Электропроводность полупроводников.

Лекция 1.

Полупроводник p -типа.

Полупроводник p-типа получают путём введения в собственный, 4-валентный полупроводник 3-валентной примеси. Каждый атом такой примеси отбирает электрон от соседнего собственного атома, создавая дырки. Такая примесь – акцепторная. Плоская модель кристаллической решетки:

      

Два основных носителя заряда:

                  

Для создания полупроводниковых приборов используются в основном примесные полупроводники, так как их проводимость определяется концентрацией примеси, а не температурой, освещенностью и так далее.

Токи в полупроводниках. Дрейф и диффузия.

В полупроводнике возможны два механизма движения электрических зарядов:

1) Дрейф - движение носителей заряда под действием электрического поля.

 

Ток, возникающий под действием электрического поля – дрейфовый. Рассмотрим плотность такого тока:

I_др = I_{n др} + I_{p др} = е·n·μ_n·E + e·p·μ_p·E = (e·n·μ_n + e·p·μ_p)E, где

δ=(e·n·μ_n + e·p·μ_p) – удельная полу проводимость полупроводника,

e: +e – заряд дырки, -e – заряд электрона, n,p – концентрация электронов и дырок соответственно.

2) Диффузия – движение свободных носителей заряда под действием их градиента концентрации, то есть под действием сил, возникающих из-за их неравномерного распределения по объему проводника.

 

                    

Знак “-“ говорит о том, что движение направлено в сторону с меньшей концентрацией. D – коэффициент диффузии, аналог подвижности. dn/dx – градиент концентрации равный grad n.

 

                                

 

Процесс диффузии характеризуется двумя основными параметрами:

1) τ_n - время жизни избыточных, неравновесных носителей заряда. Если в какой-либо области проводника создать избыточную концентрацию, а затем устранить причину её создавшую, то под действием сил диффузии, избыточная концентрация начнёт убывать, до выравнивания по всему объёму. Время, за которое n₀ убывает в e раз (время за которое произойдет выравнивание), называется временем жизни неравновесных зарядов.

 

2) Диффузионная длина L_n – расстояние, на которое проникают избыточные заряды за счет диффузии.

Электрические переходы.

Переходный слой между двумя областями полупроводника, обладающими различными электрическими свойствами называется электрическим переходом.

Различают следующие переходы:

1) p-n-переход – переходной слой между областями с разным видом проводимости.

 

2) Электронно-электронный

                                         

 

Дырочно-дырочный

                             

Переходный слой между областями с различной концентрацией примеси (+ - с высокой концентрацией).

3) Металло-полупроводниковый. В зависимости от соотношения между работами выхода металла и полупроводника на границе «металл-полупроводник» (A_Me > < A_п/п) возникает два вида переходов:

а) Омический контакт – переходной слой, обладающий малым сопротивлением, независимо от полярности напряжения на нем. Используется для проведения электрических сигналов к полупроводникам.

б) Выпрямительный контакт – такой электрический переход обладает односторонней проводимостью и применяется в диодах Шотки.

 

Лекция 2.

Образование p- n-перехода в равновесном состоянии.

 

                             

На границе p и n областей имеет место градиент концентрации свободных носителей зарядов. За счет диффузии электроны из n области переходят в p и рекомбинируют (взаимоуничтожаются) там с дырками. Дырки переходят из n в p, рекомбинируя с электронами. В результате вблизи границы в p-области возникает отрицательный заряд, образованный ионами акцепторной примеси, а в n – положительный заряд, образованный ионами донорной примеси. Между зарядами возникают разность потенциалов «φ_к» и электрическое поле с напряженностью Е_к. Это поле препятствует диффузии свободных носителей заряда из глубины p и n областей через p-n-переход.

Область, объединенная свободными носителями заряда на границе p-n областей – p- n-переход.

P-n-переход считается равновесным, если отсутствует внешнее напряжение, приложенное к нему. В равновесном состоянии через p-n-переход движутся два встречных потока зарядов (два тока):

1. Дрейфовый ток неосновных носителей заряда

2. Диффузионный ток, связанный с основными носителями заряда.

 

Так как внешнее напряжение отсутствует, то эти токи взаимоуравниваются, и результирующий ток через p-n-переход равен «0».

I_pn = I_диф + I_др = 0.

Это соотношение называют условием динамического равновесия токов в p- n-переходе.

ВАХ p- n-перехода.

       Зависимость тока через p-n-переход от напряжения на нем:I=f(U) равна:

 

                  

           

                  

       Главное свойство p-n-перехода – односторонняя проводимость. ВАХ p-n-перехода обладает выпрямительными свойствами.

       I_пр>>I_обр, что тождественно R_пр<<R_обр

 

Емкости p- n-перехода.

Способность p-n-перехода накапливать электрический заряд, свидетельствует о том, что он обладает ёмкостью. Различают две емкости p-n-перехода: диффузионную и барьерную.

 

                             

 

1.C_бар – барьерная емкость образуется неподвижными ионами примесей. Характеризуется перераспределением заряда в запертом p-n-переходе. Величина этой ёмкости зависит от U_обр на p-n-переходе. Она является преобладающей при обратном смещении:

                                          ,где , емкость при

U=0, ν=1/2-1/3, зависит от способа изготовления p-n-перехода:

 

                                          , где S_p-n – площадь p-n.

 

       2.Диффузионная ёмкость: преобладает при прямом смещении p-n-перехода и характеризуется перераспределением зарядов вблизи p-n-перехода при протекании прямого тока.

       , где τ_n- время жизни неосновных носителей заряда.

                                         

 

       С_диф>>C_бар, но на практике почти не используются, так как имеет малую добротность, поскольку параллельно ей включено сопротивление p-n-перехода смещённого в прямом направлении, величина которого мала.

 

Лекция 3.

Пробой p- n перехода.

Согласно ВАХ, I_обр=I₀ остается постоянным, не зависящим от обратного напряжения, однако при достаточно большом U_обр наблюдается резкое возрастание I_обр – это называется пробоем p - n -перехода, а напряжение, при котором это происходит, напряжением пробоя.

Пробои делятся на:

1) Тепловой.

2) Электрический, который в свою очередь делится на туннельный и лавинный (без перегрева).

                                         

 

1) Электрический пробой обратимый, т.е. после уменьшения величины обратного напряжения p-n-переход принимает свои первоначальные выпрямительные свойства.

       Лавинный пробой происходит из-за лавинного размножения неосновных носителей слабо легированных “широких” p-n-переходов. При достаточно большой напряжённости электрического поля электроны достигают скоростей, при которых выбивают из атома полупроводника валентные электроны, которые в свою очередь выбивают новые. Этот процесс происходит лавинообразно.

       Туннельный пробой происходит в сильно легированных “узких” p-n-переходах, и состоит в отрыве под действием сильного электрического поля валентных электронов, в результате которого в объёме p-n-перехода образуется электронная дырка.

2) Тепловой пробой, необратимый, он сопровождается разогревом p-n-перехода обратным током. При повышении температуры p-n-перехода число неосновных носителей заряда возрастает. Это приводит к увеличению J_обр, что приводит к ещё большему разогреву p-n-перехода. Разрушается (расплавляется) кристаллическая решетка, электрические свойства не восстанавливаются.

 

Полупроводниковые диоды.

 

       Полупроводниковый диод – объём полупроводника с одним p-n-переходом и двумя выводами. Большинство диодов выполняются на основе несимметричных p-n-переходов. Одна из областей диода высоко легированная, называется эмиттер, другая слабо легированная – база. Несимметричный p-n-переход размещается в базе.

                   Обозначения полупроводника диода.

                  

 

ВАХ идеального диода совпадает с ВАХ p-n-перехода:

                                         

       В реальном диоде прямая и обратная ветви отличаются от идеальных. При прямом смещении необходимо учитывать объёмное сопротивление областей базы и эмиттера диода. Это приводит к тому, что ВАХ прямая ветвь смещается вправо и зависит линейно от приложенного напряжения. Обратная ветвь диода зависит от величины обратного напряжения, т.е. наблюдается рост обратного тока. Это объясняется:

1.Генерационно-рекомбинационными процессами в p-n-переходах.

2.Наличием тока утечки.

 

       ВАХ реального диода.

 

                   , где R₀ – объёмное сопротивление базы эмиттера.

 

                             

 

                                      Эквивалентная схема диода при больших                                    напряжениях.

R_б>>R_э

R_en-сопротивление поверхности

p-n-перехода между двумя областями

 

                                                     

 

Выпрямительные.

Импульсные.

Стабилитроны.

Варикапы.

Туннельные диоды.

Выпрямительные.

       Предназначаются для выпрямления низкочастотного переменного тока, и используются в источниках питания. Под выпрямлением понимают преобразование двухполярного тока, в однополярный. Поскольку выпрямительные диоды требуют больших величин выпрямленных токов, то все они имеют большую площадь p-n-перехода, а следовательно, и большие значения J_обр и C_p-n.

Лекция 1.

Электропроводность полупроводников.

Электропроводность – характеризует свойства материалов проводить электрический ток. Количественно она оценивается:

1) Удельной проводимостью вещества,

2) Концентрацией свободных носителей заряда (n).

В зависимости от способности материалов проводить электрический ток они делятся на три вида:

-  диэлектрики.(n≈10^-²) эл/см³

-  полупроводники.10¹²<n<10¹⁶ эл/см³

-  проводники(n≈10¹⁹эл/см³).

       Диэлектрики - вещества, которые практически не проводят электрический ток. Проводники – вещества, хорошо проводящие электрический ток. Полупроводники – вещества, нечто среднее между проводниками и изоляторами. Структура полупроводника напоминает кристаллическую решётку алмаза. Полупроводник имеет жёсткую структуру за счёт ковалентных связей между атомами. Важнейшим свойством полупроводников является сильная зависимость их проводимости от температуры окружающей среды, светового потока (Φ), примесей, ионизирующего облучения. Для создания полупроводниковых приборов используют следующие полупроводники:

1) 4-валентная группа (Ge(гелий), Si(кремний), AsGa(арсенид галия)),

2) 3-валентная группа (Al(алюминий),B(бор),In(индий)),

3) 5-валентная группа (P(фосфор), As(мышьяк), Sb(сурьма))

       Все полупроводники можно разделить на две группы:

1) Чистые, (собственные, беспримесные) или полупроводники i–типа. (Вещества, состоящие из атома одного сорта)

2) Примесные полупроводники. (Часть атомов одного сорта заменена на атомы другого сорта)

                                          Собственные полупроводники:

Атомы полупроводников располагаются в пространстве в строго определенном порядке, образуя кристаллическую решетку, которая возникает за счет обобществления атомами электронов соседнего атома (ковалентная связь).

                             

Рассмотрим плоскую модель 4-валентного полупроводника. В чистом полупроводнике, при температуре абсолютного нуля (Т=0 (по Кельвину)), все электроны уходят на образование ковалентной связи, свободных электронов нет, следовательно, полупроводник - диэлектрик. При повышении температуры электроны приобретают дополнительную энергию, и некоторые из них покидают свои ковалентные связи, становясь свободными. В результате образуются два носителя свободного заряда: электрон (отрицательный заряд) и то место, которое он покинул – дырка (вакансия). Дырка имеет положительный заряд, численно равный заряду электрона. (Рис 1). Итак, при повышении температуры, в полупроводнике появляются свободные носители зарядов, причем концентрация электронов в чистом полупроводнике равна концентрации дырок: n_i=p_i. Процесс образования свободного электрона и дырки называется генерацией электронно-дырочной пары. При движении электронов по объёму кристаллической решётки некоторые из них могут занимать место дырки. При этом электрон и дырка уничтожаются – это рекомбинация электронно-дырочной пары.

В полупроводниках i-типа n_i=p_i.

                              ,

где А – постоянный размерный коэффициент, К – постоянная Больцмана, Т – температура по Кельвину, ∆E_д0 – ширина запрещенной зоны – такая энергия, которую должен приобрести электрон, чтобы стать свободным.

∆E_д0 равна:

1) 0,8 эВ для Ge

2) 1,1 эВ для Si

3) 1,4 эВ для AsGa.

 

                  Примесные полупроводники:

Чистые полупроводники почти не используются, так как их проводимость сильно зависит от температуры. Их удобно использовать при создании термодатчиков. Для создания полупроводниковых приборов используются примесные полупроводники. Процесс введения примесей в полупроводник называется легированием, а примесные полупроводники – легированными. В зависимости от характера введенной примеси различают два типа примесных полупроводников: n-типа и p-типа.

                  Полупроводник n -типа.

Полупроводник n-типа получают путём введения в 4-валентный полупроводник атомов 5-валентной примеси. Каждый атом такой примеси создает один свободный электрон. Такая примесь – донорная. В результате введения такой примеси полупроводник имеет вид:

 

Электроны – основные носители, а дырки – неосновные. Примесный полупроводник – полупроводник с электронной проводимостью.

       В полупроводнике n-типа два основных носителя заряда.

      

 

Полупроводник p -типа.

Полупроводник p-типа получают путём введения в собственный, 4-валентный полупроводник 3-валентной примеси. Каждый атом такой примеси отбирает электрон от соседнего собственного атома, создавая дырки. Такая примесь – акцепторная. Плоская модель кристаллической решетки:

      

Два основных носителя заряда:

                  

Для создания полупроводниковых приборов используются в основном примесные полупроводники, так как их проводимость определяется концентрацией примеси, а не температурой, освещенностью и так далее.