Свойства р – n – перехода. Полупроводниковые приборы

Свойства р – n – перехода. Полупроводниковые приборы

Работа большинства полупроводниковых приборов основана на использовании p-n-перехода. Физически это приконтактный слой толщиною в несколько микрон разновесных кристаллов.

На границе раздела возникает внутреннее электрическое поле p-n перехода, которое будет тормозящим для основных носителей заряда и будет их отбрасывать от границы раздела.

Приложим внешнее напряжение плюсом к p-области. Внешнее электрическое поле направлено навстречу внутреннему полю p-n перехода, что приводит к уменьшению потенциального барьера. Основные носители зарядов легко смогут преодолеть потенциальный барьер, и поэтому через p-n переход будет протекать сравнительно большой ток, вызванный основными носителями заряда.

Такое включение p-n перехода называется прямым, и ток через p-n переход, вызванный основными носителями заряда, также называется прямым током. Считается, что при прямом включении p-n переход открыт. Если подключить внешнее напряжение минусом на p-область, а плюсом на n-область, то возникает внешнее электрическое поле, линии напряжённости которого совпадают с внутренним полем p-n перехода. В результате это приведёт к увеличению потенциального барьера и ширины p-n перехода. Основные носители заряда не смогут преодолеть p-n переход, и считается, что p-n переход закрыт. Оба поля – и внутреннее и внешнее - являются ускоряющими для неосновных носителей заряда, поэтому неосновные носители заряда будут проходить через p-n переход, образуя очень маленький ток, который называется обратным током. Такое включение p-n перехода также называется обратным.

Свойства p-n перехода

К основным свойствам p-n перехода относятся:

- свойство односторонней проводимости;

- температурные свойства p-n перехода;

- частотные свойства p-n перехода;

- пробой p-n перехода.

Свойство односторонней проводимости p-n

Вольтамперной характеристикой (ВАХ) называется графически выраженная зависимость величины протекающего через p-n переход тока от величины приложенного напряжения. I=f(U).

Температурное свойство p-n перехода показывает, как изменяется

работа p-n перехода при изменении температуры

Частотные свойства p-n перехода показывают, как работает p-n переход при подаче на него переменного напряжения высокой частоты.

Частотные свойства p-n перехода определяются двумя видами ёмкости перехода:

- ёмкость, обусловленная неподвижными зарядами ионов донорной и акцепторной примеси. Она называется зарядной, или барьерной ёмкостью;

- диффузионная ёмкость, обусловленная диффузией подвижных носителей заряда через p-n переход при прямом включении.

Вывод: чем меньше величина ёмкости p-n перехода, тем на более высоких частотах он может работать.

Явление сильного увеличения обратного тока при определённом обратном напряжении называется электрическим пробоем p-n перехода.

Различают электрический (лавинный, туннельный) и тепловой пробои.

ИСТОРИЯ СОЗДАНИЯ И РАЗВИТИЯ ДИОДОВ

Третья четверть XIX века два направления:

1. 1873 году  британский учёный ФРЕДЕРИК ГУТРИ открыл принцип действия термионных (вакуумных ламповых с прямым накалом) диодов.

2. 1874 году  германский учёный КАРЛ ФЕРДИНАНД БРАУН открыл принцип действия кристаллических (твёрдотельных) диодов.

1900 года ГРИНЛИФ ПИКАРД создал первый радиоприёмник на кристаллическом диоде.

В конце XIX века данные устройства были известны под именем ВЫПРЯМИТЕЛЕЙ, и лишь в 1919 году Вильям Генри Иклс ввёл в оборот слово « ДИОД », образованное от греческих корней «di» — два, и «odos» — путь.

ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ДИОД — это полупроводниковый прибор с одним выпрямляющим электрическим переходом и двумя выводами, в котором используется то или иное свойство электрического перехода.

Группы полупроводниковых диодов:

выпрямительные, универсальные, импульсные, сверхвысокочастотные, стабилитроны, варикапы, туннельные, обращенные, фотодиоды, светоизлучающие диоды, генераторы шума, магнитодиоды.

Диоды делятся:

По конструктивному исполнению на:

• плоскостные (диоды в которых электрический переход имеет линейные размеры значительно больше толщины самого перехода)
• точечные (диоды, у которых размеры электрического перехода, определяющие его площадь, меньше толщины области объемного заряда)

По технологии изготовления на:

·         сплавные

·         диффузионные

·         эпитаксиальные

ВЫПРЯМИТЕЛЬ  (электрического тока) —  преобразователь электрической энергии; механическое, электровакуумное, полупроводниковое или другое устройство, предназначенное для преобразования переменного  входного электрического тока в  постоянный  выходной электрический ток.

Большинство выпрямителей создаёт не постоянные, а  пульсирующие  однонаправленные  напряжение  и  ток, для  сглаживания  пульсаций которых применяют  фильтры.

Устройство, выполняющее обратную функцию — преобразование постоянных напряжения и тока в переменные напряжение и ток — называется  инвертором.

Из-за принципа обратимости электрических машин выпрямитель и инвертор являются двумя разновидностями одной и той же электрической машины (справедливо только для инвертора на базе электрической машины).

Солнечные элементы (СЭ) изготавливаются из материалов, которые напрямую преобразуют солнечный свет в электричество.

В настоящее время СЭ изготавливается из кремния (химический символ Si). Кремний это полупроводник. Он широко распространен на земле в виде песка, который является диоксидом кремния (SiO2), также известного под именем "кварцит".

Другая область применения кремния - электроника, где кремний используется для производства полупроводниковых приборов и микросхем.

НАНО-ТЕХНОЛОГИИ

Конвертируем свет прямо в топливо

Основная идея проста – соединить солнечную батарею с электролизером, поместить в воду и собирать продукты.

При этом солнечный элемент изготавливается небольшого размера, чтобы его было легче поместить в емкость с водой. Как известно, солнечный элемент обычно содержит p-n-переход, и при освещении p-область заряжается положительно (выделяется кислород), а n-область – отрицательно (выделяется водород).

ПРОБЛЕМЫ ДАННОГО ЭКСПЕРИМЕНТА:

Во-первых, не отработана система разделения образующихся газов.

Во-вторых, КПД устройства пока варьируется от 2,5% (в случае непосредственного закрепления катализатора на поверхности кремния) до 4,7% (в случае соединения их проводами), в это время КПД коммерческих солнечных батарей превосходит 10%.

В-третьих, на сегодняшний день удобное и компактное хранение водорода до сих пор представляет нерешенную проблему, и это все при том, что водород - куда менее удобная и универсальная форма энергии, чем электричество.