Собственная проводимость полупроводников, эффект Холла 


Мы поможем в написании ваших работ!



ЗНАЕТЕ ЛИ ВЫ?

Собственная проводимость полупроводников, эффект Холла



 

К чистым п\п относятся: Si, Ge, соединения элементов 3 и 5 группы, 2 и 4. Для большинсва чистых п\п ширина запрещеной зоны 1-2 эВ.

Т. О, в чистом п\п без примесей и дефектов собственная проводимость обусловлена движением электронов в зоне проводимости и движением дырок в валентной зоне. Такая проводимость называется электронно-дырочной.

Подвижность – физическая велчина, измеряемая скоростью направления движения, которую приобретают заряженные частицы в поле напряжений.

Эффект Холла. Эффект Холла непосредственно свзан с подвижностью и концентрацией заряда. А знак ЭДС Холла зависит ит знака заряда. Поэтому эффект Холла широко применяют при исследовании электрических свойст различных материалов, а так же для контроля качества п\п материалов, идущих на изготовление приборов.

Эффект Холла состоит в наведении разности потенуиалов в прямоугольном твердотельном образце, по которому течет ток плотностью J, есл этот образец помещен в магнитное поле с индукцией В, направленной перпендекулярно к боковой грани образца. В этом случае на движение зарядов в магнитном поле действует сила Лоренца. Под действием этой силы заряды будут смещаться, заряжая верхгюю и нижнюю плоскости образца зарядами, противоположными по знаку, что приводит к возникновения электрического поля напряженностью Е.

 

11. Примесная проводимость

В п\п n-типа электроны, находящиеся на донорном уровне уже при незначительном увеличение температуры, за счет малой энергии активации переходят в зрну проводимости. Для п\п n-типа энергия активации определяется разностью энергии донорного уровня и дна зоны проводимости.

В п\п р-типа, за счет перехода электронов валентной зоны на акцепторный уровеньобразуется избыточное числ дырок.

Величина обратная удельной проводимости называется удельным сопротивлением.

Проводимость определяется выраженим:

Или

Сопротивление определяется выражением:

Для п\п\ n-типа можно это выражение записать как:

Где n-типа в условиях полной ионизаци доноров равной концентрации свободных электронов.

 

12. Электрические токи в полупроводниках: диффузионный ток

В п\п направленный перенос свободных зарядов осуществляется за счет двух механизмов: дрейфового и дифуззионного тока.

Диффузионный ток. под действием разности концентрации, пропорциональной градиенту концентрации носителей заряда возникает диффузионный ток (по закону Фике).

Пространственный перенос зарядов посредством диффузии осуществляется из того места, где их концентрация выше, в то место, где их концентрация ниже, т.е. в сторону, противоположную направлению градиента концентрации. Поэтому в математические выражения диффузионного потока градиент концентрации всегда входит со знаком минус. Основным законом диффузии в неподвижной среде является закон Фике, согласно которому диффузионный поток пропорционален градиенту концентрации. Коэффициентом пропорциональности служит коэффициент диффузии D⎡⎣см2 с⎤⎦ Плотности диффузионных потоков и диффузионных токов дырок иэлектронов будут равны соответственно:

Диффузионные токи имеют противоположные направления. Хотя под действием градиента концентрации электроны и дырки диффундируют в одном и том же направлении, однако в силу разных знаков зарядов создаваемые ими диффузионные токи противоположны.

Таким образом,

диффузионный дырочный ток всегда совпадает с направлением диффузии и противоположен направлению градиента концентрации дырок,

диффузионный электронный ток всегда противоположен направлению диффузии и совпадает с направлением градиента концентрации

электронов (из-за отрицательного заряда электрона) (рис. 1.26).

Анализируя диффузионные токи, мы полагали, что по умолчанию диффузионные потоки одинаково направлены.

Диффузионные токи характерны для полупроводников и отсутствуют в металлах. Причина в том, что в металлах, где много высокоподвижных свободных электронов, нельзя создать пространственно разнесённые области с различающейся плотностью свободных зарядов. В полупроводниках СНЗ значительно меньше. Концентрации электронов и дырок могут изменяться в широких пределах при постоянной суммарной концентрации зарядов

 

 

13. Электрические токи в полупроводниках: дрейфовый ток

Дрейфовый ток. возникает в электрическом поле под действием разности потенциалов, пропорционально градиенту потенциалов.

Градиент – вектор, своим направлением указываеющий наискорейшее возрастание некоторой величины, направление которое меняется от одной точки к другой, а по модулю равен быстроте роста этой величины в этом направлении.

В электрическом поле дырки движутся (дрейфуют) по направлению вектора напряжённости. По физическому смыслу напряжённость есть сила, действующая на положительный единичный заряд. Отрицательные электроны движутся в электрическом поле в противоположном направлении.

Воздействие электрического поля на электрон в вакууме приводит его в состояние равномерно-ускоренного прямолинейного движения. Иной характер движения наблюдается в кристалле.

Особенности дрейфа в полупроводнике обусловлены тем, что носители заряда, ускоряясь в электрическом поле, приобретают дополнительную энергию и в процессе движения отдают её решётке. Двигаясь в кристалле, электрон испытывает столкновения с колеблющимися узлами кристаллической решётки, дефектами периодической структуры, рассеяние на ионизированных атомах примеси и т.д. Из-за этого при сохранении среднего направления дрейфа траектория электрона приобретает вид кусочно-ломанной кривой, в узлах которой электрон практически теряет свою энергию, а затем опять ускоряется (рис.1.28).

Тем не менее, в умеренных полях средняя скорость дрейфа прямо пропорциональна напряжённости электрического поля

Коэффициентом пропорциональности является подвижность электронов или дырок

Численно подвижность равна скорости дрейфа, которую приобретает электрон в единичном поле

Для определения плотности дрейфового потока дырок выделим в потоке дырок трубку тока, представляющую собой прямой круглый цилиндр, образующая которого совпадает с направлением скорости потока (вектора напряжённости электрического поля), а площадь основания равна 1 см2 (рис. 1.29).

 

За секунду выделенное штриховкой основание цилиндра пересекут все дырки, отстоящие от основания не далее расстояния, численно равного скорости дрейфа (пути, пройденному за единицу времени), т.е. находящиеся в объёме, равном .Поэтому плотность потока прошедших дырок, равна произведению концентрации дырок на объём выделенной трубки тока Аналогично, плотность потока электронов будет равна Знак минус учитывает противоположное направление дрейфовой скорости электронов.

Проведённый вывод является обоснованием ранее сделанного утверждения о том, что независимо от механизмов переноса и особенностей движения плотность потока частиц равна произведению концентрации на среднюю скорость потока.

Тогда плотности дырочных и электронных дрейфовых токов будут равны соответственно:

 

 

 

 

Эти соотношения раскрывают выражения для дрейфового тока.

Таким образом,

1) электронный и дырочный дрейфовые токи всегда имеют одинаковое направление, совпадающее с направлением вектора напряжённости электрического поля (по-

тока дырок) (рис. 1.30).

2) при этом дырочный дрейфовый ток всегда совпадает с направлением дырок, а электронный дрейфовый ток, противоположен направлению дрейфа электронов (из-за отрицательного заряда электронов).

В случае биполярной проводимости электронная и дырочная составляющие дрейфового тока суммируются:

14.

 

Где

Из выражения для плотностей электронно-дырочной следует, что управление дрейфовыми токами сводится к управлению напряжённостью (потенциалом) электрического поля. В

частности, ниже будет показано, что управлять дрейфовым током при данном напряжении в конкретном полупроводниковом образце можно также посредством изменения его геометрических размеров. Управление диффузионным током сводится к управлению градиентами концентраций носителей заряда. Определение градиентов требует знания пространственного распределения концентрации носителей. Таким образом, хотя оба

тока являются токами проводимости, способы управления существенно различаются. Правда, в конечном счёте, управление обоими токами производится с помощью напряжения, поскольку градиенты концентрации также зависят от приложенного напряжения.

 

P-n переход и его свойства

 

p-n -Перехо́д или электронно-дырочный переход — область пространства на стыке двух полупроводников p- и n-типа, в которой происходит переход от одного типа проводимости к другому.

 

Определяющее свойство р-n-пере­хода – его односторонняя проводимость.

Упрощенно механизм односторонней проводимости можно объяснить следующим образом, рисунок ниже:

Так как в области р с дырочной проводимостью подвижных электронов значительно меньше, чем в области п с элект­ронной проводимостью, то электроны из n-слоя начинают переходить в р-слой (у их границы), а дырки в то же время будут двигаться в обратном направлении. При этом элект­рическая нейтральность каждой области окажется нару­шенной. В пограничном слое с проводимостью типа а образуется положительный объемный заряд, а в р-области, то есть по другую сторону границы,— отрицательный. Таким образом, в тонком слое полупроводника у границы раздела р- и n-областей образуются две зоны объемных разноименных электрических зарядов. Этот слой и пред­ставляет собой собственно р-n-переход. Естественно, возникновение разноименных зарядов влечет за собой появле­ние электрического поля. Это поле препятствует проник­новению электронов в р-область, а дырок в «-область, причем настолько эффективно, что лишь отдельные элект­роны и дырки, обладающие повышенной энергией, могут преодолевать его тормозящее действие. Наступает стабиль­ное состояние р-n-перехода.

Если к полупроводнику приложить электрическое на­пряжение, то в зависимости от полярности этого напряже­ния р-n-переход проявляет совершенно различные свойства.

Когда отрицательный полюс источника подключен к n-области кристалла, а положительный — к р-об­ласти:

внешнее электрическое поле и поле р-n-перехода направлены в противоположные стороны. Поэтому электрическое поле р-n-перехода окажется в зна­чительной степени ослабленным, и теперь уже электроны из n-области смогут проникать в р-область, а дырки из р-области в n-область. Таким образом, в цепи источник питания — полупроводник возникает ток. Полярность приложенного напряжения, при которой через полупроводник протекает ток (как в описанном случае), получила назва­ние прямой полярности. Когда же отрицательный полюс источника питания подключен к р-области кристалла, а по­ложительный к n-области:

электрические поля источника и р-n-перехода совпадают. Суммарное поле возрастает и в еще большей степени (чем до присое­динения источника питания) будет препятствовать передвижению электрических зарядов через р-n-переход. Если рассматривать идеальный случай, то электрического тока через переход не будет. Такую полярность приложенного к кристаллу напряжения называют обратной.

Итак, с определенной долей приближения можно счи­тать, что электрический ток через р-n-переход проте­кает, если полярность напряжения источника питания прямая, и, напротив, тока нет, когда полярность обратная.

 

 


 

 



Поделиться:


Последнее изменение этой страницы: 2016-04-19; просмотров: 676; Нарушение авторского права страницы; Мы поможем в написании вашей работы!

infopedia.su Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав. Обратная связь - 34.237.140.238 (0.021 с.)