1.5 Температурный диапазон работы примесных полупроводников.
Полупроводник подвержен нагреву как извне (температура окружающей среды), так и “изнутри” за счет превращения электрической энергии в тепловую – в рабочем состоянии пп прибор “горячее” окружающей среды.
График показывает зависимости концентраций от температуры примесного полупроводника n-типа с концентрацией примеси NД=1016см3 для кремния и германия. При Т=0К в пп отсутствуют свободные электроны. При повышении температуры примерно до Т=60К тепловая энергия КТ превышает энергию ионизации примеси и практически все доноры ионизированы. Т=60К – нижняя граница примесного полупроводника.
Дальнейшее повышение температуры не изменяет концентрацию основных зарядов, а вызывает увеличение концентрации неосновных носителей заряда ni=pi, при Т=300К их концентрации составляют ni=1013см-3 для германия и ni=1010см-3 для кремния. Верхняя граница для германия примерно Т=360К и для кремния 420К. При этих критических температурах примесный полупроводник вырождается в собственный. В этом смысле кремний имеет существенное преимущество перед германием. Для увеличения верхней границы рабочих температур необходимо увеличивать концентрацию примеси и использовать материалы с большей шириной ЗЗ.
1.6 Уравнение нейтральности полупроводников.
Наличие в пп зарядов разных знаков приводит к тому, что суммарный заряд некоторого объема пп равен нулю: Q=0. В общем виде уравнение нейтральности для плотности заряда записывается:
(1.21)
где q – элементарный заряд,
+qp
- суммарный заряд дырок ( ),
qn=еn
- суммарный заряд электронов (
),
+qNД - суммарный заряд ионов доноров () ,
qNД - суммарный заряд ионов акцепторов () .
1. Собственный полупроводник
|
2. Полупроводник n – типа |
3. Полупроводник p – типа
|
Fi=Е
C
V
pi
ni |
-
+
-
+
-
+
-
+
-
+
Fn
V
C
n
NД*
Е |
Fp
V
C
NА*
р
Е |
q(pini)=0 |
q(NД*n)=0 |
q(pNА*)=0 |
1.7 Термогенерация. Рекомбинация. Закон действующих масс.
Термогенерация – процесс образования электронно – дырочной пары под действием тепловой энергии - температуры.
Рекомбинация – процесс, обратный термогенерации, переход электронов из зоны проводимости на свободные валентные уровни.
|
n=106÷108 сек. Rn=n/n =rnp -скорость рекомбинации электронов.
Rр=p/p =rnp - скорость рекомбинации дырок. |
- среднее время
жизни электрона обратно
пропорционально концентрации дырок
- время жизни
дырки.Для примесного полупроводника
R=Rn=Rp =rnp
Для собственного полупроводника
Ri=rnipi=rni2
При малых концентрациях примесей скорость рекомбинации в собственных и примесных полупроводниках примерно одинаковы R=Ri, следовательно (1.12)
np=ni2
Это правило - закон действующих масс.
Для полупроводника n-типа равновесная концентрация основных зарядов
nno=NД*, (1.22)
Равновесная концентрация неосновных зарядов
pno=ni2/NД*, (1.23)
Для полупроводника p-типа равновесная концентрация основных зарядов
ppo=NА*, (1.24)
Равновесная концентрация неосновных зарядов
npo=ni2/NА*, (1.25)
Примеры действия закона действующих масс для полупроводника n- типа на основе кремния и для полупроводника p- типа на основе германия с концентрацией примесей 1016см3.
