104) Приборы с использованием р-п переходов.

Определяющее свойство р-n-пере­хода – его односторонняя проводимость.

Упрощенно механизм односторонней проводимости можно объяснить следующим образом, рисунок ниже:

Так как в области p с дырочной проводимостью подвижных электронов значительно меньше, чем в области n с элект­ронной проводимостью, то электроны из n-слоя начинают переходить в p-слой (у их границы), а дырки в то же время будут двигаться в обратном направлении. При этом элект­рическая нейтральность каждой области окажется нару­шенной. В пограничном слое с проводимостью типа а образуется положительный объемный заряд, а в p-области, то есть по другую сторону границы,— отрицательный. Таким образом, в тонком слое полупроводника у границы раздела p- и n-областей образуются две зоны объемных разноименных электрических зарядов. Этот слой и пред­ставляет собой собственно p-n-переход. Естественно, возникновение разноименных зарядов влечет за собой появле­ние электрического поля. Это поле препятствует проник­новению электронов в p-область, а дырок в n-область, причем настолько эффективно, что лишь отдельные элект­роны и дырки, обладающие повышенной энергией, могут преодолевать его тормозящее действие. Наступает стабиль­ное состояние p-n-перехода.

Если к полупроводнику приложить электрическое на­пряжение, то в зависимости от полярности этого напряже­ния p-n-переход проявляет совершенно различные свойства.

Итак, с определенной долей приближения можно счи­тать, что электрический ток через p-n-переход проте­кает, если полярность напряжения источника питания прямая, и, напротив, тока нет, когда полярность обратная.

Еще одна интересная особенность p-n-перехода за­ключается в том, что в диапазоне обратных напряжений, не превышающих напряжения пробоя, переход проявляет емкостные свойства, то есть ведет себя как конденсатор, причем емкость перехода обратно пропорциональна при­ложенному напряжению. Это свойство широко исполь­зуется там, где возникает необходимость применения конденсаторов переменной емкости, перестраиваемых не вруч­ную, а автоматически — в зависимости от обратного на­пряжения, приложенного к p-n-переходу.

Свойства p – n- перехода обусловливают их применение в различных приборах: выпрямительные, детекторные, смесительные диоды; биполярные и униполярные транзисторы; туннельные диоды; лавинно-пролётные диоды (СВЧ-генераторы); фотодиоды, лавинные фотодиоды, фототранзисторы; тиристоры, фототиристоры; фотоэлементы, солнечные батареи; светодиоды, инжекционные лазеры; детекторы частиц и др. P–n - переходы вытесняются Шоттки барьерами, изотипными гетеропереходами, планарно-легированными барьерами.

Наиболее многочисленны П. диоды, действие которых основано на использовании свойств электронно-дырочного перехода (р—n-перехода). Если к р—n-переходу диода приложить напряжение в прямом направлении (т. н. прямое смещение), т. е. подать на его р-область положительный потенциал, то потенциальный барьер, соответствующий переходу, понижается и начинается интенсивная инжекция дырок из р-области в n-область и электронов из n-области в р-область — течёт большой прямой ток. Если приложить напряжение в обратном направлении (обратное смещение), то потенциальный барьер повышается и через р—n-переход протекает лишь очень малый ток неосновных носителей заряда (обратный ток).

На резкой несимметричности вольтамперной характеристики (ВАХ) основана работа выпрямительных (силовых) диодов.

Использование специальных технологических приёмов (главным образом легирование германия и кремния золотом) позволило снизить время переключения до 10^-7—10^-10 сек и создать быстродействующие импульсные П. д., используемые, наряду с диодными матрицами главным образом в слаботочных сигнальных цепях ЭВМ.

При невысоких пробивных напряжениях обычно развивается не тепловой, а обратимый лавинный пробой р—n-перехода — резкое нарастание тока при почти неизменном напряжении, называется напряжением стабилизации U_cт. На использовании такого пробоя основана работа полупроводниковых стабилитронов. Стабилитроны общего назначения применяют главным образом в стабилизаторах и ограничителях постоянного и импульсного напряжения; прецизионные стабилитроны — в качестве источников эталонного и опорного напряжений.

Для детектирования и преобразования электрических сигналов в области СВЧ используют смесительные П. д. и видеодетекторы, в большинстве которых р—n-переход образуется под точечным контактом. Это обеспечивает малое значение ёмкости С_в, а специфическое, как и у всех СВЧ диодов, конструктивное оформление обеспечивает малые значения паразитных индуктивности L_k и ёмкости С_к и возможность монтажа диода в волноводных системах.

 У р—n-перехода на основе очень низкоомного (вырожденного) полупроводника область, обеднённая носителями заряда, оказывается очень тонкой (Полупроводниковый диод 10^-2 мкм), и для неё становится существенным туннельный механизм перехода электронов и дырок через потенциальный барьер. На этом свойстве основана работа туннельного диода, применяемого в сверхбыстродействующих импульсных устройствах (например, Мультивибраторах, Триггерах), в усилителях и генераторах колебаний СВЧ, а также обращенного диода, применяемого в качестве детектора слабых сигналов и смесителя СВЧ колебаний.

К полупроводниковым диодам относят также ПП приборы с двумя выводами, имеющие неуправляемую четырёхслойную р—n—р—n-структуру и называют тиристорами, а также приборы, использующие объёмный эффект доменной неустойчивости в ПП структурах без р—n-перехода — Ганна диоды. В П. д. используют и др. разновидности ПП структур: контакт металл — полупроводник (см. Шотки эффект, Шотки диод) и р—i—n-структуру, характеристики которых во многом сходны с характеристиками р—n-перехода.