Электроника Ч2

11

где А – константа, Т – температура по Кельвину, F – ширина запрещенной

зоны, к = 1,38 10-23 – постоянная Больцмана.

Электрическая проводимость полупроводников, обусловленная собственными носителями зарядов, называется собственной, а ее удельная вели-

где g = 1,6 10-19 K – заряд электрона, µn и µp – подвижность носителей.

3. ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТЬ ПРИМЕСНЫХ ПОЛУПРОВОДНИКОВ

Примесным называют полупроводник, в кристаллическую решетку которого введены атомы других веществ. В качестве примеси используют атомы элементов соседних к полупроводникам групп таблицы Менделеева – V группы (мышьяк, фосфор или сурьма) или III группы (алюминий, бор или индий). Концентрация примесных атомов считается достаточной, если их число в единице объема составляет тысячные доли процента от числа собственных атомов.

Атомы элементов V группы имеют по пять валентных электронов. Четыре электрона примесного атома занимают места в валентной зоне атомов, а пятый образует дополнительный (локальный) энергетический уровень за пределами валентной зоны ε1, ε2, ε3 (рис.18. 3, а). Такая примесь называет-

ся донорной.

Атомы элементов III группы имеют по три валентных электрона. При введении такой примеси образуются свободные энергетические уровни ε1,

12

ε2, ε3 рядом с валентной зоной (рис. 18. 3, б). Такая примесь называется ак-

цепторной.

Близость локальных уровней к зоне проводимости (рис.18. 3, а) приводит к тому, что даже при небольшом нагреве электроны с этих уровней могут переходить в свободную зону проводимости. Далее электрон может перемещаться от атома к атому в пределах кристаллической решетки. Произошло образование свободного носителя заряда – электрона проводимости без образования дырки. При введении донорной примеси концентрация электронов может быть определена выражением

′ ≈ 0,01эВ , а для кремния – 0,045эВ. Поэтому nn, рассчитанное по (18.4),

при концентрации примеси С = 1017·см3 значительно больше n, определенной по (18.1), и составляет 1,5·1015. Таким образом, концентрация свободных электронов оказывается значительно больше концентрации дырок, поэтому электропроводность определяется концентрацией электронов. В этом случае электроны называют основными носителями зарядов, а полупроводник – полупроводником n – типа. Для полупроводника n – типа

13

электрическая проводимость называется электронной и определяется выражением

При введении акцепторной примеси (рис. 18.3, б) рядом с валентной зоной образуются дополнительные энергетические уровни. При температуре абсолютного нуля они свободны. Однако достаточно незначительных температурных возмущений, чтобы электроны из валентной зоны перешли на дополнительные энергетические уровни. Переход электронов сопровождается образованием положительных зарядов основного вещества – дырок. Их концентрация рр может быть определена аналогично (18.4). В этом случае дырки становятся основными носителями зарядов, а полупроводник – полупроводником р-типа. Для полупроводника р-типа электрическая проводимость называется дырочной и определяется выражением

4.ЭЛЕКТРОННО-ДЫРОЧНЫЙ ПЕРЕХОД

ИЕГО СВОЙСТВА

Металлургическая граница между полупроводниками двух типов на-

зывается электронно-дырочным, или p-п переходом (Рис. 18.4, а). Это ос-

новной рабочий элемент полупроводниковых электронных приборов. Определим его основные свойства.

4.1. Электронно-дырочный переход при отсутствии внешнего

электрического поля

Концентрация примесей, а значит, и основных носителей в областях р- n перехода обычно не одинакова (Рис. 18.4, б). Различие может составлять несколько порядков. Разность концентраций вызывает диффузию носителей

14

заряда из области с более высокой концентрацией в область с менее высокой концентрацией. Основные носители n области – электроны – диффундируют в р область и наоборот, дырки из р области диффундируют в n область. Диффузионный ток через переход определяется суммой токов электронов и дырок. Но один из них значительно, на несколько порядков, больше другого.

Переход через границу р-n перехода и постоянный приток носителей противоположного знака приводит к появлению объемных зарядов – дырок в n области и электронов в р области. Между объемными зарядами, в непосредственной близости от обеих сторон границы, возникает область, обедненная подвижными носителями, а потому обладающая большим электрическим сопротивлением. Эта область называется запираю-

щим слоем.

Объемные заряды создают внутри запирающего слоя электрическое поле, которое препятствует диффузионному току и называется потенциальным барьером – !φ0. График изменения потенциала электрического поля приведен на рис. 18.4, в. Количественно потенциальный барьер оценивают в вольтах, выражением

где ϕT = kT / q – тепловой потенциал, ni – концентрация собственных носи-

телей.

Электрическое поле между объемными зарядами вызывает направленное движение через переход собственных носителей заряда (электронов и дырок). Такое движение направлено навстречу диффузионному току и называется дрейфовым током. Когда диффузионный и дрейфовый токи

15

выравниваются по абсолютной величине Iдиф = Iдр, суммарный ток равен нулю, и р-n переход приходит в равновесное состояние.

Таким образом, металлургическая граница между полупроводниками n и р типа является и границей между двумя объемными зарядами – объемным зарядом электронов в р области, и объемным зарядом дырок в n области. При отсутствии внешнего электрического поля разность потенциалов между объемными зарядами !φ0 может иметь значения от 0,6 до 1,2 В. Через р-n переход протекают диффузионные токи Iдиф.n и Iдиф.р, а также дрейфовые токи Iдр.n и Iдр.р.

В состоянии равновесия Iдиф = Iдиф.n + Iдиф.р = – Iдр = – (Iдр.n + Iдр.р), т. е. результирующий ток равен нулю. Так как дрейфовый ток направлен навстречу диффузионному, его называют обратным и обозначают Iо. Величина обратного тока сильно зависит от температуры, поэтому иногда его назы-

16

вают тепловым током, обозначая IT. Сопротивление р-n перехода определяется сопротивлением запирающего слоя.

4.2.Электронно-дырочный переход под воздействием

внешнего электрического поля

Наибольший практический интерес представляет случай, когда равновесие p-n перехода нарушается подачей внешнего напряжения.

Если внешнее напряжение приложено минусом к p области и плюсом к n области (рис. 18.5, а), то оно совпадает с контактной разностью потен-

циалов Fϕ0. Это приводит к увеличению результирующего поля в запираю-

щем слое, увеличению сопротивления этого слоя и росту потенциального барьера до значения

ϕ0 ϕ1

Диффузия основных носителей через p-n переход уменьшается, а при определенном значении Uобр может полностью прекратиться. Такое напряжение называется обратным. Обратным называют и включение p-n перехода. При обратном включении поле p-n перехода втягивает все подошедшие к нему собственные носители, и через переход протекает только обратный ток Iо.

17

Так как число собственных носителей (дырок в n области и электронов в p области) мало, то величина обратного тока Iо значительно (на несколько порядков) меньше диффузионного и зависит только от температуры.

Если внешнее напряжение приложено плюсом к р области и минусом к n области (рис. 18.6, а), то оно направлено встречно контактной разности потен-

циалов Fϕ0, поэтому высота потенциального барьера уменьшается до значения !φ2 = !φ0 – Uпр (рис. 18.6, б). Такое напряжение называют прямым, а при подаче его на переход говорят, что переход включен (смещен) в прямом направлении.

_ +

a)

Рис. 18.6. Модель р-n перехода при прямом включении (а) и график распределения потенциала поля (б)

В результате снижения контактной разности потенциалов в переходе запирающий слой обогащается подвижными носителями, сопротивление его уменьшается. Это приводит к увеличению диффузионного тока, причем, значение тока связано с напряжением на переходе экспоненциальной зависимостью

где U – напряжение на p-n переходе.

Обратный ток Iо по - прежнему не зависит от приложенного напряже-

ния, определяется только количеством собственных носителей и протекает в

18

противоположном направлении. Результирующий ток называется прямым током p-n перехода и определяется разностью диффузионного и обратного (дрейфового) токов:

Таким образом, p-n переход обладает резко выраженной односторонней проводимостью, то есть является выпрямляющим. Чем больше прямое напряжение Uпр, прикладываемое к переходу, тем ниже потенциальный барьер, тем меньше сопротивление перехода, тем больше ток основных носителей через переход. Зависимость тока p-n перехода от приложенного напряжения называется вольт - амперной характеристикой. Вольт - амперная характеристика, построенная по (18.10), приведена на рис. 18.7. Так как тепловой потенциал φТ при температуре 300 К равен 25мВ, то уже при U = 0,1В можно считать, что

Предельное значение прямого напряжения не превышает контактной разности потенциалов !φ0, т. е. измеряется долями вольта. Обратное напряжение ограничивается пробоем p-n перехода. Пробой возникает при достаточно большом (десятки вольт) обратном напряжении Um за счет лавинного размножения собственных носителей и называется лавинным пробоем. Если ток лавинного пробоя не ограничен, то при некотором его значении It пр происходит тепловой пробой. Тепловой пробой разрушает p-n переход.

Вольт – амперная характеристика позволяет определить статическое сопротивление Rст p-n перехода в любой заданной точке. Например, для точки А значение Rст = U1/I1. Дифференциальное сопротивление Rдиф можно определить, воспользовавшись выражением (18.10). Для этого сначала определим дифференциальную проводимость:

20

5. ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ И ТИПЫ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ДИОДОВ

Полупроводниковым диодом называют прибор с одним p –n переходом

и двумя выводами для включения в схему. Условное графическое обозначе-

ние диода приведено на рис. 18.9, а. На рис. 18.9, б приведена структурная схема диода. Электрод диода, подключенный к p области называют анодом, а электрод, подключенный к n области, – катодом.

Для правильного выбора и применения диодов используют систему количественных оценок их свойств – параметров. К числу основных параметров относятся

–максимально допустимый средний прямой ток;

–максимальный обратный ток;

–падение напряжения Uпр на диоде при некотором значении прямого

тока;

– импульсное обратное напряжение и др.

Большое разнообразие диодов классифицируют по ряду признаков: по функциональному назначению, по конструкции p –n перехода, по технологии изготовления, по предельно допустимой мощности и частоте.

По функциональному назначению все диоды можно разделить на вы- прямительные и специальные. В специальных диодах используются различные свойства p-n переходов: явление пробоя (стабилитроны), управляемую емкость перехода (варикапы и варакторы), фотоэффект (фотодиоды), фотонную рекомбинацию носителей зарядов (светодиоды) и др. Условные графические обозначения специальных диодов приведены на рис. 18.10.

В зависимости от частоты и формы применяемого напряжения диоды разделяют на низкочастотные, высокочастотные и импульсные.