Кремнийлік p-n өткелі

Жартылайөткізгіш материалдардың қасиеттері қатты дене физикасы мен электроника жұмыстарында көрсетілген. Фотоэлементтерге зерттелу жағынан аса көп қызығушылық танытылады, бірақ оған Күн фотоэлементтеріне арнайы қызығушылық ғана танытылады, сондықтан оларға аз назар аударылады.

Кремний. Өзіндік өткізгіштік қасиеті бар техникалық таза кремний 10¹⁸м^-3 дәрежесінен жоғары емес массалық концентрациясымен p=2500 Ом*м меншікті кедергісі болады. Жартылайөткізгіштердің электрлік касиеті аймақтық теориямен (зонная теория) сипатталады, соған байланысты валенттік аймақпен өткізгіштік аймақ арасында энергетикалық кеңістік бар, бұл кеңістікті тыйым салынған аймақ (запрещенная зона) деп аталады. Егер атомдар ықпалын карастырмасақ, өзіндік өткізгіштігі бар таза материалдың өткізгіштік аймақтағы электрондар мен валенттілік аймақтағы кемтіктердегі заряд тасымалдаушылар тығыздығы формулаға пропорционал.Бұл тыйым салынған аймақтағы энергетикалық деңгейлердегі саңылаулар мен электрондың жоқтығына эквивалентті.

Жартылай өткізгіштерді қосу.

Егер өзіндік өткізгіштігі бар жартылайөткігіштерге белгіленген мөлшерде қоспалық(аралас) иондарды енгізсек, онда жартылайөткігіште аралас өткігіштік пайда болады. Кремний Д.И. Менделеевтің периодтық жүйесінің IV-ші топ элементі, оның валенттілігі төртке тең. Егер кристалдық торға төрт валентті кремний атомын валенттілігі төмен атоммен алмастырсақ(мысалы, үш валентті бормен), онда торда акцепторлы байланыс пайда болады. Валенттілік аймаққа жақын жерде тыйым салынған аймақта акцепторлық атомдардың энергетикалық деңгейі орналасады. Бос электрондардың болмауы оң зарядталған кемтіктердің пайда болуына алып келеді. Аралас акцепторлы атомды жартылайөткізгіштердегі кемтіктер негізгі тасымалдаушылар болып табылады және p-типті жартылайөткізгіштер деп аталады.

Егер керісінше, төрт валентті кремний атомы валенттілігі жоғары (мысалы бесінші топтағы фосфор) атоммен алмастырса, донорлы байланыс түзіледі. Аралас донорлы атомды жартылай өткізгіштердің негізгі тасымалдаушылары электрондар болып табылады, n-типті жартылайөткізгіштер деп аталады.

Екі жағдайдада жартылай өткізгіштерде қарама-қарсы белгісі бар заряд тасымалдаушылар бар, бірақ олардың концентрациясы негізгі заряд тасымалдаушылармен салыстырғанда көп аз. Олар қосалқы (қоспа) тасымалдаушылар (p-типті материал үшін электрон n-типті материал үшін кемтіктер) деп аталады.

Химиялық таза материалдармен салыстырғанда p және n-типті аралас өткізгіштерден жасалған материалдар жоғары электрөткізгіштікпен сипатталады. Меншікті кедергісіне байланысты р_е материалға сипаттама беруге болады. Кремнийлік фотоэлементтердің орташа меншікті кедергілері

(N_dаралас (қоспалық) иондар концентрациясы).

Ферми деңгейі. n-типті жартылай өткізгіштердің өткізгіштігі, өзіндік өткізгіштігі бар материалдармен салыстырғанда жоғары. Өйткені, донорларды иондау энергиясы тыйым салынған аймақ енінен аз, және термиялық қоздыру кезінде электрондар өткізу аймағынан оңай өтеді. Сол сияқты р-типті материалдардағы кемтіктер валенттілік аймағына оңай енеді. Бұл құбылысты түсіндіру үшін Ферми деңгейі деген ұғым енгізілген. Ферми деңгейі тыйым салынған аймақтағы шартты энергия деңгейін білдіреді, одан негізгі тасымалдаушылар қозады. Қозу ықтималдығы пропорционал, мұнда е – кемтік және электрон заряды валенттілік аймақпен немесе өткізу аймағымен Ферми деңгейінің арасындағы потенциалда айырымы. Электрондар жоғары қарай өткізгіштік аймаққа, ал кемтіктер төмен валенттілік аймаққа қарай қозады. Энергетикалық диаграммада потенциалдық энергия электрондар үшін жоғары қарай және кемтіктер үшін төмен қарай өседі.

Электронды – кемтікті өтпелер. Р-типініңкейбір аймақтарында донорлы қоспаның артық атомдары пайда болуы мүмкін, сондықтан олардың өткізгіштік қасиеті электрондармен анықталады, және керіснше. Өткізгіштік типінің электронды түрінен кемтіктік типіне ауысу кеңістігі электронды-кемтіктік өткел деп аталады.(p-n переход).Егер екі материалдың бөліктерін физикалық қоссақ онда өткел орындалмайды.

Оқшауланған материалда лезде өткел пайда болса, n-типті материалдағы артық донорлы электрондар р-типті акцепторларға өтеді, ал кемтіктер кері бағытта. Белгілі бір уақыттан кейін тепе-тендік орнатылады.

Өткелдің екі жағындағы орналасқан қарама-қарсы белгілі бар зарядтардың аккумуляциясы нәтижесінде электр өрісі пайда болады. Ол өріс бос электрондар мен кемтіктердің концентрация айырмашылығынан пайда болған диффузияны теңестіреді. Нәтижесінде Ферми деңгейі тұрақты потенциалда болады. Бұдан р-кеңістікте теріс зарядтар және n-кеңітікте оң зарядтар басым қозғалады.

Тыйым салынған аймақ барлық материалда бар, және өткізгіштік аймақпен валенттілік аймақ энергиялары арасында потенциалдың кенет көтерілуі болады. (7.4 сурет). V_в - потенциалдар айырымы, eV_в энергия шкаласының кенет өзгеруі; V_B(i=0) - нөлдік токтағы потенциалдың өсуі. V_B < E_g Қоспаның концентрациясы өскен сайын азаяды. Қатты қосылған кремнийлік p-n-өткізгіш үшін (қоспалық иондар концентрациясы 10²² м^-3) E_g=1.11 эВ және .Бұдан потенциалдар айырымы .

Заряд тасымалдағыштармен кедейленген аймақ. Ферми деңгейінің тұрақтылығымен ұсынылған р-n-өткелінің екі аймағындағы потенциалдық энергия балансы, р-типті аймақтың жалпы белгісі теріс және n-типті аймақтың жалпы белгісі оң болуына алып келеді. Жиынтық эффект (Суммарный эффект) дегеніміз заряд тасымалдаушылармен кедейленген аймақты қалдырып, яғни кемтіктер мен электрондардың өту шекарасынан өтуін айтамыз. Егер n және р кеңістіктердің электрондар мен кемтіктер тығыздығы сәйкес болса, онда np=С барлық материал үшін тұрақты. Мысалы,

1. р-кеністік

2. n-кеңістік

3. Потенциалдық барьер кеңістігі: n=р

Бұл мысалдардан көріп тұрғандай, кедейленген аймақтың заряд тасымалдаушыларының жалпы тығыздығы n және р кеністіктермен салыстырғанда 10⁵ азайған.

p-n-өткелдің ені ω

-вакуумның диелектірлік өткізгіштігі, -материалдың диелектірлік өткізгіштігі.

Кремний үшін донорлар концентрациясы және электрлік өріс кернеулігі Өткелдің фотоэлетрлік қасиеті қосалқа (қоспа) заряд тасымалдаушылардың потенциалдық барьер арқылы араласуы (диффундировать). Негізгі шарты мұнда L-қосалқы заряд тасымалдаушылардың өткен жолдарының ұзындығы. Бұл критерий р-n-өткелді күн элементтерінде оңай орындалады.

Ығысу. Электронды кемтікті өткелдер батареямен қосылған металдық байланыстармен қастылуы мүмкін. Материалдың көлемімен салыстырғанда кедергісі аз, түзелмейтін (невыпрямляющий) өткелдер болып табылатын байланыстар омдық (омический) деп аталады.

Тура ығысу кезінде төмендетілген потенциалдық барьер V_В арқылы токтың оң бағыты р-материалдан n-материалға өтеді. Кері ығысу кезінде потенциалдық барьер өседі. Осылай p-n-өткел түзетілетін диод түрінде жұмыс істейді, оның вольт-амперлік сипаттамасы төменде айтылады.