petrovich-lectures[1]

А.В. Глазачев, В.П. Петрович. Физические основы электроники. Конспект лекций

1.6.1. Дрейф носителей заряда

Дрейфом называют направленное движение носителей заряда под действием электрического по-

ля.

Электроны, получая ускорение в электрическом поле, приобретают на средней длине свободного пробега добавочную составляющую скорости, которая называется дрейфовой скоростью nn др , к сво-

ей средней скорости движения.

Дрейфовая скорость электронов мала по сравнению со средней скоростью их теплового движения в обычных условиях. Плотность дрейфового тока

Составляющая электрического тока под действием внешнего электрического поля называется дрейфовым током. Полная плотность дрейфового тока при наличии свободных электронов и дырок равна сумме электронной и дырочной составляющих:

где E – напряженность приложенного электрического поля.

Удельная электрическая проводимость s равна отношению плотности дрейфового тока к величине напряженности электрического поля E , вызвавшего этот ток:

E

то есть электропроводность твердого тела зависит от концентрации носителей электрического заряда n и от их подвижности m .

1.6.2. Диффузия носителей заряда

При неравномерном распределении концентрации носителей заряда в объеме полупроводника и отсутствии градиента температуры происходит диффузия – движение носителей заряда из-за градиента концентрации, т.е. происходит выравнивание концентрации носителей заряда по объему полупроводника.

Из курса физики известно, что плотность потока частиц при диффузии(число частиц, пересекающих в единицу времени единичную площадку, перпендикулярную направлению градиента концен-

где Dm – коэффициент диффузии, равный абсолютному значению отношения плотности потока частиц к градиенту их концентрации.

Знаки правой и левой части в выражении (1.8) различны, т.к. вектор градиента концентрации направлен в сторону возрастания аргумента, а частицы диффундируют туда, где их меньше, т.е. против градиента концентрации.

Поскольку любое направленное движение одноименно заряженных частиц есть электрический ток, то плотность электронной составляющей диффузионного тока может быть получена путем умножения правой части выражения(1.8) на заряд электрона. Электроны диффундируют против вектора градиента концентрации и имеют отрицательный заряд. Вследствие этого направление вектора плотности диффузионного тока электронов должно совпадать с направлением вектора градиента концентрации электронов

12

А.В. Глазачев, В.П. Петрович. Физические основы электроники. Конспект лекций

Заряд дырок положителен, вследствие этого направление вектора плотности диффузионного тока дырок должно совпадать с направлением их диффузии, т.е. противоположно направлению вектора градиента концентрации дырок. Следовательно, в правой части должен сохраниться знак минус:

Полная плотность диффузионного тока, обусловленная направленным перемещением носителей электрического заряда из мест с большей концентрацией в места, где их концентрация меньше, определяется как

Одновременно с процессом диффузии носителей происходит процесс их рекомбинации. Поэтому избыточная концентрация уменьшается в направлении от места источника этой избыточной концентрации.

Расстояние, на котором при одномерной диффузии в полупроводнике без электрического поля в нем избыточная концентрация носителей заряда уменьшается в результате рекомбинации вe раз, называется диффузионной длиной L . Иначе, это расстояние, на которое диффундирует носитель за время жизни.

Диффузионная длина L связана со временем жизни носителей соотношениями

где tn и tp – время жизни электронов и дырок, соответственно.

1.7. Электрические переходы

Электрическим переходом в полупроводнике называется граничный слой между двумя областями, физические характеристики которых имеют существенные физические различия.

Различают следующие виды электрических переходов:

§электронно-дырочный, или p–n-переход – переход между двумя областями полупроводника, имеющими разный тип электропроводности;

§переходы между двумя областями, если одна из них является металлом, а другая полупровод-

ником p- или n-типа (переход металл – полупроводник);

§переходы между двумя областями с одним типом электропроводности, отличающиеся значением концентрации примесей;

§переходы между двумя полупроводниковыми материалами с различной шириной запрещен-

ной зоны (гетеропереходы).

1.7.1. Электронно-дырочный переход

Работа целого ряда полупроводниковых приборов(диодов, транзисторов, тиристоров и др.) основана на явлениях, возникающих в контакте между полупроводниками с разными типами проводимости, либо в точечном контакте полупроводника с металлом. Граница между двумя областями монокристалла полупроводника, одна из которых имеет электропроводность типаp, а другая – типа n называется электронно-дырочным переходом. Концентрации основных носителей заряда в областях p и n могут быть равными или существенно отличаться.

P–n-переход, у которого концентрации дырок и электронов практически равныNакц » Nдон ,

называют симметричным. Если концентрации основных носителей заряда различны( Nакц >> Nдон

или Nакц << Nдон ) и отличаются в 100K1000 раз, то такие переходы называют несимметричными.

13

А.В. Глазачев, В.П. Петрович. Физические основы электроники. Конспект лекций

переброшен через границу раздела в область n, где он будет являться основным носителем. Аналогично, если в области n появится неосновной носитель– дырка, то под действием поля потенциального барьера она будет переброшена в область p , где она будет уже основным носителем. Движение неос-

новных носителей черезp–n-переход под действием электрического поля потенциального барьера обусловливает составляющую дрейфового тока.

При отсутствии внешнего электрического поля устанавливается динамическое равновесие между потоками основных и неосновных носителей электрических зарядов, то есть между диффузионной и дрейфовой составляющими токаp–n-перехода, поскольку эти составляющие направлены навстречу друг другу.

Потенциальная диаграмма p–n-перехода изображена на рис. 1.13, причем за нулевой потенциал принят потенциал на границе раздела областей. Контактная разность потенциалов образует на границе раздела потенциальный барьер с высотойDjк . На диаграмме изображен потенциальный барьер для электронов, стремящихся за счет диффузии перемещаться справа налево(из области n в область p ). Если отложить вверх положительный потенциал, то можно получить изображение потенциального барьера для дырок, диффундирующих слева направо (из области p в область n ).

При отсутствии внешнего электрического поля и при условии динамического равновесия в кристалле полупроводника устанавливается единый уровень Ферми для обеих областей проводимости.

ееизменении изменяется уровень Ферми,

смещаясь от середины запрещенной зоны к верхней или нижней ее границе.

15

А.В. Глазачев, В.П. Петрович. Физические основы электроники. Конспект лекций

Это приведет, в свою очередь, к снижению высоты потенциального барьера и увеличению количества основных носителей, диффундирующих через границу раздела в соседнюю область, которые образуют так называемый прямой ток p–n-перехода. При этом вследствие уменьшения тормозящего, отталкивающего действия поля потенциального барьера на основные носители, ширина запирающего слоя d уменьшается ( d¢ < d ) и, соответственно, уменьшается его сопротивление.

По мере увеличения внешнего напряжения прямой токp–n-перехода возрастает. Основные носители после перехода границы раздела становятся неосновными в противоположной области полупроводника и, углубившись в нее, рекомбинируют с основными носителями этой области, но, пока подключен внешний источник, ток через переход поддерживается непрерывным поступлением электронов из внешней цепи в n-область и уходом их из p-области во внешнюю цепь, благодаря чему восстанавливается концентрация дырок в p-области.

А.В. Глазачев, В.П. Петрович. Физические основы электроники. Конспект лекций

1.p–n-переход образуется на границеp- и n-областей, созданных в монокристалле полупро-

водника.

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 напряженияUвн 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 вели-

чины приложенного внешнего напряжения Uвн . При увеличении концентрации примесей ширина p–n- перехода уменьшается и наоборот. С увеличением прямого напряжения ширинаp–n-перехода уменьшается. При увеличении обратного напряжения ширина p–n-перехода увеличивается.

1.7.3. Вольт-амперная характеристика р–n-перехода

Вольт-амперная характеристика p–n-перехода – это зависимость тока через p–n-переход от ве-

личины приложенного к нему напряжения. Ее рассчитывают исходя из предположения, что электрическое поле вне обедненного слоя отсутствует, т.е. все напряжение приложено кp–n-переходу. Общий ток через p–n-переход определяется суммой четырех слагаемых:

17