Электронно-дырочный переход

десять минут назад я говорил о том что именно благодаря тому что в полупроводнике можно создавать отдельно электронную проводимость то есть добавляет донор ную примесь примесь валентностью больше валентности матрицы мы можем добиваться того что количество свободных электронов гораздо больше количество свободных дырок и мы можем создавать полупроводники с дырочной проводимостью в которых в основном носителями заряда являются свободные дырки благодаря вот этому замечательному свойства полупроводников можно создавать различные полупроводниковые приборы и вот сегодня мы познакомимся с одним из таких приборов он называется полупроводниковый диод но в основе работы этого полупроводникового диода лежит так называемый электронно-дырочный переход это контакт 2 полупроводников с различным типом проводимости итак тема урока электронно-дырочный переход переход . полупроводниковый диод полупроводниковый диод запишем определение электронно-дырочный переходом называется электронно-дырочный переходом называется контакт 2 полупроводников с различным типом проводимости электронно-дырочный переходом называется контакт 2 полупроводников с различным типом проводимости контакт 2 полупроводников с различным типом проводимости электронный дырочный переход для краткости обозначают так п.н. переход или np переход это это допускается если контакт приведены два полупроводника одного сорта например кремний и кремний п кремний n cream то такой переход называется homo переход гoлeмa переход например конан силициум п силициум а если это контакт двух разных полупроводников то это называется гетеро переход ну например н кадмий с.п. club room 2 как мессы купрум 2 с это электронный полупроводник подмес и купрум 2 с дырочный полупроводник вот вами будем работать с дома переходом то есть в качестве образцового учебного полупроводника будем использовать кремы давайте договоримся о таких определениях о таких обозначениях электроны в.н. полупроводники и хоть больше чем дырок поэтому они называются основные носители основные носители заряда или же дырки в.п. полупроводники это тоже основные носители заряда то есть и которых больше по концентрации и наоборот дырки в крен полупроводнике или электронный в полупроводнике их называют неосновные носители заряда неосновные носители заряда вот такая терминология используется физики полупроводников и вот давайте сейчас с вами попробуем привести вконтакт полупроводник кремний n-типа и кремний p-типа вот у нас есть n полупроводник и п полупроводник мы их приводим соприкосновение посмотрим что будет на границе сразу заранее хочу сказать на практике такое никогда не делается почему потому что поверхность это очень дефектная область кристалла здесь практически разрушена кристаллическая решетка поэтому поверхность полностью нарушает работу pn-перехода из-за наличия здесь огромного количества дефектов они тоже очень сильно влияют на проводимость полупроводника поэтому на самом деле делается по-другому берется кусочек полупроводника с одной стороны создается по проводимость с другой н проводимость так что такого вот контакта нет существует граница который называется металлургическая граница но она проходит без нарушения целостности кристаллической решетки и так приведем в соприкосновения п кремний и n cream и посмотрим что будет сейчас мы тут будем рисовать довольно много вот кусочек полупроводника одного типа проводимости вот кусочек полупроводника другого типа проводимости ну например пускай слева будет p область п полупроводник а справа н полупроводник теперь здесь много свободных дырок дырки я буду изображать вот такими кружочками здесь свободных электронов очень много дырок практически нет свободных свободные электроны будем изображать вот такими точками на графике ниже я буду рисовать зависимость концентрации свободных электронов и свободных дырок от координаты которые отсчитывается вдоль вот вдоль x x а здесь мы будем откладывать концентрацию свободных электронов и свободных дырок n и p чтобы не путаться концентрацию свободных дырок они заряжены положительно и буду рисовать красный мелком концентрацию свободных электронов белый и так в p области свободных электронов мало они являются неосновными носителями поэтому их концентрация мало вот в n области электроны являются основными носителями поэтому их концентрация велика что касается дырок тут все наоборот в p области дырки являются основными носителями их концентрации вели квн области они являются не основными носителями их концентрация мало и так это у нас нпп и внизу еще один график изобразим а именно зависимость удельного сопротивления материала от положения в пространстве от координаты x в p области удельное сопротивление мало потому что здесь много свободных носителей заряда дырок в n области удельное сопротивление мало потому что здесь много свободных носителей заряда электронов значит удельное сопротивление и там и там низкая и график будет выглядеть вот так теперь приведем в соприкосновение n и p полупроводник сформируем pn-переход вот по и полупроводник вот м полупроводник это прн а вот эта граница ее принято называть физики полупроводников металлургическая граница металлургическая граница внизу заготовим графики зависимости концентрации свободных носителей заряда от координаты x и удельного сопротивления код координаты x вот металлургическая граница ну что же давайте подумаем что будет происходить когда мы приводим соприкосновения p и n полупроводник что у нас происходит здесь много свободных электронов здесь их нет когда мы предоставляем возможность свободным электронам двигаться сюда они начинают двигаться под действием к чего под действием явление которое называется диффузия ведь эти частички движутся хаотически вероятность того что они передвинуться вправо и влево одинаково и вот когда они попадают сюда они движутся вправо ну тут их мало и поэтому их концентрация резко увеличивается раньше их тут практически не было а влево если они движутся ничего интересного не происходит потому что здесь и так много электронов и так происходит диффузия электронов в по область но что происходит дальше эти электроны занимают вакантные места в валентных связях этот процесс называется рекомбинация в результате исчезает и электрон и дырка и здесь у нас нету ни электрона не дырки потому что электрон занял место дырки и поэтому там нейтральное образ и здесь нету ни электронной дырки но насчет нейтральной области я погорячился п полупроводник нейтрален когда сюда пришли электроны тут же еще есть примесь донор на и или акцепторной которая создает электрический заряд что же получается когда в нейтральный полупроводник по типа пришел электроны то здесь образовалась область отрицательного заряда которую принесли с собой диффундировал she электроны отсюда они ушли здесь образовалась область положительного заряда теперь здесь электронов нет здесь есть положительный заряд доноров здесь дырок нет и электронов тоже нет из положительный заряд акцепторов электроны дальше диффундировать не могут точнее те электроны что сюда про диффундировать их электрическим полем уносит обратно то есть тут возникает внутреннее электрическое поле направлено я вот так и внутренние она мешает электроном двигаться влево а дыркам двигаться вправо ест это с одной стороны с другой стороны здесь возникает электрические заряды поэтому эта область получила название область пространственного заряда появление области пространства заряда препятствует дальнейшей диффузии электронов кстати можно также говорить и о диффузии дырок она тоже препятствует областью пространственного заряда теперь с точки зрения концентрации дырки вдали от металлургической границы вот здесь никак не заметили наличие вот этой области поэтому их концентрация какой было такое осталось но здесь дырки исчезли потому что они проще комбинировали с электронами эти места вакантные места заняты электронами поэтому концентрация дырок упала резко здесь дырки являются неосновными носителями их концентрация такая же как здесь п здесь у нас and hit tv что касается электрон вдали от металлургической границы концентрация электронов не изменилось ну отсюда же они ушли значит их концентрация уменьшилась вот так н.н. здесь в результате появилась область в которой мало свободных электронов и мало свободных дырок что можно сказать об удельном сопротивлении материалов в этой области она стала выше потому что чем больше носителей заряда тем удельное сопротивление меньше и зависимость удельного сопротивления от координаты стала другой вот такой вот этот слой от куда ушли носители заряда называется обедненный слой давайте здесь я покажу вот граница обедненного слоя обедненный слой удельное сопротивление объединенного слоя большое больше гораздо чем удельное сопротивление вдали а теперь следующий шаг давайте мы к вот этому pn-перехода подключим 2 контакта слева и справа и присоединяемых к источнику тока то есть создадим еще дополнительно электрическое поле с помощью внешнего источника тока здесь у нас будет еще два рисунка похожих на эти и так вот pn-переход это металлургическая граница этапа область это н область теперь мы сюда подадим напряжение от внешнего источника который был нарисовать сверху вот причем давайте мы к п полупроводник у приложим отрицательный полюс источника тока а к н полупроводник у положительные то есть сюда минус сюда плюс и посмотрим как это отразится на распределение концентраций и на удельном сопротивлении заготавливаем графике здесь будет n и p здесь будет x на этом графике будет x а здесь удельное сопротивление ро при рисую везде 0 и чтобы андрей мне не делал замечание ну что ж давайте посмотрим что будет происходить внутреннее поле направлено было вот так внутреннее поле внутреннее поле препятствовала переходу электронов из n-области в.п. но теперь мы создали еще и внешнее поле это не внутренние а дополнительное внешнее поле направлено туда же от положительного полюса к отрицательному значит теперь переходу электронов отсюда сюда препятствует не только внутреннее поле но и внешне в результате оказывается что обедненный слой расширяется можно сказать так положительные заряды на контакте как бы притягивают к себе электроны с этой стороны отрицательные заряды на этом контакте притягивают в дырки и наоборот отталкивают электроны что в результате оказывается обедненный слой расширяется концентрация дырок если раньше она снижалась только внутри вблизи металлургической границы теперь она снижается уже на большем расстоянии и картина выглядит вот так металлургическую границу проведем пунктиром вот как будет выглядеть график зависимости концентрации это концентрация электронов эта концентрация дырок а как же будет распределена теперь удельное сопротивление здесь вдали от металлургической границы удельное сопротивление низкая потому что тут много свободных дырок что но мало но как только мы достигли вот эта граница обедненного слоя удельное сопротивление начала резко расти потому что здесь нет ни электронов не дырок здесь она снова упала вот как поведет себя удельное сопротивление вот обедненный слой он расширился обедненный слой расширился значит этот участок имеет теперь очень большое сопротивление и в результате тока через этот pn-переход благодаря большому сопротивлению обедненного слоя ибо здесь нет свободных носителей заряда это прямо диэлектрика такой слой диэлектрика ток через эту структуру будет очень мал токмо у такое включение pn-перехода называется обратно и включение обратно и включение обратно и включение а теперь то же самое повторим но изменив верность включение батарея здесь внешнее поле обозначим буквой e теперь изменим полярность включения батареи снова рисуем pn-переход металлургическая границу p область н область внутреннее поле вот я внутренние теперь на p область подаём положительный потенциал от источника тока плюс на n область отрицательный здесь у нас плюс вот так что происходит что происходит в этом случае внешнее поле направлено вот в эту сторону от положительного полюса к отрицательно заготавливаем графики ntp 0x здесь x удельное сопротивление rock раньше внешнее поле была направлена туда же куда и внутренне и она не пускала электроны в дырочку you область и поэтому электроны сюда не проникали теперь же электроны проникают в и вследствие диффузии здесь их много здесь их мало все равно что здесь у вас например открыто банка с духами да здесь нету запах пошёл влево только тут вместо молекулы запаха как говорят маленькие дети электроны они диффундируют сюда рекомбинируют с дырками но дырки же подходят и тоже свободны и носители заряда и вот с этой стороны идет диффузионный поток дырок с этой стороны идет диффузионный поток электронов и ничто ему не препятствует потому что внутреннее поле уничтожено внешним полем в результате устанавливается ток большой силы и такое включение называется прямое включение ток велик давайте посмотрим что происходит с концентрациями вот металлургическая граница теперь электроны свободно проникают в по область и поэтому их концентрация распределена вот так дальше они понятное дело рекомбинируют занимая местах дырок взаимно уничтожая с дырками но это происходит уже здесь в p области дырки диффундируют вот сюда это электроны это дырки п в результате ни в одном из участков pn-перехода нет области где не хватает носители заряда объединенная область исчезла обедненный слой не образуется он исчез поэтому удельное сопротивление везде маленькая 1 маленькая удельное сопротивление налоги сама сопротивление всего прибора в целом то есть через него течет большой ток такое включение как я уже говорил называется прямым прямое включение прямое включение итак мы с вами получили полупроводниковый прибор с односторонней проводимостью то есть pn-переход можно использовать в качестве выпрямителя прибора с односторонней проводимостью если мы измерим вольт-амперную характеристику такого прибора pn-перехода она имеет примерно такой вид по вертикали мы откладываем силу тока по горизонтали напряжение здесь ноль здесь напряжение положительному значению напряжения будет соответствовать прямое включение отрицательному будет включение обратно и вольт-амперная характеристика если измерить имеет вот такой вид примерно вольт-амперная характеристика п.н. или н.п. перехода здесь ток велик то есть сопротивление в прямом направлении мало сопротивление в обратном направлении велико вот этот ток небольшой обратный ток он в десятки тысяч раз меньше чем прямой ток и обусловлено наличием неосновных носителей в этих областях то есть здесь кроме дырок все-таки немножко свободных электронов есть неосновные носители их присутствие делает это ток отличным от нуля вакуумном диоде тут ток вообще нет не тек бы это вид называется прямая ветви вольтамперной характеристики это вид называется обратный оветт обратный вид ну теперь как можно реализовать вот эту идею на практике во первых я говорил уже о том что просто так привести в контакт 2 полупроводника разного типа нельзя нужно в одном кристалле создать p и n области делается это например следующим образом вот сейчас мы изобразим как устроен реальный полупроводниковый диод полупроводниковый диод состоит из этой один из многих вариантов на самом деле полупроводниковый диод состоит из металлической подложке к которой припаяна вот такая пластинка кремния с n типа проводимости н силициум припаяна снизу идет проводник вывод полупроводникового диода вывод теперь нам надо создать область по типа для этого нам надо ввести акцепторы к акцептором относятся примеси у которых валентность меньше чем у матрицы то есть 3 валентные элементы это может быть я уже говорил алюминий это может быть галей это может быть индии технологически удобнее всего пользоваться in den у него температура плавления такая удобная для технологических операций и вот поступают следующим образом напаивают сверху каплю индия металлического индия индии трёхвалентной если это все нагреть и долго подождать то атомы и не диффундируют внутрь н кремния и можно дождаться такой ситуации когда концентрация акцепторов превысит концентрацию доноров и тогда произойдет то что называется компенсации полупроводника то есть акцепторов станет больше чем доноров и полупроводник вот здесь которой до того как энди сюда диффундировал было электронным станет дырочный здесь у нас теперь п кремний самое главное сделано вот это пунктиром показан электронно-дырочный переход теперь здесь нужно напаять проволочку электрический контакт закрыть это все в корпус металлический корпус сюда впаять стеклянный изолятор стеклянный изолятор сюда вставляется проводник такой довольно твердый который соединяется вот с этим проводником идущим кэнди и дальше идет выводах вы вот-вот устройство типичного полупроводникового диода если это p область то если мы подадим сюда положительное напряжение то диод будет включён в прямом направлении смотрите на p область плюс на n область минус даст вам прямое включение значит p область вверху и но область внизу если вы сюда подключить и положительный вывод источника тока сюда отрицательный диод будет хорошо проводить и изобразить такой идиот на схеме изображают так уйдет на схеме вот таким образом вот его устройство вот его условное обозначение ток через такой диод может течь в направлении указываемый вот этим треугольником как стрелкой то есть прямой ток течет вот так значит сюда надо подавать плюс к сюда минус от источника тока грубо говоря поэтому стрелочка вот этот треугольничек называется анод диода а вот этот электрод называется катод нарисовали теперь то что я вам рассказал это лишь одно применение диодов на практике а именно он используется в полупроводниковых выпрямителях он маленький я вам покажу фотографии в конце но при этом он способен пропускать очень значительные токи то есть по сравнению с вакуумным диодом это прорыв не нужно никаких цепей накала ничего но на самом деле диоды такие могут использоваться и в других целях посмотрите допустим вы включили pn переход в обратном направлении вот так здесь область в которой нет носителей заряда свободных потому что их так скать растащило полем внутренним и полем батареи но ведь их здесь можно создать сделайте окошко и осветите светом полупроводниковый материал в нем начнут рождаться свободные электроны и дырки потому что энергия светового излучения пойдет на то чтобы освободить электроны в результате этого возникнут область вот это в которой есть генерирование светом электроны их так и называют фото электроны и генерирование светом дырки они по детям этого электрического поля тут же уйдут в контакты и в цепи потечёт ток то что я рассказал называется фотодиод фотодиод бывают фоторезисторы там просто используется то что под действием света образуются свободные носители заряда но фотодиод гораздо более чувствителен он способен регистрировать гораздо меньше световые потоки а теперь рассмотрим вот эту схему посмотрите что здесь происходит электроны и дырки движутся навстречу в результате электрон занимает место валентной связи так сказать возвращается домой там его энергия меньше чем в свободном состоянии меньше на величину которой я называл ширина запрещен зоны эта энергия может высвобождаться разными способами самый тривиальный способ просто нагревается диода но оказывается можно подобрать такие полупроводники и так грамотно их обработать что энергия которая выделяется при рекомбинации пойдет на световое излучение и вы получите прибор который называется светодиода более того специальными ухищрениями нанесением 2 отражающих поверхностей можно заставить свет который генерируется светодиодов светодиодом гонять туда-сюда между этими двумя отражающими поверхностями и можно создать такую ситуацию к сожалению школе мы об этом поговорить час не сможем когда возникает лазерное излучение то есть когда диод начинает излучать так как излучает радиопередатчик радиоволны совершенно правильный узко направленный луч строго определенной длины волны слов срока определенной частоты это лазерные диоды лазерные указки то есть из этого колоссальное развитие возможно и в заключение хочу вам показать какие бывают полупроводниковые приборы не затрагивая еще пока приборов у которых больше чем два вывода из не затрагивая транзисторов об этом мы поговорим завтра давайте посмотрим какие бывают полупроводниковые приборы именно с двумя выводами вот это фотография терморезисторов то есть это просто образцы полупроводников которые имеют все более низкое сопротивление с повышением температуры еще прибор вот это фоторезистор вот эти значки это на самом деле контакты вот это один контакт вот это 2 а вот такая змея образная система сделана для того чтобы увеличить площадь поперечного сечения проводника это желтый полупроводника это скорее всего сульфид кадмия он довольно высоко умный и поэтому чтобы фоторезистор имел не слишком большое сопротивление нужно сделать длину проводника как можно меньше а поперечное сечение проводящий области как можно больше вот это различные выпрямительные диоды вот вот тот диод который я сейчас показываю я его схему на рисовал на доске это более современный диод вот эти диоды маломощные но они зато могут использоваться для выпрямления высокочастотных токов вот это тоже маломощный но высокочастотный диод а вот это мощные диоды они способны работать при токах там до 10 ампер следующая картинка полупроводниковый диод уже такое довольно мощный ну вот до 200 29-го это примерно такой как я нарисовал до 9 это высокочастотный диод а вот это в к 200 это мощный диод вы видите вот тут вот полупроводниковой у структуру тут даже есть какие-то пояснительные надписи вот 5 эта пластинка и индия так 6 эта пластинка кремния вот тут вот между идеями кремнием формируется полупроводниковый pn-переход о котором я говорил сверху 4 контактная пластина вместо она дополняет пластину индия обеспечивает хорошее электрические контакты вот такой вот мощный гибки проводник токи которые можно пропускать через способен выпрямлять это диод судя по названию вы коты ест 200 это 200 ампер то есть это и не снилась вакуумным диодов вот это он как выглядит в натуре такой вот диод вот то что вы видите здесь это радиатор дело в том что здесь в при прямом включении выделяется тепло не свет как в светодиоде а тепло и нужно его отводить если диод не охлаждать он может выйти из строя например тот же самый индии может расплавиться а вот это фотодиод о которыми тоже рассказывал видите окошечко через который можно освещать pn переход и там рождаются носители заряда которые обеспечивают только перенос а вот это целая семейка светодиодов цвет свечения зависит от того какого ширина запрещенной зоны того или иного полупроводника вот если взять арсенид гарри или алюминий галей arsenicum вот такие сложные полупроводники оказывается в зависимости от того сколько какого компонента вы добавляете при создании полупроводника ширина запрещенной зоны меняется и меняется цвет то есть длина волны излучения которое испускается светодиодом ну и вот его внутреннее строение вы видите в основном он состоит из вот этих двух мощных контактов а само сердце диода она крошечная вот собственно сам полупроводниковый диод здесь вот здесь такая отражающая полость reflect ивкович виде да потом вот этот вот проводник который подводит электрический ток к светодиоду он здесь вот приварен контакту сверху из эпоксидной смолы линзочка все это пластик прозрачный запрессованы вот анод сюда надо подавать положительное напряжение вы попадаете тогда на p область катод подключается к n области светодиоды нужно включать в прямом направлении и наконец и наконец лазерный диод что там внутри не видно но видно хорошо что вот эта массивная медная подложка она используется для охлаждения лазерные диоды также как и светодиоды они все-таки греются для того чтобы они не перегревались важно его хорошо охлаждать вот из этого отверстия бьет лазерный луч три ножки скорее всего две из них соединены между собой это просто сделано для того чтобы этот диод крепился надежно то чтобы он не болтался на двух ножках он будет шататься на 3 он надежно закреплен вот такие бывают только полупроводниковые приборы с двумя выводами диоды выпрямительные диоды светодиоды фотодиоды термисторы но это не диоды на все равно фоторезисторы светоизлучающие диоды и лазеры так что мир полупроводниковой электроники очень богатым и только тока к нему пока прикасаемся на сегодня все отдыхаем над