Вопрос 1

Как влияет температура на проводимость полупроводникового кристалла?

Решение:

Полупроводник — материал, который по своей удельной проводимости занимает промежуточное место между проводниками и диэлектриками и отличается от проводников сильной зависимостью удельной проводимости от концентрации примесей, температуры и воздействия различных видов излучения. Основным свойством полупроводника является увеличение электрической проводимости с ростом температуры.

Проводимость полупроводников сильно зависит от температуры. Вблизи температуры абсолютного нуля полупроводники имеют свойства диэлектриков.

Атом полупроводника состоит из положительно заряженного ядра и окружающих его электронов, но все они очень прочно связаны с ядром. Поэтому при достаточно низких температурах в полупроводнике вообще отсутствуют свободные электроны, а следовательно, и электропроводность. Однако если учесть тепловое движение атомов и молекул, то в момент их столкновения в полупроводнике и даже в изоляторе могут появиться свободные электроны. Этим объясняется частичная электропроводность полупроводников и изоляторов. С повышением температуры в них возрастает концентрация электронов проводимости и поэтому сопротивление уменьшается. Для увеличения, электропроводности полупроводника следует сообщить электронам энергию, необходимую для отрыва их от атома или молекул.

Завсисмость проводимости от температуры имеет вид:

Рисунок 12.

Для примесного полупроводника данная зависимость выражается формулой:

,

где γ – удельная электрическая проводимость, См/м;

ΔW – ширина запрещенной зоны собственного полупроводника, эВ;

ΔW₁ – энергия ионизации примесей;

Т – абсолютная температура, К;

k – постоянная Больцмана;

γ₁ и γ₂ – множители, не зависящие от температуры, они равны проводимости γ при Т = ∞, т. е. когда все валентные электроны перешли в зону проводимости.

В области низких температур проводимость возникает только за счет примесей. Однако при дальнейшем нагревании происходит истощение примесей, и рост проводимости прекращается. И лишь при высоких температурах начинается дальнейший рост проводимости вследствие перехода электронов основного полупроводника через запрещенную зону.

Вопрос 2

Какие бывают виды пробоя p-n-перехода? В каком приборе явление пробоя используется как полезное?

Решение:

Под пробоем p-n-перехода понимают значительное уменьшение обратного сопротивления, сопровождающееся возрастанием обратного тока при увеличении приложенного напряжения. Различают три вида пробоя: туннельный, лавинный и тепловой.

В основе туннельного пробоя лежит туннельный эффект, т. е. «просачивание» электронов сквозь потенциальный барьер, высота которого больше, чем энергия носителей заряда. Иными словами, туннельный пробой наступает тогда, когда напряженность электрического поля возрастает настолько, что становится возможным туннельный переход электронов из валентной зоны полупроводника с электропроводностью одного типа в зону проводимости полупроводника с электропроводностью другого типа.

Туннельный пробой чаще всего возникает у полупроводниковых приборов, имеющих узкий переход и малое значение удельного сопротивления, причем напряженность электрического поля должна быть достаточно высокой (более 10⁵ В/см). При такой напряженности энергетические зоны искривляются настолько, что энергия электронов валентной зоны полупроводника р-типа становится такой же, как и энергия свободных электронов зоны проводимости полупроводника n-типа. В результате перехода электронов «по горизонтали» из области в область возникает туннельный ток. Начало туннельного пробоя оценивается по десятикратному превышению туннельного тока над обратным. При увеличении температуры напряжение, при котором возникает туннельный пробой, уменьшается.

Лавинный пробой вызывается ударной ионизацией, которая происходит тогда, когда напряженность электрического поля, вызванная обратным напряжением, достаточно велика. Неосновные носители заряда, движущиеся через p-n-переход, ускоряются настолько, что при соударении с атомами в зоне p-n-перехода ионизируют их. В результате появляется пара электрон - дырка. Вновь появившиеся носители заряда ускоряются электрическим полем и в свою очередь могут вызвать ионизацию следующего атома и т. д. Если процесс ударной ионизации идет лавинообразно, то по тому же закону увеличиваются количество носителей заряда и обратный ток. При лавинной ионизации ток в цепи ограничен только внешним сопротивлением.

Тепловой пробой возникает в результате разогрева -перехода, когда количество теплоты, выделяемой током в p-n-переходе, больше количества теплоты, отводимой от него. При разогреве p-n-перехода происходит интенсивная генерация электронно-дырочных пар и увеличение обратного тока через p-n-переход. Это, в свою очередь, приводит к дальнейшему увеличению температуры и обратного тока. В итоге ток через p-n--переход лавинообразно увеличивается и наступает тепловой пробой.

Рисунок 13

На рисуноке 13 показаны все три вида пробоя: кривая 1 – лавинный пробой, 2 – туннельный пробой, 3 – тепловой пробой.

Следует заметить, что один вид пробоя может наступать как следствие другого вида пробоя.

Полупроводниковый стабилитрон, или диод Зенера — полупроводниковый диод, работающий при обратном смещении в режиме пробоя. До наступления пробоя через стабилитрон протекают незначительные токи утечки, а его сопротивление весьма высоко. При наступлении пробоя ток через стабилитрон резко возрастает, а его дифференциальное сопротивление падает до величины, составляющей для различных приборов от долей Ома до сотен Ом. Поэтому в режиме пробоя напряжение на стабилитроне поддерживается с заданной точностью в широком диапазоне обратных токов.

Стабилитроны проектируются и изготавливаются таким образом, что либо туннельный, либо лавинный пробой, либо оба эти явления вместе возникают задолго до того, как в кристалле диода возникнут предпосылки к тепловому пробою