Пропускное состояние p-n перехода (прямое включение p-n перехода)

М Физические процессы в полупроводниках.

Собственные и примесные полупроводники.

Вопросы лекции:

Структура атома, межатомные связи.
Чистые и примесные полупроводники.
Образование p-n-перехода.
Работа p-n-перехода при прямом и обратном включении источника питания.
Виды пробоев.
Ёмкость p-n-перехода.

Общие сведения

К полупроводникам относятся вещества, которые по своему удельному сопротивлению (1·10^-4... 1·10¹⁰ Ом·см) занимают промежуточное положение между проводниками и диэлектриками. Проводники имеют удельное сопротивление 1·10^-6... 1·10^-4 Ом·см, диэлектрики - 1·10¹⁰...l·10¹⁵ Ом·см.

Для полупроводников характерна сильная зависимость проводимости от температуры, электрического поля, освещенности, сжатия и т.д. В отличие от проводников они имеют не только электронную, но и дырочную проводимость. К полупроводникам относятся такие материалы, как германий, кремний, арсенид галлия, селен.

Каждый атом связан с соседними с помощью валентных электронов. Например, германий четырёхвалентен, то есть имеет на внешней орбите четыре валентных электрона. Каждый атом в кристалле германия образует (ковалентные) электронные связи с четырьмя соседними атомами.

Под действием температуры связывающие электроны могут покинуть свое место и оказаться в межатомном пространстве. На их прежнем месте образуется свободное место – дырка, то есть атом становится положительно заряженным. Свободные электроны под действием внешнего поля могут передвигаться в кристалле, создавая ток. В процессе движения электронов в кристалле часть их может занимать дырки – процесс рекомбинации, образуя полную связь между атомами. Однако нормальная связь нарушается в том месте, откуда ушел электрон. Под действием внешнего электрического поля происходит перемещение дырок в направлении поля, т. е. в направлении, обратном перемещению электронов. Перемещение дырок эквивалентно перемещению положительных зарядов. Этот процесс называется дырочной проводимостью. Если при электронной проводимости один свободный электрон проходит весь путь в кристалле, то при дырочной электроны поочередно замещают друг друга в атомных связях, т. е. имеет место как бы эстафета дырок. Таким образом, проводимость полупроводника складывается из электронной и дырочной. При нарушении электронных связей в кристалле чистого проводника одновременно возникает одинаковое число свободных электронов и дырок.

Германий и кремний уже при комнатной температуре становятся полупроводниками.

При заданной температуре число пар в единице объема полупроводника в среднем остается постоянным. При повышении температуры число свободных электронов и дырок сильно возрастает и проводимость полупроводника значительно увеличивается. Проводимость полупроводника при отсутствии в нем примесей называется собственной проводимостью полупроводника.

Полупроводники имеют отрицательный температурный коэффициент сопротивления (чем больше температура – тем меньше сопротивление), который по абсолютной величине в 10... 20 раз больше, чем у металлов. При нагревании металла на 1°С его сопротивление увеличивается примерно на 0,4%, сопротивление полупроводников уменьшается на 4...8%. Это свойство полупроводников используется в технике для различных целей, например для изготовления терморезисторов, сопротивление которых резко меняется при незначительных изменениях температуры.

Свойства полупроводника можно изменить, внеся в него ничтожное количество примеси. Например, при замещении в кристаллической решетке атома германия атомом мышьяка, имеющим пять валентных электронов (донорная примесь), четыре электрона мышьяка образуют заполненные связи с соседними атомами германия, а пятый электрон, слабо связанный с атомом мышьяка, превратится в свободный (рис. 2.1, б), поэтому примесь мышьяка увеличивает электронную проводимость.

При замещении атома германия атомом индия, имеющим три валентных электрона (акцепторная примесь), они вступят в связь с тремя атомами германия, а связи с четвертым атомом германия будут отсутствовать (рис. 2.1. в), так как у индия нет четвертого электрона. Таким образом, примесь индия повышает дырочную проводимость кристалла германия.

Полупроводники с преобладанием электронной проводимости называются полупроводниками типа n, а полупроводники с преобладанием «дырочной» проводимости – типа p. Носители заряда, определяющие собой вид проводимости в примесном полупроводнике, называются основными (электроны в n-полупроводнике или дырки в р-полупроводнике), а носители заряда противоположного знака - неосновными. Концентрация неосновных носителей зарядов очень мала - примерно в 1000 раз меньше концентрации основных носителей.

Донорными примесями для германия являются, например, мышьяк, сурьма, фосфор, а акцепторными - индий, галлий, алюминий и др. В зависимости от процентного содержания примеси проводимость примесного полупроводника возрастает по сравнению с собственной проводимостью полупроводника в десятки и сотни тысяч раз.

Например, если в нормальных условиях в 1 см³ чистого германия содержится примерно 4,2·10²² атомов и 2,5·10¹³ электронов и дырок, то примесь мышьяка в количестве 0,001 % вызовет появление в том же объеме дополнительно 1·10¹⁷ электронов, которые обеспечат увеличение электронной проводимости примерно в 1·10⁴раз.

p-n переход и его свойства

Электронно-дырочный переход — это переходный слой между двумя областями полупроводника с разным типом проводимости. Условно электронно-дырочный переход обозначается p-n . Слой p - n -перехода очень тонкий (порядка нескольких микрон) и его сопротивление не подчиняется закону Ома, т.е. сопротивление слоя перехода изменяется как от величины, так и от знака, приложенного к нему напряжения.

По конструктивному исполнению переходы могут быть плоскостными и точечными. Плоскостным называют переход, у которого линейные размеры, определяющие его площадь, намного превышают его толщину. При малых линейных размерах контактирующей площади переходы относят к точечным.

В зависимости от степени легирования (внесения примеси) областей полупроводника, т.е. от концентрации основных носителей, различают симметрич ныеи несимметричныеэлектронно-дырочные переходы. В симметричных переходах концентрация носителей в областях полупроводника почти одинакова (p_p≈п_п). В несимметричных переходах концентрации могут различаться во много раз (р_р« п_п,р »п_п).

Различают три состояния p-n перехода: равновесное, пропуск ное и запирающее. Равновесное состояния p-n перехода наблюдается, если к p-n переходу не приложено внешнее напряжение.

В каждом типе полупроводника всегда имеются два вида носителей тока: основные и неосновные. Дырки из области типа p диффундируют в область типа n, создавая вблизи границы отрицательный потенциал, а электроны, диффундируя из области типа n в область типа p, создают вблизи границы отрицательный потенциал. В результате диффузии основных носителей заряда между электронной и дырочной областями полупроводника вблизи границы их раздела возникает область объёмного заряда из двух разноимённых заряженных слоёв (рис. 3.1).

Таким образом, диффундировавшие заряды создают в p-n переходе собственное электрическое поле, направленное из n области в p область. Возникшее диффузионное поле является запирающим — оно препятствует дальнейшей диффузии зарядов и является тормозящим для основных носителей зарядов, поэтому его иначе называют потенциальным барьером -U _бар.

Основные носители двигаясь создают диффузионный ток - I _дифф, а не основные – дрейфовый ток - I _дрейф.

При отсутствии внешнего электрического поля эти токи уравновешивают друг друга и их сумма равна нулю.

I _{перехода} = I _{диффузионный} + I _{дрейфовый} =0.

Пропускное состояние p-n перехода (прямое включение p-n перехода)

Прямым является такое включение p-n перехода, при котором плюс внешнего источника питания прикладывается к p области, а минус к n области (рис. 3.2); p-n переход находится в пропускном или открытом состоянии. Электрическое поле, создаваемое внешним источником, имеет направление, противоположное собственному электрическому полю p-n перехода. В результате уменьшается потенциальный барьер перехода на величину внешнего напряжения. В этом режиме часть основных носителей заряда с наибольшим значением энергии будет преодолевать понизившийся потенциальный барьер и проходить через p-n переход.

В переходе нарушается равновесное состояние и ток диффузии основных носителей преобладает над дрейфовым током. Дырки и электроны будут перемещаться навстречу друг другу. Образуется ток p-n перехода:

I _{перехода} = I _{диффузионный} + I _{дрейфовый} >0. (3.1)

Направление тока через p-n переход соответствует движению положительных зарядов — дырок, а во внешней цепи — от плюса к минусу источника питания.

Область полупроводника, в которую происходит инжекция неосновных носителей, называется базой полупроводникового прибора, а область, в которую осуществляется инжекция, — эмиттером.

Работа p-n перехода характеризуется вольт-амперной характеристикой. На этой характеристики отчётливо видны три области нелинейная, линейная и насыщения. При напряжении внешнего поля менее U _бар ток возрастает медленно и по величине мал, так как лишь некоторые основные носители зарядов обладающие достаточной энергией преодолевают потенциальный барьер – это нелинейная область. При напряжённости внешнего поля превышающей U _бар, ток перехода будет зависеть только от внешнего поля – линейная область. Область насыщения достигается тогда, когда под действием внешнего поля практически все основные носители зарядов движутся под воздействием внешнего поля. При дальнейшем увеличении внешнего поля будет наступать тепловой пробой.

Дата добавления: 2021-02-10; просмотров: 208; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

12 Следующая ⇒

Мы поможем в написании ваших работ!