Лекція №3

ТЕМА: Напівпровідники, електронна структура, п-р перехід.

План

1. Поняття про напівпровідники.

2. Структура та властивості р-п-переходу.

3. Власна та домішкова провідність.

4. Напівпровідники п- та р- типу

Елементною базою сучасної електроніки є напівпровідникові прилади і напівпровідникові інтегральні мікросхеми. Всі вони виконуються на основі напівпровідників, тому важливо розуміти механізми їх провідності.

Напівпровідниками називають клас матеріалів, які за своєю електропровідністю (10²...10^-8 см/ м) займають проміжне місце між металами і діелектриками. Характерним для напівпровідників є збільшення електропровідності при зростанні температури. Ширина забороненої зони в напівпровідниках не перевищує 3 еВ.

Типовими напівпровідниками є кремній, германій і селен. До напівпровідників належать також деякі сполуки типу арсенід галію, карбіт кремнію, сульфід кадмію і інші.

Кремній і германій належать до четвертої групи елементів таблиці Менделєєва і мають кристалічну структуру. Атоми елементів розташовані у вузлах кристалічної решітки. Зв’язок між сусідніми атомами здійснюється двома усуспільненими електронами (по одному від кожного атома). Такий зв’язок називають двовалентним або ковалентним (рис.2.1,а).

а)

б)

в)

Рис.

1.Сктруктура напівпровідникового кремнію: а - чистого

б - з донорною домішкою, в - з акцепторною домішкою.

Під дією зовнішніх факторів (температури, опромінення і інших) деякі електрони одержують енергію, достатню для звільнення від ковалентного зв’язку, і можуть служити носіями струму. При переході електрона в зону провідності на його місці залишається нескомпенсований додатний заряд, який називають діркою. На вакантне місце дірки може перескочити валентний електрон з іншого атома, тоді дірка виникає в ньому. Це еквівалентно переміщенню додатного заряду з величиною, рівною заряду електрона. Процес утворення пари електрон-дірка називають генерацією носіїв, а зворотний - рекомбінацією. Енергія, яка вивільняється при рекомбінації електрона і дірки, може випромінюватись у вигляді -квантів або передаватися коливанням гратки.

Провідність чистих (бездомішкових) напівпровідників називається власною. Вона складається з електронної провідності (провідності n-типу), зумовленої впорядкованим рухом вільних електронів, і діркової провідності (провідності р-типу), яка зв’язана з направленим переміщенням дірок. В основі направленого переміщення дірок під дією зовнішнього електричного поля лежать “перескоки” електронів від атома до атома проти напрямку поля. Цей рух відбувається з меншою швидкістю, ніж рух вільних електронів, тому рухомість дірок менша.

Концентрація дірок і електронів у чистому напівпровіднику однакова. Добитись переважаючої провідності р- чи n-типу можна шляхом легування чистого напівпровідника, тобто введенням домішок атомів з іншою валентністю. Провідність легованих напівпровідників називають домішковою. Напівпровідники з переважаючою електронною провідністю називаються напівпровідниками n-типу. Електронна провідність зумовлюється домішками елементів п’ятої групи таблиці Менделєєва, які називають донорними. Механізм виникнення провідності n-типу пояснюється тим, що при заміщенні атома кремнію у вузлі решітки на п’ятиелементний атом домішки, наприклад, атом миш’яку , чотири валентні електрони домішки вступають в ковалентні зв’язки, а п’ятий надлишковий залишається вільним (рис.2.1,б). Якщо на місце атома напівпровідника помістити атом елемента з третьої групи, наприклад, атом індію , то три його валентні електрони вступлять у ковалентний зв’язок, а в одному місці залишиться дірка (рис.2.1,в). Домішки, які спричиняють провідність р-типу, називають акцепторними, а напівпровідники з таким типом домішок - напівпровідниками р-типу.

У більшості напівпровідникових приладів використовуються властивості електронно-діркового переходу. Електронно-дірковим переходом називають вузьку (декілька мікронів) область, збіднену вільними носіями, яка виникає на межі областей з різним типом провідності. Виникнення р-n переходу зумовлено градієнтом концентрації носіїв в приграничних областях (рис.2.2,а). В результаті дифузії електрони з n-області переходять в р-область, що призводить появу нескомпенсованих додатних зарядів атомів донорної домішки в n-області та від’ємних зарядів у р-області. Аналогічно, перехід дірок з р-області в n-область викликає появу від’ємних зарядів атомів акцепторної домішки в р-області і додатних зарядів в n-області. Таким чином, на границі областей n- і р-типу виникають два шари об’ємних нерухомих зарядів - подвійний запірний шар. Електричне поле, яке створюють заряди запірного шару, протидіє подальшому руху носіїв через перехід. При цьому встановлюється динамічна рівновага: частина носіїв покидає перехід, а їх місце займає така ж кількість інших носіїв.

а) б)

Рис. 2.Структура p-n-переходу (а) та розподіл

електричного поля і потенціалу (б).

Розподіл електричного поля і потенціальна діаграма p-n-переходу приведені на рис.2.1, б. Перепад потенціалів, рівний контактній різниці потенціалів, називають потенціальним бар’єром, так як він перешкоджує руху основних носіїв. Разом з тим поле переходу є прискорюючим для неосновних носіїв: дірок з n-області і електронів з р-області. Концентрації неосновних носіїв невеликі.

Електронно-дірковий перехід отримують в пластинках кристалічного напівпровідника методом вплавлення відповідних домішок або їх дифузії при високих температурах.

Властивості p-n переходу залежать від величини і знаку зовнішнього прикладеного поля. Розрізняють пряме і обернене ввімкнення переходу. При прямому ввімкненні (прямому зміщенні) переходу позитивний полюс джерела живлення під’єднують до р-області, а негативний - до n-області напівпровідника (рис.2.3, а) У цьому стані зовнішнє поле направлено проти внутрішнього поля переходу, тому потенціальний бар’єр знижується і основні носії отримують можливість вільно рухатись через перехід, створюючи прямий струм. Зі збільшенням прямої напруги прямий струм швидко зростає, так як концентрація основних носіїв велика і може перевершити максимально допустиме значення. У відкритому стані спад напруги на p-n переході невеликий і складає 0.6...0.8 V.

а) б)

Рис.3. Пряме (а) і зворотне (б) ввімкнення переходу.

При оберненому включенні (оберненому зміщенні) p-n-переходу поле, створене джерелом живлення, співпадає з полем переходу (рис.2.3, б). Потенціальний бар’єр між р- і n-областями зростає. Під дією зовнішнього поля основні носії відтягуються від приконтактних шарів і ширина p-n-переходу збільшується. При оберненій напрузі зміщення перехід закривається і рух основних носіїв практично припиняється, при цьому перехід залишається відкритим для неосновних носіїв. Рухаючись через перехід, неосновні носії створюють невеликий зворотний струм. Відзначимо також, що рух неосновних носіїв через перехід приводить до зниження потенціального бар’єру. При зростанні зворотної напруги зворотний струм швидко досягає насичення і майже не змінюється. Коли зворотна напруга досягає критичного значення, розпочинаються процеси іонізації, що призводить до різкого зростання зворотного струму - наступає електричний пробій. Електричний пробій може перейти у тепловий (незворотний), при якому перехід руйнується.

Властивості p-n переходу при прикладенні зовнішньої напруги визначаються його вольт амперною характеристикою (рис.4.)

З вольт амперної характеристики видно, що p-n перехід має вентильні властивості, тобто пропускає електричний струм лише в одному напрямку. Крім цього, у закритому стані p-n- перехід володіє електричною ємністю. Його можна розглядати як своєрідний плоский конденсатор, де діелектриком є область закритого p-n-переходу. В сильно легованих напівпровідниках в області p-n-переходу виникає квантово-механічний тунельний ефект, який полягає у тому, що електрони можуть проходити потенціальний бар’єр без втрати енергії. При цьому на прямій вітці вольт амперної характеристики спостерігається ділянка з від’ємним диференціальним опором.

Рис.4. Вольт амперна характеристика p-n переходу.

Властивості електронно-діркового переходу використовуються в напівпровідникових діодах. Напівпровідниковий діод - це напівпровідниковий прилад з одним p-n-переходом і двома зовнішніми виводами. Серед напівпровідникових діодів найбільш поширені випрямні діоди, призначені для роботи у випрямлячах змінного струму.

p-n перехід - область контакту напівпровідників p- та n-типу, яка характеризується одностороннім пропусканням електричного струму.

Напівпровідник p-типу - напівпровідник, в якому основиними носіями заряду є дірки.

Напівпровідники p-типу отримують легуванням власних напівпровідників акцепторами.

Концентрація дірок у валентній зоні визначається температурою, концентрацією акцепторів, положенням акцепторного рівня над верхом валентної зони, ефективною густиною рівнів у валентній зоні.

Легування – збільшення кількості вільних носіїв заряду для збільшення провідносі (зменшення питомого опору для напівпровідника).

Власний напівпровідник - напівпровідник з дуже малою концентрацією домішок.

Акцептор електрона (акцептор електронів, електронний акцептор, акцептор) — хімічна сполука, група або атом, яка приймає електрон від іншої сполуки, групи, атому або кристалу.

Носії заряду - загальний термін для позначення часток чи квазічасток, які дають вклад у електричний струм.

Носіями заряду можуть бути електрони, дірки, катіони, аніони тощо, в залежності від середовища, в якому проходить струм.

напівпровідники - електрони й дірки;

метали й вакуумні прилади - електрони;

електроліти й суперіоніки - йони;

плазма - електрони та йони.

Важливими характеристиками носіїв заряду є рухливість і коефіцієнт дифузії.

Електрон (англ. electron, нім. Elektron, рос. электрон) - стабільна, негативно заряджена елементарна частинка, що входить до складу всіх атомів. Має електричний заряд (е= — 1,6021892(46)×10-19 Кл) і масу (маса спокою дорівнює 9,109554(906)×10−31 кг).

Ді́рка — квазічастинка у напівпровіднику, яка за своєю природою відповідає відсутності електрона у валентній зоні.

Позначається зазвичай латинською літерою h

Дірка має додатний заряд, який за величиною дорівнює заряду електрона. Спін дірки визначається спіном електронів у валентній зоні.

У напівпровідниках p-типу дірки є основним носієм заряду.

Дірки зазвичай характеризуються ефективною масою. Для низки напівпровідників валентна зона вироджена в центрі зони Брілюена, хоча при більших квазі-імпульсах це виродження зникає. Тому існує кілька валентних зон і кілька типів дірок, які відрізняються ефективоною масою. Ці дірки називають, відповідно, легкими дірками й важкими дірками.

Напівпроводник n-типу - напівпровідник, в якому основні носії заряду - електрони провідності.

Для того, щоб отримати напівпровідник n-типу, власний напівпровідник легують донорами. Здебільшого це атоми, які мають на валентній оболонці на один електрон більше, ніж атоми напівпровідника, який легується. При не надто низьких температурах електрони зі значною ймовірністю переходять із донорних рівнів у зону провідності, де їхні стани делокалізовані й вони можуть вносити вклад у електричний струм.

Кількість електронів у зоні провідності залежить від концентрації донорів, енергії донорних рівнів, ширини забороненої зони напівпровідника, температури, ефективної густини рівнів у зоні провідності.

Здебільшого легування проводиться до рівня 1013 - 1019 донорів на см3. При високій концентрації донорів напівпровідник стає виродженим.

Електро́н прові́дності — від'ємно заряджена квазічастинка напівпровіднику, електронний стан у зоні провідності.

Застосування

На властивостях p-n переходів ґрунтується робота численних напівпровідникових приладів: діодів, транзисторів, сонячних елементів, світлодіодів тощо.

Питання для самоконтролю:

1. Який механізм винекнення p-n - переходу ?

2. Які властивості p-n - переходу ?

3. Яке призначення і структура випрямлячів ?

4. Що таке власна провідність?

5. Що таке домішкова провідність? 6. Що таке напівпровідник п- та р типу?

Лекція №4

ТЕМА: Напівпровідникові прилади., принцип дії, основні характеристики,

План:

1. Напівпровідникові діоди

1.1. р-п перехід.

1.2. .технологія виготовлення.

1.3. область застосування

2. Види напівпровідникових діодів..

2.1.випрямні діоди

2.2.універсальні і імпульсні діоди.

2.3.лавинні діоди

Н а сьогоднішній день для випрямлення електричного струму в радіосхемах поряд із двухелектродними лампами все більше застосовують напівпровідникові діоди, тому що вони володіють рядом переваг.

В електронній лампі носії заряду електрони виникають за рахунок нагрівання катода. У p-n переході носії заряду утворюються при введенні в кристал акцепторної чи донорної домішки. Таким чином, тут відпадає необхідність джерела енергії для одержання носіїв заряду. У складних схемах економія енергії, виходить за рахунок цього, виявляється дуже значною. Крім того, напівпровідникові випрямувачі при тих же значеннях випрямленого струму більш мініатюрні, чим лампові.

Напівпровідникові діоди виготовляють з германія, кремнію, селену та інших речовин.

Розглянемо як створюється p-n перехід при використанні донорного домішку, цей перехід не вдається одержати шляхом механічного з’єднання двох напівпровідників різних типів, тому що при цьому виходить занадто великий зазор між напівпровідниками. Ця товщина повинна бути не більше межатомних відстаней. По цьому в одну з поверхонь зразка вплавляють індій. Унаслідок дифузії атомів індію в глиб монокристала германія в поверхні германія утворюється область і провідність р-типу. Інша частина зразка германію, у якій атоми індія не проникнули, як і раніше має провідність n-типу. Між областями виникає p-n перехід. В напівпровідниковому діоді германій служить катодом, а індій - анодом. На малюнку 1 показане пряме (б) і зворотне (в) під’єднання діода.

Вольт-Амперна характеристика при прямому і зворотному з'єднанні показана на малюнку 2.

Замінили лампи, дуже широко використовуються в техніки, в основному для випрямувачів, також діоди знайшли застосування в різних приладах.

Технологія виготовлення діода така. На поверхні квадратної пластинки площею 2-4 см2 і товщиною в невелику частку міліметра, вирізаної з кристалу напівпровідника з електронною провідністю, розплавляють шматочок індію. Індій міцно сплавляється з пластинкою. При цьому атоми індію проникають (дифузують) у товщу пластинки, утворюють в ній область з перевагою дирочної провідності. Виходить напівпровідниковий прилад із двома областями різного типу провідності, а між ними p-n-перехід. Чим тонша пластинка напівпровідника, тим менший опір діода в прямому напрямку, тим більше виправлений діодом струм. Контактами діода служать крапелька індію і металевий диск чи стрижень з вивідними провідниками

Після зборки транзистора його монтують у корпус, приєднують до електричного виводу до контактних пластин кристала і виводу корпуса і герметизують корпус.

Область застосування

Діоди мають велику надійність, але границя їх застосування від –70 до 125 С . Оскільки у крапкового діода площа зіткнення дуже мала, тому струми, що можуть випрямляти такі діоди не більше 10-15 ма. І їх використовують в основному для модуляції коливань високої частоти і для вимірювальних приладів. Для будь-якого діода існують деякі гранично припустимі межі прямий і зворотний токи, що залежать від прямої і зворотної напруги й визначаючи його випрямувальні і міцності властивості.

Види напівпровідникових діодів

Класифікація сучасних напівпровідникових діодів по їхньому призначенню, фізичним властивостям, основним електричним параметрам, конструктивно-технологічним ознакам, вихідному напівпровідниковому матеріалу знаходить відображення в системі умовних позначок їхніх типів і типономіналів.

В міру виникнення нових видів і класифікаційних груп приладів розвивалася й удосконалювалася система їхніх умовних позначок, що з 1964 р. тричі перетерплювала зміни.

В даний час в експлуатації знаходиться велике число діодів, що мають різні позначення і маркірування, хоча їхнє функціональне позначення однакове. Необхідно відзначити, що із самого початку розробок і виробництва діодів склалися дві системи їхніх умовних позначок, що з визначеними змінами діють і в даний час. Одна система поширюється на діоди малої потужності, застосовувана (в основному) у різних ланцюгах радіоелектронної апаратури, інша - на силові діоди, середній струм яких перевищує 10 А, використовувані в перетворювачах електроенергії.