Лекции / ЛЕКЦИЯ11_09

11 ВИДЫ ПРОВОДИМОСТИ, ПРИМЕСНЫЕ ПОЛУПРОВОДНИКИ,

ЭЛЕКТРОННО-ДЫРОЧНЫЙ ПЕРЕХОД. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИО-

ДЫ, ИХ ХАРАКТЕРИСТИКИ И ПАРАМЕТРЫ, ВИДЫ ПО ПРИМЕНЕНИЮ.

МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ р-n-ПЕРЕХОДА

(Сост. Никонов А.В.)

Особенности проводимости материалов иллюстрируютэнергетическими диаграммами – распределением по энергиям электронов атомов, рисунок 11.1.

Согласно квантовой механике, электроны атома могут обладать определен-

ными значениями энергий, т. е. находиться на определенных энергетических уровнях. Связь электронов с атомом ослабевает по мере удаления от него.

Рисунок 12.1 – Энергетическая диаграмма изолированного атома

При внешних воздействиях электроны атомов приобретают энергию ипере-

ходят на более высокие энергетические уровни или становятся свободными, ри-

сунок 11.2.

Рисунок 11.2 – Зоны уровней энергий

Наличие запрещенной зоны, ее ширина определяетКЛАССЫ КРИСТАЛ-

ЛИЧЕСКИХ ТЕЛ: проводники, диэлектрики, полупроводники.

МЕТАЛЛЫ: у них электрического поля достаточно для создания тока, так как зоны проводимости и валентные практически не разделимы.

Пример энергетической диаграммы ПОЛУПРОВОДНИКОВ представлен на

рисунке 11.3.

Рисунок 11.3 – Полупроводники

Способность преодоления ширины запрещённой зоны DWЗ зависит от тем-

пературы материала.

ДИЭЛЕКТРИКИ проводят лишь при высоких температурах(400–800 0С) и

сильных электрических полях (пробой).

11.1Электропроводность полупроводников

Полупроводники – материалы, занимающие промежуточное место по электропроводности между металлами (проводниками) и диэлектриками (изо-

ляторами).

При изготовлении электронных полупроводниковых приборов наиболее ши-

роко распространены материалы германий (Ge), кремний (Si ) и арсенид галлия

(GaAs).

У германия и кремния на внешней оболочке атома по четыре электрона, при-

чём DWзGe > DWзSi. Между атомами есть ковалентная связь, когда каждые два из че-

тырех валентных электронов принадлежат двум соседним атомам, все четыре электрона связаны с четырьмя соседними атомами, рисунок 11.4.

Рисунок 11.4 – Ковалентные связи и образование свободных носителей заряда

При внешних воздействиях валентный электрон увеличивает свою энергию

и освобождается от связи с атомом– становится свободным. Это переход из ва-

лентной зоны в зону проводимост.иТак образуются СВОБОДНЫЕ ЭЛЕКТРО-

С вводом примеси появились локальные валентные уровни.

Ширина зоны DWД очень мала (примерно 0,01–0,07 эВ). Концентрация элек-

тронов в зоне проводимости определяется коцентрацией донорной примеси, а

не собственными электронами валентной зоны.

Концентрация электронов много больше концентрации дырокn >> p

n n

(дырки образуются лишь за счет переходов электронов основного материала из валентной зоны в зону проводимости). Электроны – основные носители заряда,

дырки – не основные носители заряда (с концентрацией pn).

Механизм получения p-проводимости схож с указанным: примесь – трехва-

лентная добавка, называемая акцептором.

Произведение концентраций основных и не основных носителей при данной температуре постоянны. Зависимость концентрации носителей заряда от темпера-

туры ограничивает температурный диапазон применения полупроводников. Нижняя граница температурного диапазона полупроводников минус (50–60) 0С.

В примесных полупроводниках большее значение имеет процесс рекомбина-

ции: после какого-либо возмущающего воздействия, приведшего к появлению неравновесных (лишних) носителей заряда, идет уменьшение концентрации.

Спад концентрации неравновесных носителей характеризуется выражением:

где tn(p) – время жизни электронов (дырок) – это время, за которое концентрация

неравновесных носителей уменьшается в «e» раз;

Dp(q) – начальная концентрация.

Специальные добавки, создающие рекомбинации (ловушки), изменяют значение tn(p) – от примерно 1 мкс до примерно 1 нс и менее. Это ведет к увеличе-

нию быстродействия полупроводниковых приборов.

При отсутствии электрического поля, в кристалле электроны и дырки нахо-

дятся в хаотическом движении – равновесный ток в кристалле равен нулю.

Ток же в полупроводникахопределяется двумя факторами: электрическим

где q – заряд электрона, n – концентрация электронов, mnE – средняя скорость электронов, mn – подвижность электронов.

Для дырок:

Iдр p = qp(mpE) ,

где p – концентрация дырок, mpE – средняя скорость дырок, mp – подвижность дырок.

Обычно mn > mp (mn » 3800 см2/В×с; mp » 1800 см2/ В×с) .

ДИФФУЗИОННОЕ движение (ток) существует, когда есть различие в кон-

центрации электронов (дырок) в соседних областях полупроводника.

Плотность этого тока характеризует коэффициент диффузииD – число

носителей заряда, проходящих за одну секунду через площадь 1 см2:

где jT – тепловой потенциал.

1 ВНЕШНЕЕ НАПРЯЖЕНИЕ ПОДКЛЮЧЕНОк p-n структуре в ПРЯ-

МОМ направлении, рисунок 11.7.

Рисунок 11.7 – Прямосмещённый p-n-переход

Создается внешнее электрическое поле, направленное против внутреннего поля – и результирующее электрическое поле уменьшается по величине, то есть

уменьшилась и контактная разность потенциаловj0 – Ua (уменьшился объем-

ный заряд), сузилась ширина p-n перехода. При этом увеличилась диффузия основ-

ных зарядов через границу раздела.

Увеличение Ua приводит к увеличению прямого тока через переход. Вид пря-

мой вольт-амперной характеристики (ВАХ) показан на рисунке 11.8.

Ia

DIa

Рисунок 11.8 – Прямая ветвь ВАХ p-n-перехода

Удобным параметром, характеризующим прямую ветвь ВАХp-n-перехода, яв-

ляется дифференциальное сопротивление [1]:

Если в полупроводникенеодинаковые концентрации дырок в p-области и электронов в n-области, то p-слой осуществляет эмиссию дырок черезp-n-

переход и называется «ЭМИТТЕРОМ».

Другой слой, на котором лежит p-область называется «БАЗОЙ». Если кон-

центрация электронов много больше концентрации дырок, то названия будут наобо-

рот.

Дырки из p-области, пройдя переход, рекомбинируют с электронами, при-

шедшими из Ua. Избыток электронов, прошедших через переход, уходит к Ua.

2 ВНЕШНЕЕ НАПРЯЖЕНИЕ ПОДКЛЮЧЕНОк p-n СТРУКТУРЕ В ОБ-

РАТНОМ НАПРАВЛЕНИИ, рисунок 11.9.

Рисунок 11.9 – Обратносмещённый p-n-переход

Поля внешнего источника и внутреннее совпадают, контактная разность потенциалов возрастает (j0 + Ua), увеличивается объемный заряд и ширина перехода. То есть, затрудняется прохождение основных носителей через переход. А

процесс рекомбинации с обеих сторон перехода не основных носителей остает-

ся неизменным – этим обуславливается обратный ток.

Обратная ветвь ВАХ показана на рисунке 11.10.