Физика полупроводниковых приборов [РТФ, Смирнов, 4 семестр] / 1_Электронно-дырочный переход
.pdf
ФИЗИКА ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРИБОРОВ
Тема 1. Электронно-дырочный переход
Смирнов В.И.
кафедра ПиТЭС, УлГТУ
Лекции |
16 |
Лабораторные |
16 |
практические (семинарские) |
16 |
Литература
Основная:
1. Пасынков В.В., Чиркин Л. К.; Полупроводниковые приборы: учебное пособие для вузов. - 9-e изд.. - Санкт-Петербург: Лань, 2009. - 479 с.
2.Гуртов В. А. Твердотельная электроника: учебное пособие для вузов - Москва: Техносфера, 2008. - 511 с.
Дополнительная:
3. Лебедев А. И.. Физика полупроводниковых приборов: учебное пособие для вузов. - М.: Физматлит, 2008. - 487 с.
4.Зи С.М. Физика полупроводниковых приборов: В 2 кн. – М.:
Мир, 1984.
5.Тугов Н.М., Чарыков Н. А. Полупроводниковые приборы: учебник для вузов. – М.: Энергоатомиздат, 1990. – 576 с
6.Шур М.С. Физика полупроводниковых приборов. В 2 кн. – М.:
Мир, 1992
1.1 |
Контактные явления в полупроводниках |
|
Способы формирования электронно-дырочных переходов
Электронно-дырочный переход (р-n-переход) — это переходный слой между двумя областями полупроводника с разной электропроводностью, в области которого существует внутреннее электрическое поле.
Методы формирования p-n-перехода:
-диффузии;
-с помощью ионной имплантации;
-с помощью эпитаксиального наращивания. Исторически первым методом был сплавной метод.
1.2 |
Способы формирования p-n переходов |
|
|
Формирование p-n-перехода диффузионным методом
Формирование p-n-перехода методом ионной имплантации
Формирование p-n-перехода методом эпитаксии
1.3 |
Электрические процессы в p-n-переходе при U |
= 0 |
|
|
внеш |
|
P-n-переход в равновесном состоянии: |
|
|
а) распределение концентрации |
|
NdиNaпримесных атомов;
б) распределение концентрации
основных(nnиpp) и неосновных (pnи np)носителей заряда;
в) распределение плотности заряда ρ ионов примеси;
г) распределение напряженности внутреннего электрического поля;
д) зонная диаграмма p-n-перехода
|
|
|
|
|
ni – концентрация |
к |
k T |
ln |
Na Nd |
|
|
|
собственных |
||||
q |
2 |
|
|||
|
|
ni |
|
носителей заряда |
|
|
|
|
|
1.4 |
Электрические процессы в p-n-переходе при U |
= 0 |
|
|
внеш |
Величина потенциального барьера φк зависит от концентрации примеси, типа полупроводника (∆Eg ) и температуры.
Толщина p-n-перехода (толщина области пространственного заряда ОПЗ определяется выражением:
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
1 |
|
|
|
|
δ δ |
|
δ |
|
|
2εεo |
|
|
|
|
|
||||
n |
p |
q |
|
Nd |
|
|
к |
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
Na |
|
|
|
|||
ε – диэлектрическая проницаемость полупроводника,
εo – диэлектрическая постоянная.
Если p-n-переход является несимметричным, например, Nd >> Na, то:
|
|
|
|
|
|
|
В случае несимметричного p-n-перехода, |
|
|
|
|
|
|
|
|
||
δ δn δp |
2εεo |
|
1 |
к |
δp |
|||
он в основном сосредоточен в слабо |
||||||||
|
|
|||||||
|
|
q |
Na |
|
легированной области полупроводника. |
|||
|
|
|
|
|
|
|
||
Важной особенностью p-n-перехода является то, что ОПЗ обеднена свободными носителями заряда, т. е. является высокоомной. Поэтому, если к полупроводниковому прибору, содержащему p-n-переход, прикладывается внешнее напряжение, то все оно в основном падает на p-n-переходе.
1.5 |
Выпрямляющие свойства p-n-перехода. |
|
ВАХ идеального p-n-перехода (формула Шокли) |
При отсутствии внешнего напряжения диффузионный jдиф и дрейфовый jдр токи компенсирую друг друга, поэтому суммарный ток равен 0.
При Uвнеш > 0 (прямое напряжение) jдиф возрастает (~ экспоненциально), а jдр остается примерно постоянным. Общий ток увеличивается.
При Uвнеш < 0 (обратное напряжение) jдиф уменьшается до нуля, а jдр остается примерно постоянным. Общий ток примерно постоянный.
Данная особенность определяет выпрямляющие свойства p-n-перехода.
1.6ВАХ идеального p-n-перехода (формула Шокли)
а) |
б) |
в) |
Зонные диаграммы p-n-перехода: а) при U = 0; б) при U > 0; в) при U < 0
ВАХ идеального р-n-перехода (формула Шокли):
|
qU |
|
где js – плотность тока насыщения, определяемая |
||||||
j js exp |
|
|
1 , |
выражением: |
|
|
|
||
|
|
|
|
||||||
|
kT |
|
|
qLnnp |
|
qLppn |
|
||
|
|
|
|
|
j |
|
, |
||
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
s |
τn |
|
τp |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
где τnи τp – времена жизни электронов и дырок.
1.7ВАХ идеального p-n-перехода (формула Шокли)
При прямом напряжении и условии qU >> kT плотность тока jпр зависит от напряжения U экспоненциально.
При обратном напряжении и условии |qU |>> kT плотность тока jпр примерно
График ВАХ p-n-перехода постоянна и jобр ≈ js.
а) |
б) |
Прямые ветви ВАХр-n-перехода: а)для полупроводников с различной ∆Eg; б) при различной температуре полупроводника
1.8 |
ВАХ реального р-n-перехода |
При выводе формулы для ВАХ p-n-перехода Шокли использовал несколько допущений, а именно:
-переход является тонким, поэтому носители заряда (электроны и дырки) проходят ОПЗ без рекомбинации друг с другом, при этом процессами генерации электронно-дырочных пар в ОПЗ можно также пренебречь;
-все внешнее напряжение, приложенное к полупроводнику, в котором сформирован переход, падает на ОПЗ, а падением напряжения на остальной части полупроводника можно пренебречь.
а) |
б) |
Возникновение дополнительных составляющих тока через p-n-переход: а) генерационная составляющая jген; б) рекомбинационная составляющая jрек