1. Собственная и примесная проводимость, типы электрических переходов в полупроводниках.

Собственная проводимость

В полупроводниках атомы связаны ковалентными (парноэлектронными) связями, которые при низких температурах и освещенности прочны. С ростом же температуры и освещенности эти связи могут разрушаться, образуя свободный электрон и "дырку". Реальными частицами являются лишь электроны (e). Электронная проводимость обусловлена движением свободных электронов. Дырочная проводимость вызвана движением связанных электронов, которые переходят от одного атома к другому, поочерёдно замещая друг друга, что эквивалентно движению “дырок” в противоположном направлении. “Дырке” условно приписывается “+” заряд.В чистых полупроводниках концентрация свободных электронов и “дырок” одинаковы. Электронно-дырочная проводимость – проводимость, вызванная образованием свободных носителей заряда (электронов и “дырок”), образующихся при разрыве ковалентных связей, называется собственной проводимостью.

Примесная проводимость – проводимость, обусловленная образованием свободных носителей заряда при внесении примесей иной валентности (n) Донорная примесь n_{примеси} > n_{полупроводник} Мышьяк в германий n_прим. =5; n_{п/прово-к}=4 

Каждый атом примеси вносит свободный электрон

Полупроводники n – типа с донорной примесью Основные носители заряда электроны Не основные носители о – “дырки” Проводимость электронная Акцепторная примесь n_{примеси} < n _{полупроводник}

Индий в германий n_прим. =3; n_{п/прово-к}=4 Каждый атом примеси захватывает  электрон из основного полупроводника, создавая дополнительную дырку.

В основе работы большинства полупроводниковых приборов и активных элементов интегральных микросхем лежит использование электрических переходов, общим свойством которых является наличие потенциального барьера на границе между полупроводниками. Полупроводники могут отличаться по типу проводимости (p или n), или иметь различные физические характеристики, например:

Электрический переход – переходный слой в полупроводниковом материале между двумя областями с различными типами электропроводности или разными значениями удельной электрической проводимости (одна из областей может быть металлом).

В зависимости от функционального назначения, уровня требуемых электрических параметров в диодах используются следующие типы выпрямляющих и омических электрических переходов.

Выпрямляющий переход – электрический переход, электрическое сопротивление которого при одном направлении тока больше, чем при другом.

Омический переход – электрический переход, электрическое сопротивление которого не зависит от направления тока в заданном диапазоне значений токов.

Электронно-дырочный переход (p-n-переход) – электрический переход между двумя областями полупроводника, одна из которых имеет электропроводность n-типа, а другая p-типа.

Гетерогенный переход (гетеропереход) – электрический переход, образованный в результате контакта полупроводников с различной шириной запрещенной зоны.

Гомогенный переход (гомопереход) – электрический переход, образованный в результате контакта полупроводников с одинаковой шириной запрещенной зоны.

Переход Шотки – электрический переход, образованный в результате контакта между металлом и полупроводником.

Электронно-электронный переход (n-n⁺-переход) – электрический переход между двумя областями полупроводника n-типа, обладающими различными значениями удельной электрической проводимости.

Дырочно-дырочный переход (p-p⁺-переход) – электрический переход между двумя областями полупроводника p-типа, обладающими различными значениями удельной электрической проводимости. Знак «+» условно обозначает область с более высокой удельной электрической проводимостью

2. P-n переход параметры, вольт – амперная характеристика р-п перехода, ее температурная зависимость.

Вольт-амперная характеристика p-n‑перехода

Вольт-амперная характеристика p-n-перехода представляет собой зависимость тока через p-n-переход от величины и полярности приложенного напряжения.

При выводе вольт-амперной характеристики можно предположить, что токи неосновных носителей заряда через переход с изменением полярности и величины приложенного напряжения не изменяются. Токи основных носителей меняются существенно и при приложении обратного напряжения резко уменьшаются.

Токи основных носителей можно рассматривать как токи эмиссии зарядов через контактный слой, скачок потенциальной энергии на котором равен работе выхода электрона. При этом предположении токи основных носителей с увеличением обратного напряжения будут уменьшаться по экспоненциальному закону.

Плотность тока основных носителей можно записать так:

; . (2.48)

Если прикладывать прямое напряжение, высота барьера уменьшается и токи основных носителей будут экспоненциально возрастать. Плотность полного тока через переход будет равна

,

где .

Полный ток можно записать , где – площадь p-n-перехода.

Тогда , (2.49)

где — обратный ток, называемый тепловым током, или током насыщения: . (2.50)

П о своей физической природе он представляет собой ток экстракции, следовательно, величина его очень мала. Вольт-амперная характеристика, соответствующая этому выражению, показана на рис. 2.10.

При величина , поэтому при относительно небольшом прямом напряжении ток через переход резко возрастает. При подаче обратного напряжения ток, изменив направление, быстро достигает значения , а далее остается постоянным независимо от величины приложенного напряжения.

Реальная характеристика p-n-перехода отличается от теоретической (рис. 2.11). Эти различия обусловлены термогенерацией носителей в запирающем слое перехода, падением напряжения на сопротивлениях областей полупроводника, а также явлением пробоя при обратном напряжении.

Температурные свойства p-n-перехода

Уравнение (1.1) содержит температурно-зависимые параметры  I₀ и  _t.

I₀  тепловой ток, или ток насыщения. Для идеального перехода I₀ определяет величину обратного тока, а в реальных переходах I₀ намного меньше обратного тока. Ток I_о сильно зависит от температуры (рис. 1.1): даже незначительные изменения температуры приводят к изменению I_о на несколько порядков.

Максимально допустимое увеличение обратного тока диода определяет максимально допустимую температуру для него, которая составляет 80100 ^оС для германиевых диодов и 150200 ^оС для кремниевых.

Минимально допустимая температура для диодов обычно лежит в пределах от 60 до 70^оС.

У германиевых переходов ток I₀ на шесть порядков больше, чем у кремниевых, поэтому при одинаковых условиях у них прямые напряжения на 0,35 В меньше и в зависимости от режима составляют 0,250,15 В (напряжение отпирания у германиевых переходов при повышении температуры вырождается почти в "0").

На рис. 1.1 прямая ветвь характеристики, снятая при 70 ^оС, сместилась влево: с повышением температуры вступает в силу собственная проводимость полупроводника, число носителей увеличивается, так как усиливается процесс термогенерации. Обратная же ветвь ВАХ (рис. 1.1) смещается вправо, то есть с повышением температуры до +70 ^оС электрический пробой в переходе наступает раньше, чем при температуре +20 ^оС. При увеличении обратного напряжения к тепловому току добавляется ток термогенерации. В сумме эти два тока образуют через обратносмещенный переход обратный ток I_обр. При изменении температуры новое значение обратного тока можно оп- ределить из соотношения

(2.9)

где I_обр.20 ^о_С  значение обратного тока при температуре не выше 27 ^оС (берется из справочной литературы);

А  коэффициент материала, из которого выполнен полупроводниковый прибор (А_{германия} = 2, А_{кремния} = 2,5);

 _t  температурный потенциал, который при комнатной температуре равен 0,025 В, а при другой температуре  _t можно определить по формуле

(2.10)

Таким образом, при увеличении температуры обратный ток насыщения увеличивается примерно в два раза у германиевых и в два с половиной раза у кремниевых диодов (1.5).

P-n переход параметры

Сопротивление p-n перехода

Выпрямительные свойства p-n перехода можна охарактеризовать сопротивлением в прямом и обратном смещениях. Различают сопротивление на переменном токе(по закону Ома для участка цепи) и сопротивление переменному току, или деффиринциальное сопротивление:

В нормальном рабочем режиме сопротивление постоянному току в прямом смещении составляет единицы - десятки ом, а в обратном смещении - сотни килоом, единицы мегаом.

В прямом направлении дифферинциальное сопротивление всегда меньше сопротивления на постоянном токе r_пр< R_пр, а в обратном - r_обр>R_обр

Сопротивление реального p-n перехода отилчается от сопротивления идеализированого перехода. В примом направлении сопротивление увеличивается за счет сопротивления высоомной области базы. В обратном направлении при достаточно высоких напряжениях начинают появлятся явления пробоя вследствие чего сопротивление сначала немного замедляет возростание а потом резко уменьшается.

Зависимость сопротивления p-n перехода на постоянном (R) и переменном токе (r) от напряжения: ---- идеализорованый переход, - - - реальный