Лекция №27. Электронно-дырочный переход и его свойства”.
Основным элементом полупроводниковых приборов является электронно-дырочный переход или р – n переход. Он представляет собой тонкий слой на границе между двумя областями одного и того же кристалла, отличающимися типом примесной проводимости. Для изготовления такого перехода берут, например, монокристалл из чистого германия с электронным типом проводимости (обусловленным ничтожными остатками примесей)15. В вырезанную из кристалла тонкую пластинку вплавляют с одной стороны кусочек индия. Во время этой операции, которая осуществляется в вакууме или в атмосфере инертного газа, атомы индия диффундируют в германий на некоторую глубину. В той области, в которую проникают атомы индия, проводимость германия становится дырочной. На границе этой области возникает р – n переход.
При помощи рисунка 27.1 разберём процесс образования р – n перехода. В р-области основными носителями тока являются дырки, образовавшиеся в результате захвата электронов атомами примеси. Сами атомы акцепторной примеси становятся при этом отрицательными ионами. Кроме того, в этой области имеется небольшое число неосновных носителей – электронов. Они образуются вследствие теплового движения атомов германия (этот процесс немного увеличивает и число дырок). В n-области основные носители тока – электроны, отданные атомами донорной примеси. Атомы донорной примеси при этом превращаются в положительные ионы. Разрыв ковалентных связей за счет теплового движения приводит к образованию небольшого числа дырок – неосновных носителей для этой области. Диффундируя во встречных направлениях через пограничный слой, дырки и электроны рекомбинируют друг с другом. Поэтому р – n переход оказывается сильно обедненным носителями тока и приобретает большое сопротивление. Одновременно на границе между областями возникает двойной электрический слой, образованный отрицательными ионами акцепторной примеси, заряд которых теперь не компенсируется дырками, и положительными ионами донорной примеси, заряд которых теперь не компенсируется электронами. Электрическое поле в этом слое направлено так, что оно противодействует дальнейшему переходу через слой основных носителей электрического заряда. Электрическое поле в области р – n перехода ширины ℓ создаёт на этой длине разность потенциалов в несколько десятых вольта. Такую разность потенциалов электроны и дырки могут преодолеть лишь при очень высокой температуре, порядка тысяч градусов, поэтому контактный слой является для носителей тока запирающим слоем, имеющим повышенное сопротивление. Таким образом, р – n переход – это область на границе полупроводников с разным типом проводимости в которой возникает контактное электрическое поле. Р – n переход обладает свойствами: 1) сопротивление р – n перехода велико, 2) ширина слоя р – n перехода ℓ мала и имеет порядок 10-7 м, 3) контактная разность потенциалов в слое имеет порядок 0,1 В (для обычно применяемых в радиотехнике полупроводников).
Действие внешнего электрического поля существенным образом влияет на сопротивление запирающего слоя. Предположим, что полупроводник n-типа подключен к отрицательному полюсу источника, а плюс подан на полупроводник р-типа (рисунок 27.2). Тогда под действием электрического поля электроны в n-полупроводнике перемещаются к границе раздела полупроводников. Дырки в р-полупроводнике под действием того же поля движутся навстречу электронам также к этой границе. При таком пропускном (прямом) направлении тока в полупроводнике толщина запирающего слоя будет непрерывно уменьшаться. Электроны, переходя границу, «заполняют» дырки, и в пограничном слое происходит рекомбинация электронов с дырками. Граница р – n перехода не будет представлять сопротивления для тока, вызываемого внешним напряжением. Это напряжение необходимо только для того, чтобы поддерживать встречное движение электронов и дырок. Сужение запирающего слоя означает, что его сопротивление уменьшается, а через полупроводник идёт большой ток. Включение изображённое на рисунке 27.2 называют прямым включением р-n перехода, а ток идущий через него прямым током.
Если
изменить полярность приложенного к
полупроводникам напряжения (рисунок
27.3), дырки в р-полупроводнике
и электроны в n-полупроводнике
будут перемещаться от границы раздела
в противоположные стороны. В этом случае
около границы раздела будет увеличиваться
ширина запирающего слоя ℓ, в котором
концентрация подвижных носителей тока
– электронов и дырок – будет значительно
меньше, чем в остальном объеме
полупроводника. В области, обедненной
подвижными зарядами, будет возрастать
двойной электрический слой неподвижных
зарядов противоположного знака. В
полупроводнике р-типа
вблизи границы будут находиться частицы,
заряженные отрицательно. По другую
сторону от границы в n-полупроводнике
соберутся положительно заряженные
частицы.
Чем
больше будет приложенное запирающее
напряжение, тем шире двойной слой,
обедненный подвижными носителями тока,
и вследствие этого тем больше сопротивление
такого слоя. В этом случае через р-n
переход пойдёт слабый ток. Этот ток
обусловлен собственной проводимостью
полупроводников. Внешнее поле способствует
переходу через запирающий слой неосновных
носителей тока: свободных электронов
из дырочного полупроводника в электронный
и дырок из электронного полупроводника
в дырочный. Но концентрации свободных
электронов в дырочном полупроводнике
и дырок в электронном полупроводнике
весьма малы. Поэтому и ток будет
пренебрежимо мал. Включение изображённое
на рисунке 27.3 называют обратным
включением р-n
перехода, а ток идущий через него обратным
током.
Мы
выяснили, что запирающий слой обладает
односторонней проводимостью. В результате,
если приложить к р-n
переходу переменное напряжение, то ток
будет протекать только в одном направлении,
будет осуществляться выпрямление тока.
В технических устройствах для выпрямления
тока используют полупроводниковые
диоды. Диодом
называют полупроводниковый прибор с
одним р-n
переходом Они гораздо проще в конструкции
и надёжнее в работе, чем электронная
лампа. Полупроводниковые диоды могут
иметь очень малые размеры (порядка 1 см
и менее), не нуждаются в нагреве (нет
накала), механически просты. Конструктивную
схему диода и его условное обозначение
можно видеть на рисунке 27.4. Основная
деталь диода – это его монокристаллическая
пластинка кремния 5, к одной из сторон
которой приварена капля индия 4. В
результате в пластинке, образовался
электронно-дырочный р-n
переход. Пластинка кремния припаяна
оловом к основанию металлического
корпуса 6, который защищает кристалл от
внешних воздействий. Один контактный
выход 7 соединён с пластинкой кремния,
второй контактный выход 1 – с каплей
индия 4. Он проходит в металлической
трубке, вплавленной в стеклянный изолятор
3. Зависимость силы тока через
полупроводниковый диод от приложенного
напряжения изображена на рисунке 27.5.
Ветвь кривой ОА соответствует прямому
току, ветвь ОВ – слабому обратному току
собственной проводимости полупроводника.
1 Атомы не являются пределом делимости вещества, а представляют собой весьма сложное образование, состоящее из электрически заряженного ядра, окружённого отрицательно заряженной оболочкой.
2 Цветочная пыльца, взвешенная в воде.
3 Наши занятия не предусматривают строгий вывод этого уравнения.
4 Здесь учитываются только поступательные и вращательные степени свободы, а колебательные степени свободы при обычных температурах «заморожены», так как их характерные температуры гораздо выше комнатных.
5 Макроскопический объект (физическое тело), который может обмениваться энергией, как с другим телом, так и с внешней средой.
6 В том случае, если над системой совершается работа, то полная энергия равна Q+А.
7 Следует учитывать и давление искривлённой поверхности (давление Лапласа РЛ=2/R).
8 Такие частицы создают в газах очень мало ионов и в камере Вильсона их след не виден
9 Движение поршня должно быть медленным, так как процесс испарения и конденсации сопровождается изменением температуры
10 Дьюар сконструировал специальные стеклянные сосуды с двойными стенками, из внутреннего пространства между которыми выкачан воздух. Таким способом устраняется теплообмен содержимого сосуда с внешней средой. Для уменьшения нагревания излучением стенки делаются зеркальными.
11 Полем математики называют величину, значение которой зависит от положения (в общем случае от времени). Примеры полей: скалярное (числовое) поле температуры нагретого тела Т(х,y,z;t), определяющее распределение температуры по объёму тела в зависимости от времени. Электрическое поле Е(x,y,z), создаваемое неподвижными зарядами, не зависит от времени и определяется через силу, действующую на пробный заряд.
12 Сила, с которой система зарядов действует на некоторый не входящий в систему заряд, равна векторной сумме сил, с которой действует на данный заряд каждый из зарядов в отдельности.
13 Наше рассуждение справедливо для любого конденсатора. В любом конденсаторе всё поле сосредоточено между его обкладками, поэтому заряд, индуцированный на второй обкладке, всегда равен по модулю и противоположен по знаку заряду, помещённому на первую обкладку.
14 Термоэлектронная эмиссия - испускание электронов нагретыми твердыми телами или жидкостями. Термоэлектронную эмиссию можно рассматривать как испарение электронов из эмиттера. В большинстве случаев термоэлектронная эмиссия наблюдается при температурах значительно выше комнатной.
15 Если германий нагреть до 850 °С и затем быстро охладить, то его проводимость будет носить дырочный характер. Если тот же самый образец отжечь в течение нескольких часов при 450 °С, то он приобретает электронную проводимость.
2007 г.
страница