Простое объяснение работы диода

[vkm]

В литературе существует простое объяснение ВАХ диода при прямом и обратном подключении p-n перехода для дилетантов вроде меня.

Согласно ему, когда подается "минус" со стороны n-области и, соответствено "плюс" со стороны p-области, основные носители начитнают двигаться навстречу друг другу, активно рекомбинируют в зоне перехода, тем самым создают большой ток через диод.

При обратном включении диода основные носители движутся в обратном направлении. При этом создается дефицит свободных носителей в зоне перехода, что увеличивет его сопротивление и ток становится маленьким.

Ну, вроде бы все поятно, но что-то не давало мне ощущения полного понимания и заставляло чувствовать определенный дискомфорт.
Я стал думать и понял, что не дает мне покоя.

Я представил себе картину движения электронов в полупроводнике следующим образом. В n-области в зоне проводимости движутся свободные электроны. В p-области вместо дырок я представил себе движение электронов в валентной зоне от атома к атому.
Таким образом картина при прямом включении диода получилась такая.
Электроны движутся из области n в сторону области p, доходят до перехода
, где в большом количестве встречаются с вакантными местами в валентной зоне (дырками), "падают" в эту область и продолжают движение по области p уже от атома к атому в валентной зоне. В цепи течет ток.

Теперь обратное включение. Электроны (в валентной зоне) из p-области доходят под действием внешнего поля до перехода и тут должны остановиться. Но вот это и не понятно. То есть непонятно, почему они не рекомбинируют (не перескакивают в зону проводимости) и дальше в n-области не движутся к положительному полюсу.

Роль энергетического перехода в этой схеме вообще не понятно какая. Может быть переход из валентной зоны в зону проводимости (из дырок в свободные электроны) - это и есть тот самый энергетический барьер? Или это другое?

А кроме того осталось не совсем понятно, каким образом свободные носители движутся по "чужой" области. Т.е. в основном рекомбинируют и в противоположной области движутся в виде основного носителя этой области или электроны летят в зоне проводимости в p-области, а дырки - в валентной зоне в n-области?

Хотелось бы услышать популярное объяснение от знатоков.

[caxap]

Интуитивно понять работу полупроводниковых приборов легче всего с помощью энергетических диаграмм (они разобраны в любом учебнике, напр. Гамана, Зи или Росадо (названий не помню; должны гуглиться)). Я уже всё забыл, что нам в универе читали, но в общих чертах так: при контакте $p$- и $n$-полупроводника из-за градиента концентрации происходит диффузия электронов в $p$-область и дырок -- в $n$. В результате создаётся контактная разность потенциалов $\varphi_0$, эл. поле из $n$ в $p$ и соответствующий потенциальный барьер $\Phi_0=e\varphi_0$ ($e$ -- заряд электрона). Энергетическая диаграмма выглядит как "горка" высотой $\Phi_0$. Когда мы подаём прямое эл. смещение $U$, то барьер понижается $eU$, а когда обратное -- повышается. На энергетической диаграмме в первом случае горка становится меньшей высоты и электроны с дырками могут переходить через неё (строго: их энергия достаточна для преодоления пот. барьера); во втором -- наоборот, горка становится высокой и электроны с дырками на неё забраться не могут (строго: их энергия недостаточно для преодоления пот. барьера).

P. S. Кстати, на эн. диаграммах электроны сверху (в зоне проводимости) и "тяжёлые", то есть могут падать вниз. Дырки -- наоборот -- сидят внизу, в валентной зоне и "воздушные" -- стремятся улететь вверх. Если мы подадим большое положительное смещение, то горка со стороны электронов станет выше, чем со стороны дырок, поэтому, жаргонно говоря, электроны будут скатываться с горки, а дырки подниматься, как воздушные пузырьки в воде.

P. P. S. Работа любого другого п/п прибора с позиции энергетических диаграмм выглядит так же просто.

P. P. P. S. Я физическую микроэлектронику уже успел забыть, поэтому могу местами путаться. Посмотрите рекомендованные книжки.

[vkm]

@caxap
Да, я видел диаграммы и в учебнике и в сети! Там все понятно, но только до того момента, когда хочешь представить себе процесс наглядно в виде движения электронов. Вот тут и возникает проблема.

Вот там говорится, возрастает барьер при обратном включении. А я представляю себе, как в электрическом поле движется электрон и не могу себе представить, почему электрон вообще должен его преодолевать. Просто побежали в обратную сторону заряды(электроны) из p-области в n и все. Не могу я себе представить наглядно, откуда вырастает этот забор. Почему переход обеднен зарядами не могу представить. В литературе говорится, что ширина обедненного слоя увеличивается, а я не могу понять почему. Внешнее поле однонаправленно с полем "барьера", так значит меньшее число носителей сможет диффундировать, а значит и слой должен стать меньше. Опять все наоборот.

Я чувствую, что не понимаю, как эти диаграммы связаны с мысленной картинкой. Вот и прошу популярно объяснить на пальцах.

[caxap]

Соединили мы p- и n-проводник (пусть p слева, n справа). Слева много дырок и мало электронов, справа -- наоборот. Из-за разности концентрации дырки будут диффундировать вправо, электроны -- влево. (При столкновениях они рекомбинируют.) Но такое движение не может быть вечным. Ведь дырки и электроны ушли, а атомы в кристаллической решётке остались на месте. Получились ионы. Справа будет избыток плюса (электроны-минусы ушли), а слева -- избыток минуса (дырки-плюсы ушли). Появилось электрическое поле $\overrightarrow{E_0}$, направленное влево. Это поле будет препятствовать дальнейшей диффузии (ведь эл. поле действует силой на заряды) и она прекратится.

Теперь посмотрим на картину: на границе с одной стороны нескомпенсированные отрицательные ионы, с другой -- положительные. Суммарный заряд равен нулю. Это и есть обеднённый слой. Этот слой очень маленький и представляет из себя практически идеальный изолятор -- ведь носителей там нет.

Теперь подадим прямое электрическое смещение, направленное вправо. То есть оно будет направлено встречно $\overrightarrow{E_0}$ и будет компенсировать его. В результате толщина обеднённого слоя (изолятора) станет меньше, а значит сопротивление его станет меньше. Носители смогут легче проходить через него. Если мы подадим большое смещение, то оно полностью компенсирует $\overrightarrow{E_0}$ и носители смогут вообще легко переходить через границу (посмотрите на ВАХ диода).

Если же мы подадим обратное электрическое смещение, направленное влево, то оно будет направлено в ту же сторону, что и $\overrightarrow{E_0}$, поэтому толщина обеднённого слоя (изолятора) увеличится и сопротивление его тоже (см. ВАХ).

P. S. Задавайте лучше более конкретные вопросы, а то у меня пальцы уже устали...

-- 11 янв 2011, 23:51 --

caxap в сообщении #398448 писал(а):

не понимаю, как эти диаграммы связаны с мысленной картинкой.

Вы отвлекитесь от диода и просто вообразите такую ситуацию. Представьте маленькую батарейку, создающее поле $\overrightarrow{E_0}$, пускай, направленное влево. Из школьной физики вы должны знать, что это поле будет действовать на заряды: положительные оно будет тянуть влево, а отрицательные вправо. Теперь представьте электрон. Если он подходит к батарейке слева, то поле будет тянуть его вправо и перекинет её на правую сторону. То есть, на энергетической диаграмме это будет выглядеть как скатывание электрона с горки (которую создаёт поле батарейки). А если электрон подходит к батарейке справа, то поле будет тянуть его вправо, т. е. не будет давать перейти через границу. На диаграмме это выглядит как электрон, стоящий у подножья горки -- пока его не пенёшь (внешним электрическим полем, которое скомпенсирует $\overrightarrow{E_0}$), он на горку не залезет.

[vkm]

Я примерно понимаю, как образуется барьер в переходном слое и работу диода в режиме прямого включения и то, что вы написали про маленькую батарейку в общих чертах мне тоже понятно. И даже примерно догадываюсь почему ВАХ в положительной четверти идет не по прямой, а резко вверх. Очевидно потому, что нелинейно возрастает число электронов, способных перемахнуть через "барьер".

Но я не понимаю, почему при обратном включении ток основных зарядов прекращается через переход. Простое возрастание "горки" на графике мне не очень понятно. Ведь носители в этом случае не должны "перемахнуть" через горку из области n в область p, а (как я себе представляю этот процесс) должны потечь обратно из области p в область n.

Мы уже знаем, что при обратном включении неосновные носители проходят через переход прекрасно. Но почему электроны (в данном случае я преставляю движение электронов вместо движения дырок ) из валентной зоны области p не могут перетечь в зону проводимости области n? Ведь маленькая батарейка в этом случае только им поможет в этом.

Ну и опять почему толщина обедненного слоя увеличится? Вот представим себе носители, диффундирующие в область перехода. Ведь чем больше обратное напряжение внешнего поля, тем меньше носителей рекомбинирует, тем меньше образуется ионов решетки, тем тоньше слой. Разве не так?

[Munin]

Вы рассуждаете с точки зрения, что произойдёт с отдельным электроном, а надо иметь в виду, что их там статистическое количество, этих электронов, и они сами по себе влияют на те условия, в которых находятся.

vkm в сообщении #398492 писал(а):

Но почему электроны (в данном случае я преставляю движение электронов вместо движения дырок ) из валентной зоны области p не могут перетечь в зону проводимости области n?

Потому что их там просто нет! В области p живут дырки.

[vkm]

Munin в сообщении #398521 писал(а):

Потому что их там просто нет! В области p живут дырки.

Но разве дырки не просто виртуальный объект, призванный просто заменить собой отсутствие электрона? Ведь положительно заряженные ионы акцепторной примеси не движутся в электрическом поле по решетке! Движутся-то все равно электроны!

-- Ср янв 12, 2011 02:10:51 --
поправка
ионы акцепторной примеси конечно не положительно заряженные. Положительно заряжены соседние атомы решетки, потерявшие электроны.
Они и обозначаются "дырками".

[Munin]

vkm в сообщении #398534 писал(а):

Но разве дырки не просто виртуальный объект, призванный просто заменить собой отсутствие электрона?

Лучше вам считать её реальным объектом. Дело в том, что электрон проводимости в полупроводнике - не менее "виртуальный объект", очень сложно и косвенно относящийся к тому электрону, который в вакуумной трубке летает.

vkm в сообщении #398534 писал(а):

Положительно заряжены соседние атомы решетки, потерявшие электроны.Они и обозначаются "дырками".

Нет. Дырками вообще не обозначаются ни атомы, ни отсуствие электронов в атомах. Дырками обозначается отсутствие электрона в энергетической зоне, заполненной "морем" электронов под завязку. Именно из сложной квантовой физики этой зоны и получается, что дырки ведут себя как пузырьки под крышкой бутылки с водой - то есть как полноценные частицы, только отрицательного (по отношению к электрону) заряда.

-- 12.01.2011 02:01:13 --

В p-области нет свободных электронов, электронов проводимости, а именно они рассматриваются при рассуждениях о том, как работает полупроводниковый прибор. Физические-то электроны там, конечно, есть, но вот двигаться и образовывать ток проводимости они не могут - жёстко сидят каждый на своём месте.

[vkm]

@Munin
Хорошо, я не силен в квантовой механике, пусть дырка это именно отсутствие электрона в энергетической зоне. Но можете вы просто объяснить, почему электроны "падают" в дырки при прямом подключении внешнего поля, но обратный процесс не существует при обратном подключении?

[caxap]

vkm
Вы должны понимать следующее:
1. Дырки -- это не просто отсутствие электрона в наивном смысле. И в области p есть электроны вокруг атомов -- но они не участвуют в проводимости. Они находятся в валентной зоне (и называются валентными электронами). Электрон становится носителем только в зоне проводимости, дырка же наоборот -- является носителем в валентной зоне. Поэтому, хотя в p зоне, конечно же, имеются электроны и их очень много -- но они не являются носителями, а носители там только положительно заряженные дырки.
2. При контакте p и n полупроводника образуется контактная разность потенциалов и электрическое поле, которое представляет собой потенциальный барьер (электроны чёрные):



На картинке электроны и дырки не могут пройти через барьер -- поле создаёт силу, тянущую их назад. Подавая внешнее поле, мы можем изменять это поле. Если подадим большое внешнее поле, то $\overrightarrow E_0$ скомпенсируется и результирующая стрелочка будет в другую сторону: теперь она будет толкать дырки вправо, а электроны влево. Когда мы подаём поле, сонаправленное с $\overrightarrow E_0$, мы ещё больше поднимаем барьер, отнимая от носителей всякие шансы пройти через границу.

(Если у вас возник вопрос: почему электроны не могут просто перейти из валентной зоны в зону проводимости)

Отвечаю сразу: в полупроводниках эти зоны разделены запрещённой зоной. Эта зона является барьером (типа забор) и не даёт переходить электронами через неё.

В металлах такой зоны нет, поэтому-то они обладают такой высокой проводимостью: валентному электрону ничего не стоит перейти в зону проводимости и стать носителем. Кстати, по той же причине, электропроводность п/п увеличивается с ростом температуры, а не уменьшается, как у "нормальных" металлов. Ведь у электронов появляется дополнительная энергия и некоторым электронам её хватает для преодоления запрещённой зоны.

[Munin]

vkm в сообщении #398702 писал(а):

Но можете вы просто объяснить, почему электроны "падают" в дырки при прямом подключении внешнего поля, но обратный процесс не существует при обратном подключении?

При прямом подключении электроны тащит туда, где есть дырки, а дырки тащит туда, где есть электроны. Они сближаются и могут рекомбинировать. А при обратном подключении электроны тащит в обратную сторону, туда где дырок нет, подальше оттуда, где дырки есть. И дырки точно так же - прочь от электронов. Поэтому они не встречаются в одном месте и не рекомбинируют.

[vkm]

Суммируя то, что сказал сахар и Munin, могу ли я сделать такой вывод:

1. при прямом подключении электроны рекомбинируют в переходном слое с дырками ,тем самым создавая ток (условно говоря справа налево).
2. при обратном подключении обратного процесса выпрыгивания электронов из зоны валентности в зону проводимости (слева направо) не происходит потому, что ...?
потому, что внешнее поле слишком слабое, что бы вытащить электрон из валентной связи в зону проводимости?
это и есть барьер?

[Munin]

Да, если приложенное обратное поле слишком сильное, электроны начинают "вытаскиваться" - происходит туннельный пробой диода. Для стабилитронов это вообще рабочий режим, то есть они на него рассчитаны.

[vkm]

@Munin
Спасибо! Так мне понятнее. Тогда еще такой вопрос, если можно.
В некоторых видео роликах при прямом включении диода ток основных носителей обозначается, как движение точек разного цвета по диоду. Скажем слева направо белые точки - дырки, справа налево черные точки - электроны.

Так вот, в некоторых роликах ток изображается, как одновременное встречное движение белых и черных точек по всему объему диода, примерно как движение анионов и катионов в растворе, к которому подали напряжение. У меня всегда возникало сомнение, что картинка верно отражает процесс.
Ведь мы знаем, что дырки находятся в p-области (слева), а электроны в n-области (справа). А ток по идее создается путем рекомбинации электронов и дырок в переходном слое. Это значит, что белые черные точки должны бы двигаться навстречу друг другу, встречаться в переходном слое, там рекомбинировать, но не попадать в противоположную область и не двигаться по ней. То есть белые точки доходят до перехода, встречаются там с черными и как бы исчезают на границе.
... наверное можно в переходном слое нарисовать выделение фотонов для светодиода
Правильно я понял?

[arseniiv]

vkm в сообщении #398753 писал(а):

То есть белые точки доходят до перехода, встречаются там с черными и как бы исчезают на границе.

(Хотя тут уже об этом сказано.) Не забудьте, что рекомбинация может наступить не сразу после входа в зону, где данный носитель неосновной. Так что в ужасно низкой концентрации дырки могут долетать до контакта металла и n-полупроводника (ну и электроны пролететь весь p-полупроводник). А там им уж точно конец. Но в основном, конечно, рекомбинация в pn-переходе.