P–n перехід та його електричні властивості. Pn перехід принцип роботи

Вірус герпесу на губах дає знати про себе заздалегідь свербінням та печінням. І якщо вчасно не надати “ швидку допомогу” – з'являються бульбашки, які, лопаючись, утворюють скоринку. Єдиний спосібзамаскувати видимі бульбашки – використання декоративної косметики.

Чи безпечне застосування декоративної косметики?

Якщо на губі виявлені симптоми герпесу, від косметичних засобів краще відмовитись та спробувати зупинити розвиток хвороби лікувальним засобом. Необхідність замаскувати застуду - вимушена міра, і застосовувати її варто в самих крайніх випадках. Адже з нанесенням маскувального засобу можна спровокувати його поширення. Часто не виходить запобігти розповсюдженню бульбашок, тоді основні сили кидаємо на їхнє підсушування і ховаємо за допомогою декоративної косметики – намагаємося максимально замаскувати.

Маскуємо на початковій стадії

Як тільки відчуєте печіння на губі і бачите, що вона починає припухати - постарайтеся зупинити розвиток ранньому етапі. Для цього потрібна лікувальна мазь. Якщо немає спеціальної мазі проти герпесу, можна скористатися протизапальною (Левомеколь). Вони призупинять розвиток процесу, знімуть запалення. Мазь наноситься з інтервалом 3-4 години.

Якщо пухир таки вискочив, його можна припекти за допомогою зеленки, перекису водню. Утворюється скоринка, яку в жодному разі не можна здирати. Вона має відпасти самостійно.

Як замаскувати застуду макіяжем?

Висипання зупинити не вдалося, а на роботу йти треба. Як приховати герпес та не нашкодити? Спробуємо замаскувати проблему. Відразу звернемо увагу, що декоративну косметику можна використовувати лише для висипання на губах.Якщо вони мають продовження на шкірі, краще звернутись до дерматолога, тому що знадобляться спеціальні дерматологічні засоби. А для правильного маскування потрібно запам'ятати кілька правил:

• Не варто використовувати звичайний тональний крем, він може скачатись і ранка стане ще помітнішою.
• Використовуйте не крем, а маскувальні олівці для проблемної шкіри. Часто вони бувають двосторонні: перша має антибактеріальними властивостями, Друга відмінно маскує.
• При нанесенні косметики використовуйте одноразові засоби або застосовуйте пензлі, які можна помити. Герпес - захворювання вірусне, якщо не убезпечитися, він не дасть вам спокою.

Приступаємо: перед нанесенням декоративної косметики потрібно обробити вогнище спеціальною (запальною) маззю, дати час їй увібратися. Зверху поверхню необхідно замаскувати тональним кремом для проблемної шкіри, спочатку зеленою стороною, потім тільною стороною.

Уважно підберіть правильний відтінок, інакше проблемне місце сильно відрізнятиметься від кольору шкіри і впадатиме в очі. Цілком ймовірно, що нанести тональну основу доведеться на все обличчя, щоб не було видно відмінностей у кольорі.

Від контурного олівця для губ краще на час застуди відмовитись. Підкресливши контур, ви наголосите на нерівності, що обов'язково приверне увагу оточуючих.

Завдати останніх штрихів допоможе губна помада. Важливо використовувати світлі відтінки. Яскраві, виразні кольори наголошують на висипанні. Відмовтеся від перламутрових відтінків та блисків.Найкраще підходить матова губна помада. Вона рівно ляже на поверхню і візуально зменшить об'єм припухлості.

Електронно-дірковий перехід (скорочено n-р-перехід) виникає в напівпровідниковому кристалі, що має одночасно області з n-типу (містить донорні домішки) і р-типу (з акцепторними домішками) проводами на кордоні між цими областями.

Припустимо, у нас є кристал, в якому праворуч знаходиться область напівпровідника з дірковою, а зліва - з електронною провідністю(Рис. 1). Завдяки теплового рухупри утворенні контакту електрони з напівпровідника n-типу дифундувати в область р-типу. При цьому в області n-типу залишиться некомпенсований позитивний іондонора.

Перейшовши в ділянку дірочної провідністю, електрон дуже швидко рекомбінує з діркою, при цьому в ділянці р-типу утворюється нескомпенсований іон акцептора.

Аналогічно електронам дірки з області р-типу дифундують в електронну область, залишаючи в дірочній ділянці некомпенсований негативно заряджений іон акцептора. Перейшовши до електронної області, дірка рекомбінує з електроном. В результаті цього в електронної областіутворюється некомпенсований позитивний іон донора.

Дифузія основних носіїв через перехід створює електричний струм Iосн, спрямований з р-області n-область.

В результаті дифузії на кордоні між цими областями утворюється подвійний електричний шар різноіменно заряджених іонів, товщина lякого не перевищує часток мікрометра.

Між шарами іонів виникає електричне поле із напруженістю \(~\vec E_i\). Це поле перешкоджає подальшій дифузії основних носіїв: електронів з n-області та дірок з р-області.

Слід зазначити, що у n-області поруч із електронами є неосновні носії - дірки, а р-області - електрони. У напівпровіднику безперервно відбуваються процеси народження та рекомбінації пар. Інтенсивність цього процесу залежить лише від температури та однакова у всьому обсязі напівпровідника. Припустимо, що в n-області виникла пара "електрон-дірка". Дірка хаотично переміщатиметься по η області до тих пір, поки не рекомбінує з будь-яким електроном. Однак якщо пара виникає досить близько до переходу, то перш, ніж відбудеться рекомбінація, дірка може виявитися в ділянці, де існує електричне поле, і під його дією вона перейде в р-область, тобто. електричне поле переходу сприяє переходу неосновних носіїв у сусідню область. Відповідно, створюваний ними струм Iнеосн малий. оскільки неосновних носіїв мало.

Таким чином, виникнення електричного поля\(~\vec E_i\) призводить до появи неосновного струму Iнеосн. Накопичення зарядів біля переходу за рахунок дифузії та збільшення \(~\vec E_i\) триватимуть доти, доки струм Iнеосн не врівноважує струм Iосн ( Iнеосн = Iосн) та результуючий струм через електронно-дірковий перехідстане рівним нулю.

Якщо до n-р-переходу додати різницю потенціалів, то зовнішнє електричне поле \(~\vec E_(ist)\) складається з полем \(~\vec E_i\) . Результуюче поле, що існує в області переходу, \(~\vec E = \vec E_(ist) + \vec E_i\). Струми Iосн і Iнеосн зовсім по-різному поводяться по відношенню до зміни поля в переході, Iнеосн зі зміною поля дуже слабко змінюється, оскільки він обумовлений кількістю неосновних носіїв, а він своєю чергою залежить лише від температури.

Iосн (дифузія основних носіїв) дуже чутливий до поля напруженістю \(~\vec E\). Iосн швидко збільшується з її зменшенням і швидко падає зі збільшенням.

Нехай клема джерела струму з'єднана з n-областю. а "-" - з р-областю (зворотне включення (рис. 2, а)). Сумарне поле у ​​переході посилюється: E > E ist та основний струм зменшується. Якщо \(~\vec E\) досить велика, то Iосн<< Iнеосн і ток через перехід створюється неосновними носіями. Опір n-р-переходу велике, струм малий.

Якщо включити джерело так, щоб область n-типу виявилася підключена до області р-типу до (рис. 2, б), то зовнішнє поле буде направлено назустріч \(~\vec E_i\), і \(~\vec E = \vec E_i + \vec E_(ist) \Rightarrow E = E_i - E_(ist)< E_i\), т.е. поле в переходе ослабляется. Поток основных носителей через переход резко увеличивается, т.е. Iосн різко зростає.

Принцип дії напівпровідникових приладів пояснюється властивостями так званого електронно-діркового переходу (p-n – переходу) – зоною поділу областей напівпровідника з різними механізмами провідності.

Електронно-дірковий перехід - це область напівпровідника, в якій має місце просторова зміна типу провідності (від електронної n-області до дірковий p-області). Оскільки в р-області електронно-діркового переходу концентрація дірок набагато вища, ніж у n-області, дірки з n-області прагнуть дифундувати в електронну область. Електрони дифундують в р-область.

Для створення у вихідному напівпровіднику (зазвичай 4-валентному германію або кремнії) провідності n- або p-типу до нього додають атоми 5-валентної або 3-валентної домішок відповідно (фосфор, миш'як або алюміній, індій та ін.)

Атоми 5-валентної домішки (донори) легко віддають один електрон у зону провідності, створюючи надлишок електронів у напівпровіднику, які не зайняті в утворенні ковалентних зв'язків; провідник набуває провідності n-типу. Введення ж 3-валентної домішки (акцепторів) призводить до того, що остання, відбираючи по одному електрону від атомів напівпровідника для створення недостатнього ковалентного зв'язку, повідомляє йому провідність p-типу, так як дірки, що утворюються при цьому (вакантні енергетичні рівні у валентній зоні) поводяться в електричному чи магнітному полях як носії позитивних зарядів. Дірки у напівпровіднику р-типу та електрони у напівпровіднику n-типу називаються основними носіями на відміну від неосновних (електрони у напівпровіднику р-типу та дірки у напівпровіднику n-типу), які генеруються через теплові коливання атомів кристалічної решітки.

Якщо напівпровідники з різними типами провідності привести дотик (контакт створюється технологічним шляхом, але не механічним), то електрони в напівпровіднику n-типу отримують можливість зайняти вільні рівні у валентній зоні напівпровідника р-типу. Відбудеться рекомбінація електронів з дірками поблизу межі різнотипних напівпровідників.

Цей процес подібний до дифузії вільних електронів з напівпровідника n-типу в напівпровідник р-типу і дифузії дірок у протилежному напрямку. В результаті відходу основних носіїв заряду на межі різнотипних напівпровідників створюється збіднений рухомими носіями шар, в якому в n-області будуть знаходитися позитивні іони донорнихатомів; а в p-області - негативні іони акцепторнихатомів. Цей збіднений рухомими носіями шар довжиною долі мікрона і є електронно-дірковим переходом.

Потенційний бар'єрв p-n переході.

Якщо до напівпровідника прикласти електричну напругу, то залежно від полярності цієї напруги р-n-перехід виявляє різні властивості.

Властивості p-n переходу при прямому включенні.

Властивості p-n переходу при зворотному включенні.

Отже, з певною часткою наближення вважатимуться, що струм через р-n-переход протікає, якщо полярність напруги джерела живлення пряма, і, навпаки, струму немає, коли полярність зворотна.

Однак, крім залежності струму від зовнішньої енергії, наприклад, джерела живлення або фотонів світла, яка використовується в ряді напівпровідникових приладів, існує термогенерація. При цьому концентрація власних носіїв заряду різко зменшується, отже, і IОБР Таким чином, якщо перехід піддати впливу зовнішньої енергії, то з'являється пара вільних зарядів: електрон - дірка. Будь-який носій заряду, народжений в області об'ємного зарядуp–nпереходу, буде підхоплений електричним полем EВН і викинуто: електрон – вn-область, дірка - в p- Область. Виникає електричний струм, пропорційний ширині області об'ємного заряду. Це викликано тим, що чим більше EВН , Тим ширше область, де існує електричне поле, в якому відбувається народження та поділ носіїв зарядів. Як було сказано вище, швидкість генерації носіїв зарядів у напівпровіднику залежить від концентрації та енергетичного стану глибоких домішок, що існують у матеріалі.

З цієї причини вище гранична робоча температура напівпровідника. Для германію вона становить 80 º С, кремній: 150 º С, арсенід галію: 250 º С (D E= 1,4 еВ). За більшої температури кількість носіїв заряду зростає, опір кристала зменшується, і напівпровідник термічно руйнується.

Вольт-амперна характеристика p-n переходу.

Вольт-амперна характеристика (ВАХ) є графічною залежністю протікає через р-n перехідструму від прикладеної до нього зовнішньої напруги I=f(U) . Вольт-амперна характеристика р-n переходу при прямому та зворотному включенні наведена нижче.

Вона складається з прямий(0-А) та зворотній(0-В-С) гілок; на вертикальній осі відкладено значення прямого та зворотного струму а на осі абсцис - значення прямої та зворотної напруги .

Напруга від зовнішнього джерела, підведена до кристала з р-ппереходом, майже повністю зосереджується на збідненому носіями переході. Залежно від полярності можливі два варіанти включення постійної напруги. пряме та зворотне.

При прямомувключення (рис. справа - верх) зовнішнє електричне поле спрямоване назустріч внутрішньому і частково або порожнистістю послаблює його, знижує висоту потенційного бар'єру ( Rпр ). При зворотномувключенні (рис. праворуч - низ) електричне поле збігається у напрямку з полем р-ппереходу і призводить до зростання потенційного бар'єру ( Roбр ).

ВАХ p-n переходу описується аналітичною функцією:

де

U - додане до переходу зовнішнє напруження відповідного знака;

Iо = Iт - зворотний (тепловий) струм р-п переходу;

- температурний потенціал, де k- Постійна Больцмана, q- елементарний заряд (при T = 300К, 0,26 В).

При прямій напрузі ( U>0 ) - експоненційний член швидко зростає [ ], одиницею в дужках можна знехтувати та вважати . При зворотній напрузі ( U<0 ) експоненційний член прагне нулю, і струм через перехід практично дорівнює зворотному струму; Ip-n = -Io .

Вольт-амперна характеристика р-n-переходу показує, що вже при порівняно невеликих прямих напругах опір переходу падає, а прямий струм різко збільшується.

Пробій p-n переходу.

Пробоєм називають різке зміна режиму роботи переходу, що під зворотним напругою.

Характерною особливістю цієї зміни є різке зменшення диференціального опору переходу (Rдіф ). Відповідну ділянку вольт-амперної характеристики зображено на малюнку праворуч (зворотна гілка). Після початку пробою незначне збільшення зворотної напруги супроводжується різким збільшенням зворотного струму. У процесі пробою струм може збільшуватися при незмінному і навіть зменшується (за модулем) зворотному напрузі (в останньому випадку диференціальний опір Rдіф виявляється негативним).

Пробою буває лавинний, тунельний, тепловий.І тунельний і лавинний пробій прийнято називати електричним пробоєм.

P-n-перехід та його властивості

p-n-переході концентрація основних носіїв заряду в p- і n-областях можуть бути рівними або істотно різнитися. У першому випадку p-n-перехід називається симетричним, у другому – несиметричним. Найчастіше використовуються несиметричні переходи.

Нехай концентрація акцептної домішки в p-області більша, ніж концентрація донорної домішки в n-області (рис. 1.1 а). Відповідно і концентрація дірок (світлі кружки) в p-області буде більшою, ніж концентрація електронів (чорні кружки) в n-області.

За рахунок дифузії дірок з p-області та електронів з n-області вони прагнуть рівномірно розподілиться по всьому об'єму. Якби електрони та дірки були нейтральними, то дифузія зрештою призвела б до повного вирівнювання їхньої концентрації по всьому об'єму кристала. Однак, цього не відбувається. Дірки, переходячи з p-області в n-область, рекомбінують з частиною електронів, що належать донорної атомів домішки. В результаті залишилися без електронів позитивно заряджені іони донорної домішки утворюють прикордонний шар з позитивним зарядом. У той же час відхід цих дірок з p-області призводить до того, що атоми акцепторної домішки, що захопили сусідній електрон, утворюють некомпенсований негативний заряд іонів у прикордонній області. Аналогічно відбувається дифузійне переміщення електронів з n-області в p-область, що призводить до ефекту.

В результаті на кордоні, що розділяє n-область і p-область, утворюється вузький, в частки мікрона, прикордонний шар lодна сторона якого заряджена негативно (p-область), а інша - позитивно (n-область).

Різницю потенціалів, утворену прикордонними зарядами, називають контактною різницею потенціалів U(рис 1.1,а) або потенційним бар'єром, подолати який носії не в змозі. Дірки, що підійшли до кордону з боку p-області, відштовхуються назад позитивним зарядом, а електрони, що підійшли з n-області - негативним зарядом. Контактною різницею потенціалів U відповідає електричне поле напруженістю Е . Таким чином, утворюється p-n-перехід шириною l, Що являє собою шар напівпровідника зі зниженим вмістом носіїв - так званий збіднений шар, який має відносно високий електричний опір R .

Властивості p-n-структури змінюються, якщо до неї докласти зовнішню напругу U пр. Якщо зовнішня напруга протилежна за знаком контактної різниці потенціалів і напруженість зовнішнього поля Е пр протилежна Е (рис. 1.1,б), то дірки p-області, відштовхуючись від прикладеного позитивного потенціалу зовнішнього джерела, що наближаються до межі між областями, компенсують заряд частини негативних іонів і звужують ширину р-n-переходу з боку p-області. Аналогічно електрони n-області, відштовхуючись від негативного потенціалу зовнішнього джерела, компенсують заряд частини позитивних іонів і звужують ширину p-n-переходу з боку n-області. Потенційний бар'єр звужується, через нього починають проникати дірки з p-області та електрони з n-області і через p-n-перехід починає текти струм.

Зі збільшенням зовнішньої напруги струм зростає необмежено, оскільки створюється основними носіями, концентрація яких постійно заповнюється джерелом зовнішньої напруги.

Полярність зовнішньої напруги, що призводить до зниження потенційного бар'єру, називається прямою, що відкриває, а створений нею струм - прямим. При подачі такої напруги p-n-перехід відкритий і його опір R пр<

Якщо до p-n-структури докласти напруги зворотної полярності U обр (рис. 1.1,в), ефект буде протилежний. Електричне поле напруженістю Е обр збігається у напрямку з електричним полем Е р-n-переходу. Під дією електричного поля джерела дірки p-області зміщуються до негативного потенціалу зовнішньої напруги, а електрони n-області – до позитивного потенціалу. Таким чином основні носії заряду відсуваються зовнішнім полем від кордону, збільшуючи ширину p-n-переходу, який виявляється майже вільним від носіїв заряду. Електричний опір p-n-переходу у своїй зростає. Така полярність зовнішньої напруги називається зворотною, що замикає. При подачі такої напруги p-n-перехід закритий та його опір R обр >> R .

Проте при зворотному напрузі спостерігається перебіг невеликого струму I обр. Цей струм на відміну прямого визначається носіями не домішкової, а власної провідності, що утворюється внаслідок генерації пар " вільний електрон - дірка " під впливом температури. Ці носії позначені на рис. 1.1, єдиний електрон в p-області і єдиною діркою в n-області. Значення зворотного струму практично залежить від зовнішньої напруги. Це пояснюється тим, що в одиницю часу кількість пар "електрон - дірка", що генеруються, при незмінній температурі залишається постійним, і навіть при U обр в частки вольт всі носії беруть участь у створенні зворотного струму.

При подачі зворотної напруги p-n-перехід уподібнюється до конденсатора, пластинами якого є p- і n-області, розділені діелектриком. Роль діелектрика виконує прикордонна область майже вільна від носіїв заряду. Цю ємність p-n-переходу називають бар'єрної. Вона тим більша, чим менша ширина p-n-переходу і чим більша його площа.

Принцип роботи p-n-переходу характеризується його вольт-амперною характеристикою. На рис.1.2 показана повна вольт-амперна характеристика відкритого та закритого p-n-переходів.

Як видно, ця характеристика є суттєво нелінійною. На ділянці 1 Е пр< Е и прямой ток мал. На участке 2 Е пр >Е, замикаючий шар відсутній, струм визначається тільки опором напівпровідника. На ділянці 3 замикаючий шар перешкоджає руху основних носіїв, невеликий струм визначається рухом неосновних носіїв заряду. Злам вольт-амперної характеристики на початку координат обумовлений різними масштабами струму та напруги при прямому та зворотному напрямкахнапруги, що додається до p-n-переходу. І нарешті, на ділянці 4 при U обр = U проб відбувається пробій p-n-переходу і зворотний струм швидко зростає. Це з тим, що з русі через p-n-перехід під впливом електричного поля неосновні носії заряду набувають енергію, достатню для ударної іонізації атомів напівпровідника. У переході починається лавиноподібне розмноження носіїв заряду – електронів та дірок, – що призводить до різкого збільшеннязворотного струму через p-n-перехід при майже незмінному зворотному напрузі. Цей вид електричного пробою називається лавинним.Зазвичай він розвивається відносно широких p-n-переходах, які утворюються в слаболегованих напівпровідниках.

У сильнолегованих напівпровідниках ширина замикаючого шару менше, що перешкоджає виникненню лавинного пробою, так як носії, що рухаються, не набувають енергію, достатньої для ударної іонізації. У той же час може виникати електричний пробій p-n-переходу, коли при досягненні критичної напруги електричного поля в p-n-переході за рахунок енергії поля з'являються пари носіїв електрон - дірка, і суттєво виникає зворотний струм переходу.

Для електричного пробою характерна оборотність, яка полягає в тому, що первісні властивості p-n-переходу повністю відновлюються,якщо зменшити напругу на p-n-переході. Завдяки цьому електричному пробою використовують як робочий режим у напівпровідникових діодах.

Якщо температура p-n-переходу зростає в результаті його нагрівання зворотним струмом та недостатнього тепловідведення, то посилюється процес генерації пар носіїв заряду. Це, у свою чергу, призводить до подальшого збільшення струму (ділянка 5 рис. 1.2) та нагрівання p-n-переходу, що може спричинити руйнування переходу. Такий процес називається тепловим пробоєм.Тепловий пробій руйнує p-n-перехід.