniga mos keladi. Shunday qilib, kenglik bilan p-n birikmasi hosil bo'ladi l, bu tashuvchilarning kamaytirilgan tarkibiga ega bo'lgan yarimo'tkazgich qatlami - nisbatan yuqori elektr qarshiligi R ga ega bo'lgan kamaygan qatlam deb ataladi.

Agar unga tashqi kuchlanish U qo'llanilsa, p-n strukturasining xossalari o'zgaradi.tashqi manbaning potentsiali, hududlar orasidagi chegaraga yaqinlashib, manfiy ionlarning bir qismi zaryadini qoplaydi va p-n o'tish joyining kengligini toraytiradi. p-mintaqaning tomoni. Xuddi shunday, n-mintaqaning elektronlari tashqi manbaning manfiy potentsialidan boshlab, musbat ionlarning bir qismini zaryadini qoplaydi va p-n-birikmasining kengligini n-hududdan toraytiradi. Potensial to'siq torayadi, p-mintaqadagi teshiklar va n-mintaqadagi elektronlar u orqali o'ta boshlaydi va p-n o'tish joyidan oqim o'ta boshlaydi.
Tashqi kuchlanishning oshishi bilan oqim cheksiz ravishda oshadi, chunki u asosiy tashuvchilar tomonidan yaratiladi, ularning konsentratsiyasi doimiy ravishda tashqi kuchlanish manbai bilan to'ldiriladi.
Potensial to'siqning pasayishiga olib keladigan tashqi kuchlanishning polaritesi to'g'ridan-to'g'ri, ochilish deb ataladi va u tomonidan yaratilgan oqim to'g'ridan-to'g'ri deyiladi. Bunday kuchlanish qo'llanilganda, p-n birikmasi ochiq va uning qarshiligi R pr<<="" p="">
Agar p-n strukturasiga teskari polariteli kuchlanish U arr qo'llanilsa ta'sir aksincha bo'ladi. Elektr maydonining kuchi E arr elektr maydoni E p-n-o'tish yo'nalishi bo'yicha mos keladi. Manbaning elektr maydoni ta'sirida p-mintaqaning teshiklari tashqi kuchlanishning manfiy potentsialiga, n-mintaqaning elektronlari esa ijobiy potentsialga siljiydi. Shunday qilib, asosiy zaryad tashuvchilar tashqi maydon tomonidan chegaradan uzoqlashtirilib, p-n o'tishning kengligini oshiradi, bu esa zaryad tashuvchilardan deyarli ozod bo'lib chiqadi. Bu holda p-n-o'tishning elektr qarshiligi ortadi. Tashqi kuchlanishning bu polaritesi teskari, blokirovkalash deb ataladi. Bunday kuchlanish qo'llanilganda, p-n-o'tish yopiladi va uning qarshiligi R arr >> R.
Shunga qaramay, teskari kuchlanish bilan kichik oqim I arr. Bu oqim, to'g'ridan-to'g'ri oqimdan farqli o'laroq, nopoklik tashuvchilar tomonidan emas, balki harorat ta'sirida "erkin elektron - teshik" juftlarini hosil qilish natijasida hosil bo'lgan o'z o'tkazuvchanligi bilan belgilanadi. Ushbu tashuvchilar rasmda ko'rsatilgan. p mintaqadagi bitta elektronga va n mintaqadagi bitta teshikka. Teskari oqimning qiymati amalda tashqi kuchlanishdan mustaqildir. Bu vaqt birligida doimiy haroratda hosil bo'lgan "elektron-teshik" juftlarining soni doimiy bo'lib qolishi bilan izohlanadi va hatto U arr voltning fraktsiyalarida ham barcha tashuvchilar teskari oqim hosil qilishda ishtirok etadilar.
Teskari kuchlanish qo'llanilganda, p-n birikmasi kondansatkichga o'xshatiladi, uning plitalari dielektrik bilan ajratilgan p- va n-mintaqalardir. Dielektrikning rolini deyarli to'lov tashuvchilardan ozod bo'lgan yaqin chegara hududi o'ynaydi. Ushbu p-n o'tish sig'imi deyiladi to'siq. U qanchalik katta bo'lsa, p-n birikmasining kengligi qanchalik kichik bo'lsa va uning maydoni qanchalik katta bo'lsa.
P-n-o'tishning ishlash printsipi uning joriy kuchlanish xarakteristikasi bilan tavsiflanadi. ochiq va yopiq p-n birikmalarining to'liq oqim kuchlanish xarakteristikasi ko'rsatilgan.
Ko'rinib turibdiki, bu xususiyat asosan chiziqli emas. Saytda 1 E pr< Е и прямой ток мал. На участке 2 Е пр >E , hech qanday to'siq qatlami yo'q, oqim faqat yarimo'tkazgichning qarshiligi bilan belgilanadi. 3-bo'limda blokirovka qatlami ko'pchilik tashuvchilarning harakatiga to'sqinlik qiladi, kichik oqim ozchilik zaryad tashuvchilarning harakati bilan belgilanadi. Boshlanishdagi oqim kuchlanishining xarakteristikasidagi burilish p-n birikmasiga qo'llaniladigan kuchlanishning to'g'ridan-to'g'ri va teskari yo'nalishlari uchun oqim va kuchlanishning turli shkalalari bilan bog'liq. Va nihoyat, 4-bo'limda, U arr =U namunalarida, p-n birikmasining buzilishi sodir bo'ladi va teskari oqim tez o'sib boradi. Buning sababi shundaki, elektr maydoni ta'sirida pn o'tish joyidan o'tganda, ozchilik zaryad tashuvchilar yarimo'tkazgich atomlarining zarba ionlanishi uchun etarli energiya oladi. O'tish joyida zaryad tashuvchilarning ko'chkiga o'xshash ko'payishi - elektronlar va teshiklar boshlanadi, bu esa deyarli doimiy teskari kuchlanish bilan p-n birikmasi orqali teskari oqimning keskin oshishiga olib keladi. Ushbu turdagi elektr buzilish deyiladi qor ko'chkisi. Odatda engil qo'shilgan yarimo'tkazgichlarda hosil bo'lgan nisbatan keng p-n o'tish joylarida rivojlanadi.

Og'ir doplangan yarimo'tkazgichlarda to'siq qatlamining kengligi kichikroq bo'lib, bu ko'chki parchalanishining oldini oladi, chunki harakatlanuvchi tashuvchilar zarba ionlanishi uchun etarli energiya olmaydilar. Shu bilan birga, bo'lishi mumkin elektr buzilishi p-n-o'tish, p-n-o'tish joyidagi elektr maydonining kritik kuchlanishiga yetganda, maydon energiyasi tufayli elektron teshik tashuvchilar juftlari paydo bo'ladi va o'tishning teskari oqimi sezilarli darajada sodir bo'ladi.

Elektr uzilishi teskariligi bilan tavsiflanadi, ya'ni p-n o'tishning dastlabki xususiyatlari to'liq tiklangan, agar siz p-n o'tish joyidagi kuchlanishni pasaytirsangiz. Ushbu elektr buzilishi tufayli yarimo'tkazgichli diodlarda ish rejimi sifatida ishlatiladi.
Agar p-n-o'tish joyining harorati uning teskari oqim bilan isishi va issiqlikning etarli darajada chiqarilmasligi natijasida oshsa, u holda zaryad tashuvchilarning juftlarini hosil qilish jarayoni kuchayadi. Bu, o'z navbatida, oqimning yanada oshishiga olib keladi va p-n o'tish joyining isishi, bu birikmaning yo'q qilinishiga olib kelishi mumkin. Bunday jarayon deyiladi termal buzilish. Termal buzilish p-n birikmasini buzadi.
Har xil turdagi o'tkazuvchanlikka ega bo'lgan yarimo'tkazgichlarning p-n o'tishlari deb ataladigan kontaktlari alohida ahamiyatga ega. Ularning asosida yarimo'tkazgichli diodlar, detektorlar, termoelementlar, tranzistorlar yaratiladi.

P-n tipidagi yarimo'tkazgichlar chegarasida bir qator ajoyib xususiyatlarga ega bo'lgan "to'siqli qatlam" hosil bo'ladi, bu esa p-n o'tkazgichlarining elektronikada keng qo'llanilishini ta'minladi.

n-tipli yarimo'tkazgichda erkin elektronlar konsentratsiyasi juda yuqori, p-tipli yarimo'tkazgichda esa ko'p marta kamroq bo'lganligi sababli, chegarada n mintaqadan p mintaqaga erkin elektronlarning tarqalishi sodir bo'ladi.
Xuddi shu narsani teshiklar haqida ham aytish mumkin; ular teskarisi p dan n gacha tarqaladi.
Shu sababli chegara mintaqasida ("to'siqli qatlamda") elektron-teshik juftlarining intensiv rekombinatsiyasi sodir bo'ladi, to'siq qatlami tok tashuvchilardan tugaydi va uning qarshiligi keskin ortadi.
Diffuziya natijasida chegaraning har ikki tomonida n mintaqada musbat hajm zaryadi va p mintaqada manfiy hajm zaryadi hosil bo'ladi.

Shunday qilib, blokirovka qatlamida kuch bilan elektr maydoni paydo bo'ladi, uning kuch chiziqlari n dan p gacha yo'naltiriladi va shuning uchun kontakt potentsial farqi. , bu erda d to - to'siq qatlamining qalinligi. 37-rasmda p-n o'tishdagi potentsial taqsimotning grafigi ko'rsatilgan.
P va n hududlar chegarasining potentsiali nol potentsial sifatida qabul qilinadi.
Shuni ta'kidlash kerakki, to'siq qatlamining qalinligi juda kichik va shakl. 42 uning miqyosi aniqlik uchun juda buzilgan.
Kontakt potentsialining qiymati qanchalik katta bo'lsa, asosiy tashuvchilarning kontsentratsiyasi qanchalik katta bo'lsa; bu holda to'siq qatlamining qalinligi kamayadi. Misol uchun, nopoklik atomlarining o'rtacha konsentratsiyasida germaniy uchun.
U k \u003d 0,3 - 0,4 (V)
d k \u003d 10 -6 - 10 -7 (m)
Aloqa elektr maydoni elektronlarning n dan p ga va teshiklarning p dan n gacha tarqalishini sekinlashtiradi va diffuziya (diffuziya oqimi) tufayli harakatlanadigan elektronlar va teshiklar o'rtasidagi blokirovka qatlamida dinamik muvozanat juda tez o'rnatiladi. kontakt elektr maydonining teskari yo'nalishdagi harakati (drift oqimi yoki o'tkazuvchanlik oqimi).
Stabil holatda diffuziya oqimi o'tkazuvchanlik oqimiga teng va qarama-qarshidir va bu oqimlarda ikkala elektron va teshiklar ishtirok etganligi sababli, blokirovka qatlami orqali umumiy oqim nolga teng.
43-rasmda p-n o'tish joyidagi erkin elektronlar va teshiklarning energiya taqsimoti grafiklari ko'rsatilgan.

Grafiklardan ko'rinib turibdiki, n mintaqadagi elektronlar p mintaqaga kirish uchun yuqori potentsial to'siqni engib o'tishlari kerak. Shuning uchun, u ulardan juda ozchiligiga, eng baquvvatlarga ega.
Shu bilan birga, p mintaqasidan elektronlar n mintaqaga erkin o'tadi, u erda kontakt maydoni bilan harakatlanadi ("chuqurga" aylanadi).
Ammo n-mintaqada erkin elektronlar kontsentratsiyasi ahamiyatsiz va barqaror holatda arzimas teng miqdordagi elektronlar chegara bo'ylab qarama-qarshi yo'nalishda harakat qiladi.
Xuddi shunday mulohazalarni p-n o'tish chegarasi orqali teshiklarning harakati haqida ham keltirish mumkin. Natijada, tashqi elektr maydoni bo'lmaganda, to'siq qatlami orqali o'tadigan umumiy oqim nolga teng.
44-rasmda ko'rsatilganidek, tok manbaining musbat qutbini p-n o'tkazgichning p-tipli yarim o'tkazgichga, manfiy qutbini esa n-tipli yarimo'tkazgichga ulaymiz.

Keyin p-tipli yarimo'tkazgichdan n-tipli yarimo'tkazgichga yo'naltirilgan ushbu dizayndagi elektr maydoni blokirovka qatlami orqali teshiklar va elektronlarning yo'naltirilgan harakatiga hissa qo'shadi, bu esa blokirovka qatlamining asosiy oqim tashuvchilari bilan boyitilishiga olib keladi. va shuning uchun uning qarshiligining pasayishiga olib keladi. Diffuziya oqimlari elektronlar va teshiklar tomonidan hosil qilingan o'tkazuvchanlik oqimlaridan sezilarli darajada oshadi. Asosiy tashuvchilarning yo'naltirilgan harakati tufayli p-n o'tish joyidan elektr toki o'tadi.
Bunday holda, kontakt potentsialining qiymati (potentsial to'siq) keskin pasayadi, chunki tashqi maydon kontakt maydoniga qarshi qaratilgan. Bu shuni anglatadiki, oqim hosil qilish uchun p-n birikmasiga bir voltning atigi bir necha o'ndan bir qismidagi tashqi kuchlanishni ulash kifoya.
Bu erda hosil bo'lgan oqim deyiladi to'g'ridan-to'g'ri oqim. P-tipli yarimo'tkazgichda to'g'ridan-to'g'ri oqim - bu teshiklarning tashqi maydon yo'nalishi bo'yicha, n-tipli yarim o'tkazgichda esa teskari yo'nalishda erkin elektronlarning yo'naltirilgan harakati. Tashqi simlarda (metall) faqat elektronlar harakat qiladi. Ular manbaning minusidan uzoqda bo'lgan yo'nalishda harakat qiladilar va blokirovka qatlami orqali p mintaqasiga chiqadigan elektronlarning yo'qolishini qoplaydi. Va p dan elektronlar metall orqali + manbaga o'tadi. Elektronlarga qarab p-mintaqasidan "teshiklar" blokirovka qatlami orqali n-mintaqaga o'tadi.

Bu holatda potentsial taqsimot 45a-rasmda ko'rsatilgan
Nuqta chiziq tashqi elektr maydoni bo'lmaganda p-n o'tish joyidagi potentsial taqsimotni ko'rsatadi. To'siq qatlamidan tashqaridagi potentsial o'zgarish ahamiyatsiz darajada kichikdir.

Shaklda. to'g'ridan-to'g'ri oqim sharoitida elektronlar va teshiklarning taqsimlanishini ko'rsatadi.
40b-rasmda potentsial to'siq keskin pasayganligi ko'rsatilgan va elektronlar va teshiklar uchun asosiy oqim tashuvchilar blokirovka qatlami orqali ular uchun "begona" joylarga kirib borishi oson.
Endi musbat qutbni n-tipli yarimo'tkazgichga, manfiy qutbni esa p-tipga ulaymiz. Bundaylarning ta'siri ostida teskari p-n-o'tish orqali kuchlanish deb atalmish oqadi teskari oqim.
Bunday holda, tashqi elektr va aloqa maydonlarining kuchli tomonlari birgalikda yo'naltiriladi, shuning uchun hosil bo'lgan maydonning kuchi oshadi va potentsial to'siq kuchayadi, bu blokirovka qatlami orqali asosiy tashuvchilarning kirib borishi uchun amalda engib bo'lmaydigan holga keladi va diffuziya oqimlari to'xtaydi. Tashqi maydon, go'yo bir-biridan teshiklar va elektronlarni haydab chiqarishga intiladi, to'siq qatlamining kengligi va uning qarshiligi ortadi. To'siq qatlamidan faqat o'tkazuvchan oqimlar o'tadi, ya'ni ozchilik tashuvchilarning yo'naltirilgan harakatidan kelib chiqadigan oqimlar. Ammo ozchilik tashuvchilarning kontsentratsiyasi ko'pchilikka qaraganda ancha past bo'lganligi sababli, bu teskari oqim to'g'ridan-to'g'ri oqimdan ancha past.

45c-rasmda teskari oqim holatida p-n o'tishdagi potentsial taqsimot ko'rsatilgan.
P-n o'tishning ajoyib xususiyati uning bir tomonlama o'tkazuvchanligidir.
Tashqi maydonning to'g'ridan-to'g'ri yo'nalishi bilan p dan n gacha, oqim katta, qarshilik esa kichik.
Qarama-qarshi yo'nalishda oqim kichik, qarshilik esa katta.
p-n (pe-en) o'tish - ikkita p- va n-tipli yarimo'tkazgichlarning tutashgan joyidagi bo'shliq hududi, unda bir turdagi o'tkazuvchanlikdan ikkinchisiga o'tish sodir bo'ladi, bunday o'tish elektron-teshik o'tishi deb ham ataladi.
Hammasi bo'lib ikki turdagi yarimo'tkazgichlar mavjud - p va n turdagi. n-tipda asosiy zaryad tashuvchilar hisoblanadi elektronlar , p-tipida esa asosiylari musbat zaryadlangan teshiklar. Elektron atomdan ajralgandan keyin musbat teshik paydo bo'ladi va uning o'rnida musbat teshik hosil bo'ladi.
P-n birikmasi qanday ishlashini aniqlash uchun uning tarkibiy qismlarini, ya'ni p tipidagi va n tipidagi yarimo'tkazgichlarni o'rganish kerak.
P va n tipidagi yarimo'tkazgichlar juda yuqori darajadagi tozalikka ega bo'lgan bir kristalli kremniy asosida ishlab chiqariladi, shuning uchun eng kichik aralashmalar (0,001% dan kam) uning elektr xususiyatlarini sezilarli darajada o'zgartiradi.
N tipidagi yarimo'tkazgichlarda ko'pchilik zaryad tashuvchilar hisoblanadi elektronlar . Ulardan foydalanish uchun donor aralashmalari, kremniyga kiritilgan,- fosfor, surma, mishyak.
P tipidagi yarimo'tkazgichlarda ko'pchilik zaryad tashuvchilar musbat zaryadlangan teshiklar . Ulardan foydalanish uchun qabul qiluvchi aralashmalar — alyuminiy, bor