Расчёты

Результаты при Т = 300 К
Характеристики p-n перехода	Полупроводник германий (ΔWЗ= 0,66эВ)	Полупроводник кремний (ΔWЗ= 1,12эВ)	Полупроводник арсенид галлия (ΔWЗ= 1,424эВ)
k0, В	3,1217E-1	6,9572E-1	1,1615E+0
w, мкм	3,3243E-1	4,2978E-1	5,7798E-1
I0, А	8,3170E-12	8,4534E-19	7,7167E-26
Uпроб.л., В	8,6413E+0	1,9102E+1	2,7386E+1
Uпроб.т., В	4,4250E+0	2,9869E+1	5,7525E+1
Сб0, Ф	1,8072E-11	1,0484E-11	8,4452E-12

Рисунок 1 – График зависимости теплового тока от ширины запрещенной зоны материала.

Из графика видно, что с увеличением ширины запрещенной зоны материала тепловой ток увеличивается. Это связано с тем, что при увеличении ширины запрещенной зоны материала уменьшается количество свободных носителей заряда, что приводит к уменьшению рекомбинации и увеличению тока в переходе.

Рисунок 2 – График зависимости напряжения пробоя от ширины запрещенной зоны

На графике видно, что напряжение пробоя увеличивается с увеличением ширины запрещенной зоны материала. Это связано с тем, что при увеличении ширины запрещенной зоны материала увеличивается напряжение, необходимое для ионизации атомов и возникновения лавинного разряда. Таким образом, можно сделать вывод о том, что ширина запрещенной зоны материала влияет на напряжение пробоя идеализированного р-n перехода. Чем шире запрещенная зона, тем больше напряжение пробоя.

Рисунок 3 – График зависимости контактной разности потенциалов от ширины запрещенной зоны

Исходя из таблицы, видно, что контактная разность потенциалов увеличивается с увеличением ширины запрещенной зоны материала. Это связано с тем, что при увеличении ширины запрещенной зоны материала увеличивается энергия, необходимая для перехода электрона через р-н переход. Таким образом, можно сделать вывод о том, что ширина запрещенной зоны материала влияет на контактную разность потенциалов идеализированного р-n перехода. Чем шире запрещенная зона, тем больше контактная разность потенциалов.

Контрольные вопросы

1. Как и почему на напряжение лавинного пробоя р-n перехода влияет выбор материала полупроводника?

На напряжение лавинного пробоя p-n перехода влияет ширина запрещенной зоны материала полупроводника. Чем шире запрещенная зона, тем выше напряжение лавинного пробоя. Это связано с тем, что при достижении определенного уровня напряжения электроны в полупроводнике начинают получать достаточно энергии для преодоления запрещенной зоны и возбуждения новых электронов. Если запрещенная зона широкая, то энергия, необходимая для преодоления ее, выше, и поэтому напряжение лавинного пробоя выше. Поэтому для получения высокого напряжения лавинного пробоя можно использовать полупроводники с широкой запрещенной зоной, такие как кремний или германий.

2. Как и почему на напряжение туннельного пробоя р-n перехода влияет

выбор материала полупроводника?

На напряжение туннельного пробоя p-n перехода влияет ширина запрещенной зоны и высота потенциального барьера в материале полупроводника. Чем уже запрещенная зона и выше потенциальный барьер, тем выше напряжение туннельного пробоя. Это связано с тем, что при достижении определенного уровня напряжения электроны в полупроводнике начинают проходить через потенциальный барьер методом туннелирования. Если запрещенная зона узкая и потенциальный барьер низкий, то электроны могут проходить через него сравнительно легко, и поэтому напряжение туннельного пробоя будет низким. Если же запрещенная зона широкая и потенциальный барьер высокий, то электроны будут проходить через него с большим трудом, и поэтому напряжение туннельного пробоя будет высоким. Поэтому для получения высокого напряжения туннельного пробоя можно использовать полупроводники с узкой запрещенной зоной и высоким потенциальным барьером, такие как галлий-арсенид или индий-фосфид.22:50

3. Как и почему на контактную разность потенциалов р-n перехода влияет выбор материала полупроводника?

На контактную разность потенциалов p-n перехода влияет выбор материала полупроводника, так как различные материалы имеют разные уровни энергии проводимости и валентной зоны. При контактировании двух разных материалов происходит выравнивание этих уровней, что приводит к образованию контактной разности потенциалов. Если выбрать материалы с разными уровнями энергии проводимости и валентной зоны, то можно получить более высокую контактную разность потенциалов, что позволяет увеличить эффективность работы p-n перехода. Например, при использовании кремния и германия для создания p-n перехода, контактная разность потенциалов будет меньше, чем при использовании кремния и галлия-арсенида. Также на контактную разность потенциалов может влиять допирование полупроводника. При допировании одной стороны p-n перехода акцепторами (для p-типа) или донорами (для n-типа), уровень энергии проводимости или валентной зоны изменяется, что также может привести к изменению контактной разности потенциалов.

4. Как и почему на тепловой ток р-n перехода влияет выбор материала полупроводника?

На тепловой ток p-n перехода влияет выбор материала полупроводника, так как разные материалы имеют различную концентрацию носителей заряда и различный коэффициент диффузии. Концентрация носителей заряда определяется типом и степенью допирования полупроводника. Если выбрать материалы с высокой концентрацией носителей заряда, то это может привести к увеличению теплового тока p-n перехода. Коэффициент диффузии зависит от массы и размеров носителей заряда, а также от концентрации примесей. Если выбрать материалы с большим коэффициентом диффузии, то это может привести к увеличению теплового тока p-n перехода. Также на тепловой ток может влиять температура. При повышении температуры увеличивается концентрация носителей заряда и уменьшается коэффициент диффузии, что может привести к увеличению или уменьшению теплового тока в зависимости от выбора материала полупроводника.

5. Объяснить, как влияет степень химической чистоты поверхности

полупроводника на обратный ток p-n перехода?

Степень химической чистоты поверхности полупроводника влияет на обратный ток p-n перехода через изменение поверхностных состояний и уровней энергии. Наличие дефектов на поверхности полупроводника может привести к появлению локальных уровней энергии, которые могут служить ловушками для носителей заряда и увеличивать обратный ток. Степень химической чистоты поверхности полупроводника также может влиять на плотность зарядов на границе раздела p-n перехода, что также может привести к изменению обратного тока. Поэтому для получения низкого обратного тока необходимо обеспечить высокую степень химической чистоты поверхности полупроводника.

6. Объяснить, чем обусловлен выбор материала, из которого изготавливают выпрямляющие контакты?

Выбор материала для выпрямляющих контактов обусловлен несколькими факторами. Во-первых, материал должен иметь высокую проводимость, чтобы обеспечить эффективный токопрохождение. Во-вторых, он должен быть химически стабильным и не реагировать с другими материалами в полупроводнике или окружающей среде, чтобы обеспечить долговечность и надежность работы контактов. В-третьих, материал должен иметь подходящую работу выхода, чтобы обеспечить эффективную инжекцию носителей заряда через границу раздела p-n перехода. Для кремниевых полупроводников наиболее часто используют металлы, такие как алюминий, золото или платина, которые обладают высокой проводимостью и химической стабильностью. Также могут использоваться сплавы металлов или многослойные структуры для улучшения эффективности инжекции носителей заряда.

7. Объяснить, почему выпрямляющие переходы стараются изготавливать из полупроводников, содержащих как можно меньше посторонних примесей?

Выпрямляющие переходы изготавливают из полупроводников, содержащих как можно меньше посторонних примесей, потому что посторонние примеси могут создавать дополнительные уровни энергии в запрещенной зоне полупроводника, что приводит к ухудшению электрических свойств материала. Эти дополнительные уровни могут приводить к уменьшению эффективности инжекции носителей заряда через границу раздела p-n перехода, а также к увеличению тока утечки и снижению надежности работы контактов. Поэтому в процессе изготовления выпрямляющих переходов стараются минимизировать количество посторонних примесей в полупроводнике.

ВЫВОД

Параметры p-n перехода зависят от выбранного материала, включая контактную разность потенциалов. Для получения большой контактной разности потенциалов можно использовать полупроводники с широкой запрещенной зоной, например, кремний или германий. Однако, выбор материала также зависит от других требований к переходу, поэтому необходимо учитывать все требования и балансировать их для достижения оптимальных параметров контакта при выборе материала для создания p-n перехода.