Электропроводность полупроводников.

Электропроводность полупроводников.

Полупроводником называют материал, удельное сопротивление которого при комнатной температуре в пределах 10^-5 – 10^10 Ом/см.

ПП занимают промежеточное положение между металлами и диэлектриками.

Теория ПП основана на неории электропроводности, согластно которой атом в-в состоят из ядра окруженного оболочками — траекториями электронов. Электрон находится в движении на растоянии от ядра в пределах слоев (оболочек). Определяется энергией каждых из слоев, можно поставить энергетический уровень, чем дальше электрон тем выше уровень. Согласно энергетическому спектру, если электрон переходит с одного уровня на другой то выделяется либо поглощается квант энергии.

Для ПП характкрно наличие кристалической решетки с ковалентной связью.

Классификация по уровням РЗ и ЗЗ

1) Металл |ЗП | ВЗ|

2) ПП |ЗП | ЗЗ(0.1 — 0.6 эВ) | ВЗ|

3) Диэлектрик |ЗП | ЗЗ(>6 эВ) | ВЗ|

Зона проводимости (ЗП) совокупность уровней куда могут перходить элекнроны в процессе взаимодействия атомов.

У ПП при некотором значении температур часть электроной приобретают энергию тепла и они оказываются в ЗП, а если электрон покинет валентную зону (ВЗ), то образуетмся свободный энергетический уровень — вакантное место (дырка).

И так в ПП имеются свободные электроны и дырки и соответсвующая электропроводность, обуславливающая движение электронов - электронная.

А электропроводность обуславливающая движение дырок — дырочная.

У ПП при температуре не равной 0 К образуется парное движение электронов и дырок.

Движение зарядов обуславливается тепловой энергией.

В теле ПП происходит генерация и рекомбинация зарядов, при чем промежуточное время между генерацией и рекомбинацией называют временем жизни носителей заряда, а расстояние пройденое носителем за время жизни длинной.

 

Удельная проводимость ПП

Под действием внешнего поля в ПП по закону электродинамики начитается движение зарядов (отриц.- к полож контакту; полож -к отриц контакту.)(изобр рисунок).

Плотность токов определяется величиной заряда, удельной концентрацией и проводимостью

Jn b Jp – плотность электронов и дырок

Мю_n и мю_p — подвижность электронов и дирок

n и p – концентрация электронов и дырок

qn — -1.6x10^-19 Кл и qp — +1.6x10^-19 Кл

- ток дрейфа

Удельная проводимость.

E – напряженность.

 

Примесная проводимость

Установлено, что электропроводность существенно зависит от примесей (акцепторной и донорной). Название этих примесей определяется каким образом замещаются атомы кристаллической решетки.

1)Валентность примеси меньше, чем у основного материала (Ge + In). В этом случае, чтобы образовать кристаллическую решетку индий «отбирает» электрон у германия. Отметим, что индий отбитая электрон связывает германий в ковалентную связь и образуется дырка, те положительно заряженный германий. Такой вид примеси называется акцепторный. Электропроводность — дырочная, а ПП p- типа.

2) Валентность примеси больше валентности основного материала (Ge + Сурьма). В этом случае появляется свободный электрон, связи ковалентные. Донорная примесь. Электропроводность — электронная, а ПП n- типа.

 

Зонная диаграмма ПП с донорной примесью

Валентность примеси больше валентности основного материала (Ge + Сурьма). В этом случае появляется свободный электрон, связи ковалентные. Донорная примесь. Электропроводность — электронная, а ПП n- типа.

 

Eс — уровень энергии дна зоны проводимости

Еv — уровень энергии потолка зоны проводимости

Ед — уровнь энергии донорной примеси.

 

Электрические переходы между двумя различными материалами

Это граничный слой между двумя областями материалов физические характеристики которых различны.

Переходы могут быть pn- переходы (электронно-дырочные); n+n- переходы (электронно-электронные, с различными концентрациями); p+p (гетеропереходы имеют различную ширину ЗЗ); p-i (проводимость в одной зоне собственная а в другой примесная); n-i; p-i-n; металл-ПП.

Электрические переходы образуются не механическим соединением, а по специальным технологиям

Процессы в p-n-переходе.

Это электронной переход ПП имеющих различный тип проводимости, (если концентрации зарядов p и n равны то переход симметричный).

В виду того что концентрации дырок больше, то дырки попадают из n в p область рекомбинируют и создают в приграничной области повышенное концентрацию положительных зарядов. Электроны при переходе рекомбинируют с дырками, создавая повышенную концентрацию отрицательных зарядов.

В результате на границе раздела образуется система 2 зарядов в области n- система положительных зарядов, а в области p- систему отрицательных зарядов.

Область образовавшихся зарядов называют областью pn-переход. В этой области концентрация основных носителей заряда понижена, следовательно удельное сопротивление в pn области выше, чем в других областях. Результирующий ток равен нулю.

Поле созданное в области pn перехода препятствует проходу основных зарядов и не препятствует проходу других зарядов.

Uk — контактная разность потенциалов. Принято: Ge – Uk=(0.32-0.4) В; Si – Uk=0.7 B.

ВАХ pn-перехода

Нарисовать ВАХ.

Емкость pn- перхода

При рассмотрении pn- перехода устанавливается, что толщина перехода дулируется, при этом по обе стороня границы имеются электрические заряды, от сюда следует, что имеются границы pn перхода как обкладки конденсатора.

Различают 2 составляющих емкости:1) барьерная — распределяется в pn перходе; 2) диффузионная — распространяется в близи пререхода.

При прямом смещении проявляется диффузионная емкость, а при обратном - - барьерная.

n =(2..3) в зависимости от вида перехода.

По структуре видно, что с увеличением обратного напряжения барьерная емкость уменьшается. Диффузионная емкость значительно ниже барьерной и очень слабо зависит от напряжения, поэтому в электронике применяется барьерная емкость.

Пробой pn перхода.

Пробой - значительное уменьшение сопротивления преходя при обратном смещении сопровождается возрастанием обратного тока.

Виды: тунельный, лавинный и тепловой.

Туннельный происходит в следствии развития туннельного эффекта.

Туннельный эффект — прохождение электрона через потенциальный барьер ВЗ одного ПП в ВЗ другого.

Туннельный эффект можно создать если напряжение электрического поля возрастет на столько, что возможен переход электронов из ЗП одного ПП в ЗП другого Е = 10^5 В/см

Туннельный пробой обратим.

Лавинный — ударной ионизацией когда напряжение электрического поля при обратном смещении достигает больших значений, при этом не основные носители заряда ускоряются на столько, что при соударении с атомом ионизируют их. Величина тока ограничена внешним сопротивлением. Обратим.

Тепловой — возникает если от pn перехода необеспечен должный теплоотвод тепла. Необратим. Возникает в результате разогрева pn перехода, когда кол-во тепла в переходе больше отводимого.

 

Уравнения Эберса-Молла

Используются идеальные элементы

В схеме замещения alpha_i — коэф передачи тока при инверсном включении; alpha_N — нормальное включение.

Используя эквивалентную схему можем записать систему характеризующую эту схему

Токи через pn переход можно записать через так называемые токи насыщения

При этом оказывается, что токи насыщения можно выразить через обратные токи одного перехода.

Учитывая это условие можно получить систему выражений для тока эммитера, коллектора и базы. Эта система уравнений получила называние Эберса-Молла.

Электропроводность полупроводников.

Полупроводником называют материал, удельное сопротивление которого при комнатной температуре в пределах 10^-5 – 10^10 Ом/см.

ПП занимают промежеточное положение между металлами и диэлектриками.

Теория ПП основана на неории электропроводности, согластно которой атом в-в состоят из ядра окруженного оболочками — траекториями электронов. Электрон находится в движении на растоянии от ядра в пределах слоев (оболочек). Определяется энергией каждых из слоев, можно поставить энергетический уровень, чем дальше электрон тем выше уровень. Согласно энергетическому спектру, если электрон переходит с одного уровня на другой то выделяется либо поглощается квант энергии.

Для ПП характкрно наличие кристалической решетки с ковалентной связью.

Классификация по уровням РЗ и ЗЗ

1) Металл |ЗП | ВЗ|

2) ПП |ЗП | ЗЗ(0.1 — 0.6 эВ) | ВЗ|

3) Диэлектрик |ЗП | ЗЗ(>6 эВ) | ВЗ|

Зона проводимости (ЗП) совокупность уровней куда могут перходить элекнроны в процессе взаимодействия атомов.

У ПП при некотором значении температур часть электроной приобретают энергию тепла и они оказываются в ЗП, а если электрон покинет валентную зону (ВЗ), то образуетмся свободный энергетический уровень — вакантное место (дырка).

И так в ПП имеются свободные электроны и дырки и соответсвующая электропроводность, обуславливающая движение электронов - электронная.

А электропроводность обуславливающая движение дырок — дырочная.

У ПП при температуре не равной 0 К образуется парное движение электронов и дырок.

Движение зарядов обуславливается тепловой энергией.

В теле ПП происходит генерация и рекомбинация зарядов, при чем промежуточное время между генерацией и рекомбинацией называют временем жизни носителей заряда, а расстояние пройденое носителем за время жизни длинной.

 

Удельная проводимость ПП

Под действием внешнего поля в ПП по закону электродинамики начитается движение зарядов (отриц.- к полож контакту; полож -к отриц контакту.)(изобр рисунок).

Плотность токов определяется величиной заряда, удельной концентрацией и проводимостью

Jn b Jp – плотность электронов и дырок

Мю_n и мю_p — подвижность электронов и дирок

n и p – концентрация электронов и дырок

qn — -1.6x10^-19 Кл и qp — +1.6x10^-19 Кл

- ток дрейфа

Удельная проводимость.

E – напряженность.

 

Примесная проводимость

Установлено, что электропроводность существенно зависит от примесей (акцепторной и донорной). Название этих примесей определяется каким образом замещаются атомы кристаллической решетки.

1)Валентность примеси меньше, чем у основного материала (Ge + In). В этом случае, чтобы образовать кристаллическую решетку индий «отбирает» электрон у германия. Отметим, что индий отбитая электрон связывает германий в ковалентную связь и образуется дырка, те положительно заряженный германий. Такой вид примеси называется акцепторный. Электропроводность — дырочная, а ПП p- типа.

2) Валентность примеси больше валентности основного материала (Ge + Сурьма). В этом случае появляется свободный электрон, связи ковалентные. Донорная примесь. Электропроводность — электронная, а ПП n- типа.