9.3
Principy PN přechodu
Nejčastěji jsou v polovodičové technice využívány jevy vznikající polarizací PN přechodu. Mechanismem způsobujícím jeho vlastnosti (usměrňující účinek, tvar VA charakteristiky a jiné) je difúze.
Díry difundují z materiálu P, kde je jich nadbytek, do materiálu N, kde je jich nedostatek. Naopak elektrony difundují z polovodiče N do polovodiče P. Oblast N se nabije kladně, oblast P se nabije záporně; v okolí PN přechodu vznikne OPN (oblast prostorového náboje).
Pokud PN přechod polarizujeme prostřednictvím vhodných přívodů tak, že na N připojíme kladný pól zdroje a na P záporný pól zdroje, dojde k rozšíření OPN a tím ke snížení vodivosti PN přechodu, jímž nyní procházejí pouze minoritní nosiče, a PN přechod je polarizován závěrně.
+
Zdroj: Autor Tomáš Stejskal, Závěrně polarizovaný PN přechod, licence Creative Commons BY-SA 4.0.
Obr. 24. Závěrně polarizovaný PN přechod
Při opačné polarizaci dojde ke ztenčení OPN (při překročení difúzního napětí OPN zcela zmizí) a přechod začne propouštět majoritní nosiče, vést proud, a je polarizován propustně.
+
Zdroj: Autor Tomáš Stejskal, Propustně polarizovaný PN přechod, licence Creative Commons BY-SA 4.0.
Obr. 25. Propustně polarizovaný PN přechod
Při závěrné polarizaci se OPN chová jako nevodivý materiál. Toho využijeme v kapacitních diodách (varikap), kdy závěrným napětím měníme rozměry OPN a tím také kapacitu (s rostoucím U klesá C).
Při zvětšování závěrného napětí vznikne v OPN Zenerův jev (elektrony jsou z valenčního pásu vytrhovány elektrickým polem do vodivostního pásu), takže na diodě nemůže být U >> Uzáv. Pokud je dioda správně dimenzována, není tento průraz destruktivní. Jde o stabilizační Zenerovu diodu.
Dalším jevem s podobným vlivem je tzv. lavinová nárazová ionizace, která začne tím, že jeden elektron vytržený z atomu a urychlený elektrickým polem narazí do jiného atomu krystalové mříže a vyrazí z něho dalších několik elektronů, jejichž koncentrace potom vzrůstá. Při vhodném dimenzování není destruktivní a využívá se u stabilizačních diod určených pro vyšší napětí.
Výše uvedené jevy omezují provoz diody druhotně prostřednictvím tepla, které při průchodu proudu vzniká. Proud minoritních nosičů procházejících v závěrném směru narůstá v závislosti na napětí, rostoucí napětí i proud způsobuje velký ztrátový tepelný výkon vyzařovaný diodou. Při poddimenzovaném chlazení dojde ke vzrůstu teploty a tím ke vzniku většího množství párů nosičů. Jde tedy o kladnou zpětnou vazbu; pokud není včas odstraněno elektrické pole, jev končí vypařením PN přechodu. Nejvyšší závěrné napětí součástky tak závisí na okolní teplotě a způsobu chlazení (pasivní nebo aktivní – to ovlivňuje, jak velké množství tepla jsme schopni odvést).
Nadměrný ohřev může vzniknout při přetížení v propustném i závěrném směru, v katalogu jsou dány maximální hodnoty proudu v propustném směru a závěrného napětí.
Usměrnění PN přechodem souvisí také s tzv. difúzní délkou minoritních nosičů. U PN přechodu majoritní nosiče rekombinují hned u přechodu. V případě přechodu P+N (s vyšší koncentrací příměsí v polovodiči P) díry v oblasti N postupují do větší vzdálenosti (v blízkosti přechodu není dostatek elektronů k rekombinaci). Jejich koncentrace exponenciálně klesá se vzdáleností x od přechodu:
;
kde Ld je difúzní délka, kterou lze vyjádřit vzorcem:
;
kde Dd je součinitel difuze děr v oblasti N a tžd je doba života děr.
Pro elektrony platí analogické vztahy:
;
kde Le je difúzní délka, kterou lze vyjádřit vzorcem:
;
kde De je součinitel difúze elektronů v oblasti P a tže je doba života elektronů.
V případě aplikace PN přechodu v tranzistoru vznikne požadavek na úzkou bázi, protože požadujeme minimální rekombinaci nosičů injektovaných z emitoru do báze (šířka báze musí být výrazně menší než difúzní délka; doba života nosičů musí být krátká, protože by jinak snižovala mezní kmitočet, pro který by byl tranzistor použitelný) a potřebujeme, aby jejich převážná část přešla do kolektoru.
Podobně jako přechod PN může mít usměrňující vlastnosti také přechod kov-polovodič. Pokud má polovodič N větší výstupní práci než kov, přechází volné elektrony do kovu a tato oblast při styčné ploše se nabije proti polovodiči záporně (kontaktní napětí Uk, působí podobně jako difúzní napětí) a přechod usměrňuje. V případě polovodiče P a kovu s nižší výstupní prací platí totéž.