Лекция_1

Изменение внешнего напряжения на p-n -переходе приводит к изменению ширины обедненного слоя, и соответственно, накопленного в нем электрического заряда (это также обусловлено изменением концентрации инжектированных носителей заряда вблизи перехода). Исходя их этого, p-n - переход ведет себя подобно конденсатору, емкость которого определяется как отношение изменения накопленного в p-n - переходе заряда к обусловившему это изменение приложенного внешнего напряжения. Различают барьерную (или зарядную) и диффузионную емкость p-n - перехода.

2.4.1 Барьерная емкость р-n-перехода.

Барьерная емкость соответствует обратно включенному p-n - переходу, который рассматривается как обычный конденсатор, где пластинами являются границы обедненного слоя, а сам обедненный слой служит несовершенным диэлектриком с увеличенными диэлектрическими потерями

где ε– относительная диэлектрическая проницаемость; ε0 – электрическая постоянная ; S – площадь запирающего слоя; δ– толщина запирающего слоя.

Барьерная емкость возрастает при увеличении площади p-n - перехода и диэлектрической проницаемости полупроводника и уменьшении толщины запирающего слоя. В зависимости от площади перехода может быть от единиц до сотен пикофарад. Особенностью барьерной емкости является то, что она является нелинейной емкостью. При возрастании обратного напряжения

толщина перехода увеличивается и емкость уменьшается. Под влиянием Uобр емкость С бар изменяется в несколько раз.

Зависимость барьерной емкости от обратного напряжения

2.4.2 Диффузионная емкость р-n-перехода.

Диффузионная емкость характеризует накопление подвижных носителей заряда в n - и p -областях при прямом напряжении на переходе. Она практически существует только при прямом напряжении, когда носители заряда диффундируют (инжектируют) в большом количестве через пониженный

потенциальный барьер и, не успев рекомбинировать, накапливаются в n - и p -областях. Каждому значению прямого напряжения соответствуют определенные значения двух разноименных зарядов и,

накопленных в n - и p -областях за счет диффузии носителей через переход. Диффузионная емкость представляет собой отношение зарядов к разности потенциалов:

С увеличением Uпр прямой ток растет быстрее, чем напряжение, т. к. вольт-амперная характери-

стика для прямого тока имеет нелинейный вид, поэтому Qдиф растет быстрее, чем Uпр и Сдиф увеличивается.

Диффузионная емкость значительно больше барьерной, но использовать ее не удается, т. к. она шунтируется малым прямым сопротивлением p-n - перехода. Численные оценки величины диффузионной емкости показывают, что ее значение составляет несколько единиц микрофарад.

Таким образом, p-n - переход можно использовать в качестве конденсатора переменной емкости,

управляемого величиной и знаком приложенного напряжения.

2.5 Влияние температуры на ВАХ р-n-перехода.

Вольтамперные характеристики p-n -перехода для двух значений температуры

С ростом температуры падает прямое напряжение на p-n – переходе, при заданном токе и растет обратный ток при заданном напряжении.

Прямой ток p-n - перехода определяется потоком основных носителей заряда, который зависит от

величины потенциального барьера в p-n - переходе. Увеличение температуры приводит к уменьшению потенциального барьера, а следовательно, к увеличению прямого тока.

Обратный ток p-n - перехода определяется потоком неосновных носителей заряда. Увеличение температуры приводит к увеличению скорости тепловой генерации, концентрация неосновных носителей заряда в полупроводнике растет, а следовательно, растет обратный ток.

Для количественной оценки влияния температуры на ВАХ p-n -перехода используют параметр. Температурный коэффициент напряжения (ТКН) показывает, на сколько изменится прямое напряжение на p-n-переходе ( U) при заданном изменении температуры Т при постоянном токе через p-n - переход:

Для германиевых p-n - переходов ТКН ≈-2 мВ/град, для кремниевых p-n - переходов ТКН ≈-3 мВ/град.

Температура удвоения обратного тока p-n - перехода Т* позволяет рассчитать обратный ток IОБР(Т0 + Т) при возрастании температуры на Т по известному значению обратного тока при

заданной температуре Т0. IОБР(Т0 + Т) = IОБР(Т0)·2 Т/Т . Для германиевых p-n - переходов обратный ток удваивается на каждые 10°C (Т* = 10°C) , для кремниевых - Т* = 8°C.

2.6 Равновесное и неравновесное состояние р-n-пере- хода.

Образование свободных носителей заряда в полупроводниках, образующих p-n – переход, связано с переходом электронов из валентной зоны в зону проводимости. Для осуществления такого перехода электрон должен получить энергию, достаточную для преодоления запрещенной зоны. Эту энергию электрон получает от ионов решетки, совершающих тепловые колебания. Таким образом, преодоление запрещенной зоны электроном происходит обычно за счет тепловой энергии решетки.

Концентрация носителей заряда, вызванная термическим возбуждением в состоянии теплового равновесия, называется равновесной.

Однако кроме теплового возбуждения появление свободных носителей заряда может быть связано с другими причинами, например, в результате облучения фотонами или частицами большой энергии, ударной ионизации, введения носителей заряда в полупроводник из другого тела (инжекция) и др. Возникшие таким образом избыточные носители заряда называются неравновесными. Таким образом, полная концентрация носителей заряда равна:

n=n0+ n, p=p0+ p.

где n0 и p0 - равновесная концентрация, а Δn и Δp - неравновесная концентрация электронов и дырок.

Если возбуждение избыточных электронов производилось из валентной зоны, а полупроводник однородный и не содержит объемного заряда, то концентрация избыточных электронов равна концентрации избыточных дырок:

Δn=Δp

После прекращения действия механизма, вызвавшего появление неравновесной концентрации носителей, происходит постепенное возвращение к равновесному состоянию. Процесс установления равновесия заключается в том, что каждый избыточный электрон при встрече с вакантным местом (дыркой) занимает его, в результате чего пара неравновесных носителей исчезает.

2.7 Контакт «металл – полупроводник».

В современных полупроводниковых приборах помимо контактов с p-n -переходом применяются контакты «металл – полупроводник».

Контакт «металл – полупроводник» возникает в месте соприкосновения полупроводникового

кристалла n или р -типа проводимости с металлами. Происходящие при этом процессы определяются соотношением работ выхода электрона из металла Ам и из полупроводника Ап . Под работой выхода

электрона понимают энергию, необходимую для переноса электрона с уровня Ферми на энергетический уровень свободного электрона. Чем меньше работа выхода, тем больше электронов может выйти из данного тела.

В результате диффузии электронов и перераспределением зарядов нарушается электрическая нейтральность прилегающих к границе раздела областей, возникает контактное электрическое поле и контактная разность потенциалов

Переходный слой, в котором существует контактное электрическое поле при контакте «металл – полупроводник», называется переходом Шоттки. Контактное электрическое поле на переходе Шоттки сосредоточено практически в полупроводнике, так как концентрация носителей заряда в металле значительно больше концентрации носителей заряда в полупроводнике. Перераспределение электронов в металле происходит в очень тонком слое, сравнимом с межатомным расстоянием.

В зависимости от типа электропроводности полупроводника и соотношения работ выхода в кристалле может возникать обедненный, инверсный или обогащенный слой носителями электрических зарядов.

1. Ам<Аn, полупроводник n - типа(а). В данном случае будет преобладать выход электронов из металла в полупроводник, поэтому в слое полупроводника около границы раздела накапливаются основные носители (электроны), и этот слой становится обогащенным, т. е. имеющий повышенную концентрацию электронов. Сопротивление этого слоя будет малым при любой полярности приложенного напряжения, и, следовательно, такой переход не обладает выпрямляющими свойствами. Его иначе называют невыпрямляющим переходом.

Контакт «металл – полупроводник», не обладающий выпрямляющим свойством

2.Аn<Ам , полупроводник p - типа (б). В этом случае будет преобладать выход электронов из полупроводника в металл, при этом в приграничном слое также образуется область, обогащенная основными носителями заряда (дырками), имеющая малое сопротивление. Такой переход также не обладает выпрямляющим свойством.

3.Ам>Ап, полупроводник n - типа (а). При таких условиях электроны будут переходить главным образом из полупроводника в металл и в приграничном слое полупроводника образуется область, обедненная основными носителями заряда и имеющая большое сопротивление. Здесь создается сравнительно высокий потенциальный барьер, высота которого будет существенно зависеть от полярности приложенного напряжения. Если Ап>>Ам , то возможно образование инверсного слоя (p –типа). Такой контакт обладает выпрямляющим свойством.

Контакт «металл – полупроводник», обладающий выпрямляющим свойством

4. Ап>Ам , полупроводник p - типа (б). Контакт образованный при таких условиях обладает выпрямляющим свойством, как и предыдущий. Отличительной особенностью контакта «металл – полупроводник» является то, что в отличие от обычного p -n - перехода здесь высота потенциального барьера для электронов и дырок разная. В результате такие контакты могут быть при определенных условиях неинжектирующими, т. е. при протекании прямого тока через контакт в полупроводниковую область не будут инжектироваться неосновные носители, что очень важно для высокочастотных и импульсных полупроводниковых приборов.

Выводы:

1. p - n - переход образуется на границе p - и n - областей, созданных в монокристалле полупроводника.

2.В результате диффузии в p - n - переходе возникает электрическое поле – потенциальный барьер, препятствующий выравниванию концентраций основных носителей заряда в соседних областях. 3.При отсутствии внешнего напряжения в p - n - переходе устанавливается динамическое равновесие: диффузионный ток становится равным по величине дрейфовому току, образованному неосновными носителями заряда, в результате чего ток через p-n - переход становится равным нулю.

4.При прямом смещении p -n - перехода потенциальный барьер понижается и через переход протекает

относительно большой диффузионный ток.

5.При обратном смещении p-n - перехода потенциальный барьер повышается, диффузионный ток уменьшается до нуля и через переход протекает малый по величине дрейфовый ток. Это говорит о том, что p-n - переход обладает односторонней проводимостью. Данное свойство широко используется для выпрямления переменных токов.

6.Ширина p-n - перехода зависит: от концентраций примеси в p - и n - областях, от знака и величины приложенного внешнего напряжения . При увеличении концентрации примесей ширина p-n

– перехода уменьшается и наоборот. С увеличением прямого напряжения ширина p-n - перехода уменьшается. При увеличении обратного напряжения ширина p-n - перехода увеличивается. Это свойство позволяет использовать p-n – переход в качестве конденсатора.

7.Лавинный пробой p-n – перехода может использоваться для стабилизации напряжения.

8.p-n - переход обладает емкостными свойствами, но использовать можно только барьерную емкость, которая образуется при обратном смещении p-n – перехода.

9.Контакт «металл – полупроводник», при определенных условиях, тоже может обладать выпрямляющими свойствами.

3.Перспективы применения новых полупроводниковых материалов.

3.1 Графен может быть полупроводником.

Чтобы графен стал полупроводником, необходимо обеспечить наличие запрещенной зоны. В последнее время можно отметить некоторые успехи в данной области. С помощью метода, использующего карбид кремния, создаются графеновые борозды размером в несколько нанометров. Благодаря волнистой форме графена удалось получить запрещенную зону в 0,5 эВ.