Lektsii_Fizika_chast_III
.pdfeV |
|
|
J JS( e kT |
1). |
(13.2) |
|
|
|
|
|
d |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
p |
|
|
|
|
n |
|
|
|
||
|
|
|
|
|
d p |
|
d n |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
eVК eV |
|
|
E |
C |
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
EFp |
|
|
|
|
eV |
|
|
EFn |
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
EV |
|
|
|
|
|
|
|
Jns |
|
|
|
|
Jn |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Jps |
|
|
|
|
Jp |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Рис. 13.2 |
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
d |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
p |
n |
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
d p |
|
d n |
|
|
|
|
|
|
E |
Fp |
|
|
|
|
|
|
|
|
eVК eV |
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
EC |
||
|
|
|
|
|
|
|
eV |
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
EFn |
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Jns |
|
|
Jn |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Jp |
|
|
|
|
|
EV |
|
|
|
|
|
Jps |
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Рис. 13.3 |
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
120 |
|
|
|
|
|
|
Толщина слоя объемного заряда d, как и в случае диода Шоттки, зависит от внешнего приложенного напряжения V и возрастает с увеличением контактной разности потенциалов и уменьшением концентрации основных носителей заряда в полупроводниках:
d dn dp |
|
2 |
0 (Nd Na )(VK |
V ) |
|
. |
(13.3) |
|
eNd Na |
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
Знак ( ) в выражении (13.2) соответствует прямому включению p-n–перехода, в соотношении (13.3) – обратному.
Барьерную емкость p-n–перехода можно определить по формуле плоского конденсатора
C |
|
0S |
, |
(13.4) |
|
d |
|||||
|
|
|
где S – площадь перехода, а d – подставляется из выражения (13.3). Таким образом, емкость p-n–перехода нелинейно зависит от приложенного напряжения V (обычно прикладывают «обратные» напряжения), что используется для построения варакторов
– важных элементов параметрических усилителей, которые обладают малым шумом и применяются в очень чувствительных приемниках, например, для спутниковых линий связи, радиотелескопов и т.д. Вольт-фарадные характеристики используют и для определения VК. Зависимость сопротивления электроннодырочного перехода от V позволяет использовать p-n–переход также в качестве регулируемого сопротивления (варистора).
Ток JS в выражении для ВАХ p-n–перехода (13.2) является суммой токов неосновных носителей Jns и Jps:
JS Jns Jps. |
(13.5) |
Влияние основных параметров перехода на ток JS рассмотрим на практических занятиях, там же введем понятие диффузионной длины. Заметим только, что с увеличением температуры обратный ток JS сильно растет, и выпрямляющие свойства p-n– перехода постепенно пропадают.
Тем не менее, при обычных температурах диоды, изготовленные на основе p-n–переходов, являются прекрасными твердотельными выпрямителями, коэффициент выпрямления у ко-
121
торых достигает сотен тысяч. Импульсные и высокочастотные p-n–переходы имеют быстродействие приблизительно 10 9 с, рабочие частоты до 109 Гц. Вид ВАХ p-n–перехода зависит от концентрации носителей заряда, поэтому такие контакты ши-
роко используют для изготовления датчиков температуры, дав-
ления, света, ионизирующих излучений и других воздействий, влияющих на контактную разность потенциалов и ток JS диода.
Пробой p-n–перехода.
Кроме упомянутого выше теплового нарушения выпрямляющих свойств диода возможен и электрический пробой, вызванный появлением больших электрических токов при достаточно высоком обратном напряжении VП на p-n–переходе, рис. 13.4 В
тонких p-n–переходах это явление связано с полевым туннели- |
|||||
J |
|
рованием электронов сквозь пере- |
|||
|
ход. В толстых p-n–переходах при |
||||
|
|
||||
|
|
высоких |
обратных |
напряжениях |
|
VП |
|
возникает ударная ионизация, при- |
|||
|
водящая к лавинному возрастанию |
||||
|
|
||||
|
|
концентрации носителей заряда |
|||
|
|
(лавинный пробой см. раздел 11.3). |
|||
0 |
V |
Диоды, |
работающие |
в предпро- |
|
бойном режиме, используются для |
|||||
|
|
||||
|
|
стабилизации напряжения и полу- |
|||
Рис. 13.4 |
|
чили название стабилитронов. |
|||
|
|
|
|
13.2. Туннельный диод
Работа туннельных диодов основана на квантовом явлении просачивания электронов через тонкий потенциальный барьер p- n–перехода, изготовленного из вырожденных полупроводников.
Вырожденные полупроводники – это материалы, у которых уро-
вень Ферми попадает в зону проводимости (за счет сильного легирования донорами или акцепторами соответственно полупроводника n и p-типа проводимости). Принцип работы тун-
122
нельного диода иллюстрируется схемой, изображенной на рис. 13.5, которая показывает отдельные фрагменты формирования ВАХ.
123
EC p |
|
n |
EV |
|
|
EF |
1 |
2 |
|
J |
|
|
|
p |
n |
J |
|||
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|||||
|
|
EC |
|
|
|
|
|
|
|
0 |
V |
EV |
|
|
|
|
|
|
0 V |
2 |
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|||||
a) |
|
EF |
|
|
|
|
|
|
б) |
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
p n
EС
EV 2 EF
EC p n
EV
EF
p
EC
EV
EF
J |
|
p |
n |
J |
|
|
|
EС |
|
|
|
|
|
EV |
|
|
|
0 |
V |
EF2 |
|
0 |
V |
|
в) |
|
|
|
г) |
J |
|
p |
n |
J |
|
|
|
EC |
|
|
|
0 |
V |
EV |
|
0 |
V |
|
|
EF |
|
|
|
|
д) |
|
|
e) |
|
|
|
n |
J |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0 |
V |
|
ж)
Рис. 13.5
124
Отличительной особенностью ВАХ туннельных диодов является присутствие участка с отрицательной дифференциальной проводимостью, что можно использовать для генерации и усиления СВЧ - колебаний до частот около 100 ГГц (тонкие области p-n–перехода). Недостатком этих диодов является узкий интервал рабочих напряжений, обычно до 0.2 В.
13.3. Обращенный диод
По сути, обращенный диод является разновидностью тун-
нельного диода, в котором степень легирования полупроводни- |
||
J |
ков снижена настолько, чтобы при отсут- |
|
ствии внешнего напряжения потолок валент- |
||
|
||
|
ной зоны в полупроводнике p-типа совпал с |
|
|
дном зоны проводимости в полупроводнике |
|
|
n-типа (примерно как показано на рисунке |
|
|
13.5.д). В этом случае при небольших пря- |
|
|
мых смещениях туннелирование будет отсут- |
0V ствовать, поэтому обращенные диоды являются идеальными выпрямителями малых
Рис. 13.6 сигналов, рис.13.6.
13.4. Транзистор
Изобретение сотрудников фирмы «Bell Telephone Laboratories» Дж. Бардиным, В. Браттейном и В. Шоккли в 1948 г. полупроводникового аналога электронных усилительных ламп, транзистора, перевернуло мир электроники (Нобелевская премия 1956 г).
В курсе электроники Вы познакомитесь с большим разнообразием возможных конструкций транзистора, мы в качестве примера рассмотрим работу плоскостного n-p-n–транзистора,
рис. 13.7.
125
|
n |
|
p |
|
n |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Э |
|
Б |
|
К |
|
|
|
|
|
|
|
|
VВХ RВХ |
|
|
|
|
RВЫХ |
VВЫХ |
|
|
|
|
|
|
|
|
VЭ |
|
|
|
VК |
|
Рис. 13.7
Такой транзистор состоит из трех областей: левая n-область (эмиттер), p-область (база) и правая n-область (коллектор). При подаче на переход эмиттер – база прямого смещения происходит инжекция электронов (неосновных носителей) в p- область. Если база тонкая, то рекомбинацией электронов с дырками базы можно пренебречь, и почти все введенные электроны достигают контакта база – коллектор. Подхваченные сильным полем перехода база – коллектор, включенного в обратном направлении, электроны перетекают в коллекторную цепь тран-
зистора (JЭ JК).
Сделаем выходное сопротивление намного больше входного: RВЫХ RВХ. Такое подключение нагрузочного сопротивления осуществимо, так как сопротивление перехода база – коллектор намного больше сопротивления перехода эмиттер – база. В результате:
VВХ JЭRВХ, |
VВЫХ JКRВЫХ JЭRВЫХ, |
(13.6) |
|||
или |
|
|
|
|
|
|
VВЫХ |
|
RВЫХ |
, |
(13.7) |
|
|
|
|||
|
VВХ |
|
RВХ |
|
что соответствует усилению по напряжению, будет иметь место и усиление по мощности:
PВЫХ |
|
JКVВЫХ |
. |
(13.8) |
|
|
|||
PВХ |
|
JЭVВХ |
|
|
|
126 |
|
|
Дополнительная мощность, выделяющаяся в коллекторной цепи, потребляется от источника напряжения VК.
Усиление по току и по напряжению можно получить в схеме с общим эмиттером. Большое усиление по току получается в схеме с общим коллектором.
В качестве самостоятельной работы, с последующим рассмотрением на семинаре, ознакомьтесь с принципом работы полевых транзисторов, и приборов с зарядовой связью, а также возможностью использования транзистора, как логического элемента ЭВМ.
13.5. Неравновесные носители заряда в полупроводниках
Кроме равновесных носителей заряда, созданных путем теплового возбуждения, в полупроводниках и диэлектриках возможно образование носителей заряда и другими методами: фотовозбуждением, потоком заряженных частиц, введением через контакт и т. д. Образование таких избыточных носителей происходит с затратой энергии. Эта энергия берется от внешнего источника и непосредственно передается образующимся носителям, поэтому в момент создания избыточные носители могут не находиться в тепловом равновесии с решеткой кристалла. Такие носители заряда называются неравновесными. Неравновесные носители могут неравномерно распределяться по объему полупроводника.
Вследствие взаимодействия с фононами энергия неравновесных носителей уменьшается и в итоге выравнивается с энергией равновесных носителей. Это выравнивание происходит почти мгновенно (за время около 10 10 с), что значительно меньше времени жизни свободных носителей заряда в кристалле. В стационарном состоянии, как уже отмечалось, скорость генерации носителей G равна скорости их рекомбинации R (G R). Стационарному состоянию при возбуждении отвечает концентрация n и p, без него – n0 и p0 , тогда концентрация избыточных носителей
n n n0 |
и |
p p p0. |
(13.9) |
127
При слабом уровне возбуждения (например, для полупроводника n-типа)
pn0 n, |
p nn0. |
(13.10) |
При высоком уровне |
|
|
n, p nn0, pn0. |
(13.11) |
Поскольку положение уровня Ферми в полупроводниках зависит от концентрации электронов, а в условиях дополнительного возбуждения концентрация электронов отличается от равновесной, то положение уровня Ферми в неравновесных условиях отличается от его положения в равновесных условиях и определяется выражением
n NC e |
EC EFk |
, |
(13.12) |
|
kT |
||||
|
|
|
где EFk – энергия Ферми в неравновесных условиях, соответ-
ствующая квазиуровню Ферми.
Вопросы для повторения
1.Пользуясь зонной схемой, объясните, какие процессы протекают в области контакта полупроводников p- и n-типа.
2.Рассмотрите процессы, протекающие при прямом и обратном включении p-n–перехода.
3.От чего зависит толщина объемного слоя заряда в p-n– переходе?
4.Запишите выражение для вольт-амперной характеристики p- n–перехода.
5.Что называется варакторами и варисторами?
6.Какие причины могут вызвать электрический пробой p-n– перехода?
7.Изложите принципы работы туннельного и обращенного дио-
дов.
8.В каких целях применяются устройства, содержащие p-n– переходы?
9.Рассмотрите физические основы работы транзистора.
10.Дайте определение неравновесных носителей заряда в полупроводниках.
Литература: [1 – 5, 8 – 10]
128
Лекция № 14
14.1. Поглощение света в кристаллах
Интенсивность света, проходящего через вещество, постепенно уменьшается. Поглощение электромагнитного излучения твердым телом осуществляется различными путями, которые по способу передачи энергии, можно разделить на два типа: 1) энергия излучения расходуется на перевод электронов на более высокое энергетическое состояние; 2) энергия электромагнитного поля передается кристаллической решетке и превращается в тепло.
7 |
E |
EC
1
1 1
1 |
2 |
3 |
5 |
6 |
4
EV |
0 |
p |
а) |
б) |
|
Рис. 14.1 |
|
|
Возможные переходы электронов в кристаллах под действием света показаны на рис. 14.1.а. Переход 1 приводит к появлению электрона в зоне проводимости и дырки в валентной зоне, он возможен при энергии фотонов h C V и соответствует собственному (фундаментальному) поглощению. В момент возникновения созданные светом носители заряда могут не находиться в тепловом равновесии с кристаллической решеткой. Однако, вследствие взаимодействия с ней эти носители быстро (примерно за 10 10 с) передают решетке свою избыточную энергию (данный процесс называется термализацией), поэтому рас-
129