- •Электронные твердотельные приборы
- •Часть 1
- •Введение
- •1.1 Общие сведения о полупроводниках
- •1.2. Собственные полупроводники
- •1.3. Электронные полупроводники
- •1.4. Дырочные полупроводники
- •1.5. Токи в полупроводниках
- •Контрольные вопросы
- •2.1. Электронно-дырочный переход в состоянии равновесия
- •2.2. Прямое и обратное включение p-n перехода
- •2.3. Теоретическая вольтамперная характеристика p-n-перехода
- •2.4. Реальная вольтамперная характеристика p-n-перехода
- •2.5. Емкости p-n-перехода
- •Контрольные вопросы
- •3.1. Классификация, разновидности
- •3.2. Стабилитроны
- •3.3. Параметрический стабилизатор напряжения
- •Контрольные вопросы
- •4. Биполярные транзисторы
- •4.1. Физические процессы и токи в транзисторе
- •4.2. Moдyляция ширины бaзы
- •4.3. Статические характеристики
- •4.4. Влияние температуры на статистические характеристики
- •4.5. Малосигнальные параметры и эквивалентная схема
- •4.6. Усилительный каскад на биполярном транзисторе
- •4.7. Частотные свойства биполярных транзисторов
- •Контрольные вопросы
- •5. Полевые транзисторы
- •5.1. Физические процессы в полевом транзисторе с p-n-переходом
- •5.2. Малосигнальные параметры полевого транзистора
- •5.3. Эквивалентная схема полевого транзистора для малого сигнала
- •5.4. Полевые транзисторы с изолированным затвором
- •5.5. Полевой транзистор с плавающим затвором
- •5.6. Полевой транзистор с затвором Шоттки
- •5.7. Усилительный каскад на полевом транзисторе
- •Контрольные вопросы
- •6. Тиристоры
- •Контрольные вопросы
- •Заключение
- •Библиографический Список
- •ОглавлеНие
- •Электронные твердотельные приборы
- •680021, Г. Хабаровск, ул. Серышева, 47.
Контрольные вопросы
1. Что такое разрешенные и запрещенные зоны?
2. Что такое уровень Ферми?
3. Что такое собственный полупроводник?
4. Что такое диффузия и дрейф носителей заряда?
5. Что такое подвижность носителей заряда?
6. Как примеси влияют на характеристики полупроводника?
7. Что такое электронный и дырочный полупроводники?
8. Какова энергия Ферми в примесных полупроводниках?
9. Как объяснить температурную зависимость концентрации носителей заряда в полупроводниках?
10. Какими физическими факторами объясняется температурная зависимость подвижности носителей заряда?
Контактные явления в полупроводниках
Электрическим переходом называют переходный слой в полупроводниковом материале между двумя областями с различными типами электропроводности или разными значениями удельной электрической проводимости.
Если одна из контактирующих областей – металл, а другая – полупроводник, то такой электрический переход называют переходом Шоттки. Если переход образован двумя полупроводниками с различной шириной запрещенной зоны, например германием и арсенидом галлия, его называют гетеропереходом. Электрический переход, образованный в результате контакта полупроводников с одинаковой шириной запрещенной зоны, называют гомопереходом.
Электрический переход может быть выпрямляющим, т. е. иметь малое сопротивление при одном направлении тока и большое при другом. Электрическое сопротивление омических переходов в отличие от выпрямляющих не зависит от направления тока в заданном диапазоне его значений. Большинство полупроводниковых приборов имеют выпрямляющие гомогенные электронно-дырочные (p–n) переходы.
Электронно-дырочный переход образуется между областями полупроводника, одна из которых имеет электропроводность n-типа, а другая p-типа. По соотношению концентраций примесей в p- и n- областях различают симметричные, несимметричные и односторонние переходы. Обычно в полупроводниковых приборах используют несимметричные переходы, у которых концентрации Nд и Na различаются в несколько раз. Если концентрации примесей различаются более чем в 10 раз, переход называют односторонним.
2.1. Электронно-дырочный переход в состоянии равновесия
В основе большинства полупроводниковых диодов и транзисторов лежит контакт двух полупроводников с различным типом электропроводности. Он может быть получен, например, путём диффузии донорной примеси в полупроводник p-типа. Идеализированная одномерная структура p-n-перехода изображена на рис. 2.1, а.
Рассмотрим физические процессы в структуре, определяющие свойства p-n-перехода.
Будем полагать, что концентрация легирующей примеси в областяхn- и p-типа распределена равномерно (рис. 2.1, б), причём концентрация донорной примеси ND в n-полупроводнике значительно больше, чем концентрация акцепторной примеси NA в p-полупроводнике (ND>>NA). Назовём n-область с большей концентрацией примеси эмиттером, а p-область с меньшей концентрацией примеси – базой. Это допущение позволяет считать, что полный ток через p-n-переход определяется преимущественно электронной составляющей. Дырочная составляющая тока через p-n-переход мала и ею можно пренебречь:
J = Jn + Jp Jn .
Будем полагать, что внешние выводы удалены от контакта на расстояние, значительно превышающее диффузионную длину электронов Ln в базе и дырок Lp в эмиттере. Это позволяет считать, что собственно p-n-переход локализован вблизи границы x0. Обозначим границы p-n-перехода через xn и xp.
Так как концентрация электронов в n-полупроводнике nn (основные носители заряда) значительно превышает концентрацию электронов в p-полупроводнике np (неосновные носители заряда), то в плоскости контакта возникает диффузия электронов из n-области в p-область. Аналогичные рассуждения объясняют диффузию дырок из p-области в n-область. Таким образом через p-n-переход протекают диффузионные токи Jn диф и Jp диф , ( см. рис. 2.1, в) .
Свободные электроны, переходя в p-полупроводник, становятся там неосновными носителями и рекомбинируют с дырками. Одновременно в n-полупроводнике происходит рекомбинация переходящих туда дырок. В результате рекомбинации на границе p- и n-областей возникает обедненный носителями слой, концентрации свободных электронов и дырок в котором близки к нулю. Этот слой называют запирающим. Толщина запирающего слоя определяется длиной свободного пробега электронов и дырок до их рекомбинации. При увеличении числа носителей длина их свободного пробега уменьшается, и обедненный слой становится тоньше. Следовательно, в несимметричномp-n-переходе обедненный слой имеет большую толщину в области полупроводника, где меньше концентрация примеси (в рассматриваемом примере – в p-полупроводнике (рис. 2.1, б).
При уходе электронов из n-области в обедненном слое остаются положительные заряды неподвижных ионов донорной примеси, ранее компенсировавшиеся зарядами электронов. Аналогично p-полупроводник обедняется дырками, и вблизи его границы возникает слой нескомпенсированных отрицательных ионов акцепторной примеси. Противоположные по знаку заряды ионов примеси создают в обедненном слое электрическое поле с напряженностью Ек и контактной разностью потенциалов к (рис. 2.1, в). Это электрическое поле, которое называют диффузионным, ограничено лишь областью перехода, совпадающей с границами запирающего обедненного слоя. В целом p-n-переход, электрически нейтрален. Энергетическая диаграмма перехода приведена на рис. 2.1, г.
Положительные заряды доноров и отрицательные заряды акцепторов в запирающем слое уравновешивают друг друга.
Электрическое поле p-n-перехода направлено так, что препятствует дальнейшей диффузии основных носителей, но ускоряет неосновные носители, возникающие в запирающем слое. Они легко перемещаются через обедненный слой, создавая дрейфовые токи дырок из n-полупроводника в p-область, электронов из p-полупроводника в n-полупроводник. Направления дрейфовых токов противоположны направлениям диффузионных токов. По мере формирования p-n-перехода диффузионные токи уменьшаются, а дрейфовые – возрастают, пока не уравновесят друг друга.
При равновесном состоянии p-n-перехода его результирующий ток равен нулю, однако при этом происходят перемещения носителей через переход.
Свойства p-n-перехода характеризуют два основных параметра: контактная разность потенциалов k и толщина запирающего слоя . Найдем соотношения, определяющие зависимости этих параметров от температуры, концентрации примесей и материала полупроводника.
Контактную разность потенциалов можно определить из условия равенства нулю суммарных электронных или дырочных токов при равновесном состоянии p-n-перехода.
jдиф n = – jдрейф n , т. е. Dn = – np , (2.1)
но Eк= – d / dx, тогда
Dn = np d / dx . (2.2)
Разделим на np и проинтегрируем в пределах толщины запирающего слоя p-n-перехода:
Dn = . (2.3)
Заменяя переменные n(xp) = np, n(xn) = nn, (xp) = p, (xn) = n и интегрируя, получим:
Dn(ln np – ln nn) = (p – n). (2.4)
Используя соотношение Эйнштейна, определим контактную разность потенциалов:
ln. (2.5)
Для расчёта ширины перехода и закона распределения электрического потенциала в переходе (см. рис. 2.1, в) принимают, что в области перехода подвижные носители заряда отсутствуют полностью (объёмные заряды определяются ионами акцепторной и донорной примеси). Тогда используя уравнение Пуассона [1] , можно получить
. (2.6)
Анализ выражений (2.5) и (2.6), показывает, что параметры перехода зависят от температуры и концентрации легирующей примеси в n- и p-областях.
Увеличение температуры приводит к уменьшению контактной разности потенциалов и шириныp-n-перехода . Это, в первую очередь, определяется тем, что, как показано в разд.1, при высоких температурах уровни Ферми вn- и p-полупроводниках приближаются к середине запрещенной зоны, электропроводность полупроводников стремится к собственной, а, следовательно, p-n-переход исчезает (,).
При возрастании концентрации легирующих примесей ND и NA контактная разность потенциалов возрастает, а ширина p-n-перехода уменьшается.
Необходимо отметить, что область p-n-перехода обеднена подвижными носителями заряда, так как любой, возникший в этой области или попавший в неё, подвижный заряд выталкивается из области перехода электрическим полем. Поэтому сопротивление p-n-перехода значительно выше, чем сопротивление n- и p-областей.