Зависимость тока от напряжения при прямом включении определяется по формуле
Полупроводниковые диоды.
Общие сведения о полупроводниковых приборах.
К полупроводникам относятся вещества, которые по своему удельному сопротивлению занимают промежуточное положение между проводниками и диэлектриками. 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 соседним через промежуточные электроны. Например, германий принадлежит к элементам 4 группы периодической системы Д. Менделеева. Следовательно, он имеет на внешней орбите 4 валентных электрона. Каждый атом в кристалле германия образует электронные связи с 4 соседними атомами. При температуре, близкой к абсолютному нулю, и отсутствии примесей все валентные электроны атомов в кристалле германия (рис. 1.1) взаимно связаны, свободных электронов нет, а значит, что кристалл не обладает проводимостью.
Рис. 1.1
Под действием температуры связывающие электроны могут покинуть свое место и оказаться в межатомном пространстве. На их прежнем месте образуется вакантное место – дырка. Свободные электроны под действием внешнего поля могут передвигаться в кристалле, создавая ток. Германий уже при комнатной температуре становится полупроводником. В процессе движения электронов в кристалле часть их может занимать дырки, образуя полную связь между атомами. Однако нормальная связь нарушается в том месте, откуда ушел электрон. Под действием внешнего ЭП 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 проводимости большое число электронов замещают друг друга в связях, т.е. имеет место как бы эстафета электронов, при которой каждый электрон проходит свой этап пути. 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.
|
|
|
Одновременно с генерацией пар электрон – дырка происходит обратный процесс – рекомбинация, при которой свободный электрон заполняет вакантное место. При заданной температуре число пар в единице объема полупроводника в среднем остается постоянным. Например, при температуре 20°С концентрация свободных электронов и дырок у германия равна 2,5·1013 в 1 см3, а у металлических проводников концентрация свободных электронов в 1 см3 составляет около 1022. Таким образом, из сопоставления концентраций следует, что проводимость германия при комнатной температуре значительно меньше проводимости металлов. При повышении температуры число свободных электронов и дырок сильно возрастает, и проводимость германия значительно увеличивается. Проводимость полупроводника при отсутствии в нем примесей называется собственной проводимостью полупроводника.
|
|
|
Полупроводники имеют отрицательный температурный коэффициент сопротивления, 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 полупроводников можно изменить, внеся в него ничтожное количество примеси. Вводя в кристалл полупроводника атомы других элементов, можно получить в кристалле преобладание дырок над свободными электронами. Например, при замещении в кристаллической решетке атома германия атомом мышьяка, имеющим 5 валентных электронов, четыре электрона мышьяка образуют заполненные связи с соседними атомами германия, а пятый электрон, слабо связанный с атомом мышьяка, превратится в свободный (рис. 1.2). Поэтому примесь мышьяка увеличивает электронную проводимость.
|
|
|
Рис. 1.2
При замещении атома германия атомом индия, имеющим 3 валентных электрона, они вступят в связь с тремя атомами германия, а связи с четвертым атомом германия будут отсутствовать (рис. 1.3), так как у индия нет четвертого электрона.
Рис. 1.3
Восстановление всех связей возможно, если недостающий четвертый электрон будет получен от ближайшего атома германия. Но в этом случае на месте электрона, покинувшего атом германия, появится дырка, которая может быть заполнена электроном из соседнего атома германия. Процесс последовательного заполнения свободной связи эквивалентен движению дырок в полупроводнике. 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 p-полупроводнике), а носители заряда противоположного знака – неосновными. Примеси, вызывающие преобладание электронной проводимости, т.е. такие, у которых валентных электронов больше, чем у атома данного полупроводника, называются донорными. Примеси, вызывающие преобладание дырочной проводимости, т.е. примеси с меньшим числом валентных электронов в атоме по сравнению с атомом данного полупроводника, называются акцепторными. 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 1017 электронов, которые обеспечат увеличение электронной проводимости примерно в 104 раз.
Если к чистому полупроводнику добавить вещество с пятью внешними электронами, то в пространстве кристалла появляются носители тока, не связанные с кристаллической решеткой. Эти полупроводники называются n-типа. При добавлении к чистому полупроводнику вещества с тремя внешними электронами появляются дополнительные дырки в полупроводнике. Такие полупроводники называются p-типа.
Образование электронно-дырочного перехода. ВАХ перехода.
Электрическим переходом в полупроводнике называется граничный слой между двумя областями, физические характеристики которых имеют существенные физические различия.
Различают следующие виды электрических переходов:
· электронно-дырочный, или p–n-переход – переход между двумя областями полупроводника, имеющими разный тип электропроводности;
· переходы между двумя областями, если одна из них является металлом, а другая полупроводником p- или n-типа (переход металл –полупроводник);
· переходы между двумя областями с одним типом электропроводности, отличающиеся значением концентрации примесей;
· переходы между двумя полупроводниковыми материалами с различной шириной запрещенной зоны (гетеропереходы).
Работа целого ряда полупроводниковых приборов (диодов, транзисторов, тиристоров и др.) основана на явлениях, возникающих в контакте между полупроводниками с разными типами проводимости, либо в точечном контакте полупроводника с металлом. Граница между двумя областями монокристалла полупроводника, одна из которых имеет электропроводность типа p, а другая – типа n, называется электронно-дырочным переходом. Концентрации основных носителей заряда в областях p и n могут быть равными или существенно отличаться.
P–n-переход, у которого концентрации дырок и электронов практически равны 
, называют симметричным. Если концентрации основных носителей заряда различны ( 
или ) и отличаются в 100 – 1000 раз, то такие переходы называют несимметричными. Несимметричные p–n-переходы используются шире, чем симметричные, поэтому в дальнейшем будем рассматривать только их.
Рис 1.4
Рассмотрим монокристалл полупроводника (рис. 1.4), в котором, с одной стороны, введена акцепторная примесь, обусловившая возникновение здесь электропроводности типа p, а с другой стороны, введена донорная примесь, благодаря которой там возникла электропроводность типа n. Каждому подвижному положительному носителю заряда в области p (дырке) соответствует отрицательно заряженный ион акцепторной примеси, но неподвижный, находящийся в узле кристаллической решетки, а в области n каждому свободному электрону соответствует положительно заряженный ион донорной примеси, в результате чего весь монокристалл остается электрически нейтральным.
Свободные носители электрических зарядов под действием градиента концентрации начинают перемещаться из мест с большой концентрацией в места с меньшей концентрацией. Так, дырки будут диффундировать из области p в область n, а электроны, наоборот, из области n в область p. Это направленное навстречу друг другу перемещение электрических зарядов образует диффузионный ток p– n-перехода. Но как только дырка из области p перейдет в область n, она оказывается в окружении электронов, являющихся основными носителями электрических зарядов в области n. Поэтому велика вероятность того, что какой-либо электрон заполнит свободный уровень в дырке и произойдет явление рекомбинации, в результате которой не будет ни дырки, ни электрона, а останется электрически нейтральный атом полупроводника. Но если раньше положительный электрический заряд каждой дырки компенсировался отрицательным зарядом иона акцепторной примеси в области p, а заряд электрона – положительным зарядом иона донорной примеси в области n, то после рекомбинации дырки и электрона электрические заряды неподвижных ионов примесей, породивших эту дырку и электрон, остались не скомпенсированными. И в первую очередь не скомпенсированные заряды ионов примесей проявляют себя вблизи границы раздела (рис. 1.5), где образуется слой пространственных зарядов, разделенных узким промежутком d . Между этими зарядами возникает электрическое поле с напряжённостью E , которое называют полем потенциального барьера, а разность потенциалов на границе раздела двух зон, обусловливающих это поле, называют контактной разностью потенциалов 
.
Рис. 1.5
Это электрическое поле начинает действовать на подвижные носители электрических зарядов. Так, дырки в области p – основные носители, попадая в зону действия этого поля, испытывают со стороны него тормозящее, отталкивающее действие и,перемещаясь вдоль силовых линий этого поля,будут вытолкнуты вглубь области p. Аналогично, электроны из области n, попадая в зону действия поля потенциального барьера, будут вытолкнуты им вглубь области n. Таким образом, в узкой области d , где действует поле потенциального барьера, образуется слой, где практически отсутствуют свободные носители электрических зарядов и вследствие этого обладающий высоким сопротивлением. Это так называемый запирающий слой.
Если же в области p вблизи границы раздела каким-либо образом окажется свободный электрон, являющийся неосновным носителем для этой области, то он со стороны электрического поля потенциального барьера будет испытывать ускоряющее воздействие, вследствие чего этот электрон будет переброшен через границу раздела в область n, где он будет являться основным носителем. Аналогично, если в области n появится неосновной носитель – дырка, то под действием поля потенциального барьера она будет переброшена в область p , где она будет уже основным носителем. Движение неосновных носителей через p–n-переход под действием электрического поля потенциального барьера обусловливает составляющую дрейфового тока.
При отсутствии внешнего электрического поля устанавливается динамическое равновесие между потоками основных и неосновных носителей электрических зарядов, то есть между диффузионной и дрейфовой составляющими тока p–n-перехода, поскольку эти составляющие направлены навстречу друг другу.
Потенциальная диаграмма p–n-перехода изображена на рис. 1.5, причем за нулевой потенциал принят потенциал на границе раздела областей. Контактная разность потенциалов образует на границе раздела потенциальный барьер с высотой . На диаграмме изображен потенциальный барьер для электронов, стремящихся за счет диффузии перемещаться справа налево (из области n в область p). Если отложить вверх положительный потенциал, то можно получить изображение потенциального барьера для дырок, диффундирующих слева направо (из области p в область n).
Рис. 1.6
При отсутствии внешнего электрического поля и при условии динамического равновесия в кристалле полупроводника устанавливается единый уровень Ферми для обеих областей проводимости.
Однако, поскольку в полупроводниках p-типа уровень Ферми смещается к потолку валентной зоны Wвp, а в полупроводниках n-типа – ко дну зоны проводимости Wпn, то на ширине p–n-перехода d диаграмма энергетических зон (рис. 1.6) искривляется и образуется потенциальный барьер:
, (1)
где DW – энергетический барьер, который необходимо преодолеть электрону в области n, чтобы он мог перейти в область p, или аналогично для дырки в области p, чтобы она могла перейти в область n.
Высота потенциального барьера зависит от концентрации примесей, так как при ее изменении изменяется уровень Ферми, смещаясь от середины запрещенной зоны к верхней или нижней ее границе.
Вольт-амперная характеристика p–n-перехода – это зависимость тока через p–n-переход от величины приложенного к нему напряжения. Ее рассчитывают исходя из предположения, что электрическое поле вне обедненного слоя отсутствует, т.е. все напряжение приложено к p–n-переходу. Общий ток через p–n-переход определяется суммой четырех слагаемых:
I p-n= In диф+ I p диф- In др- I p др, (2)
где Inдр- электронный ток дрейфа; Ipдр– дырочный ток дрейфа; Inдиф– электронный ток диффузии; Ipдиф– дырочный ток диффузии.
Подсоединим p–n-переход к внешнему источнику питания так, чтобы отрицательное напряжение последнего было приложено к области n-типа, а положительное – к области p-типа проводимости. Внешнее поле позволяет преодолеть заряд примесей, которые отталкивают носителей заряда от перехода. Основные носители заряда подступают гораздо ближе к границе полупроводников, и становится меньше ширина p–n-перехода и высота потенциального барьера. Если увеличим напряжение, прикладываемое к p–n-переходу, возрастет концентрация основных носителей зарядов и в области дырочного типа, и в области электронного, в результате чего значительно возрастет протекающий через переход диффузионный ток, который существенно превысит дрейфовый ток. Основные носители заряда преодолевают p–n-переход и попадают из области электронного типа в область дырочного типа проводимости, в которой они являются неосновными. Этот процесс называют инжекцией. Ставшие неосновными носители заряда рекомбинируют с основными носителями заряда этой области. Совершенно аналогично дырки из области дырочного типа преодолевают p–n-переход, инжектируются в область электронного типа проводимости и там рекомбинируют. Указанное включение p–n-перехода и ток, вызванный движением основных носителей заряда, называют прямым.
Зависимость тока от напряжения при прямом включении определяется по формуле
. (3)
Теперь подключим p–n-переход к внешнему источнику питания так, чтобы положительное напряжение было приложено к области n-типа, а отрицательное – к области p-типа. Внешнее поле еще сильнее отталкивает носителей заряда от перехода, и возрастают и ширина p–n-перехода, и высота потенциального барьера. Прямой ток через p–n-переход не течет. Электроны из области p-типа и дырки из области n-типа будут под действием электрического поля направлены сквозь p–n-переход в области тех типов проводимости, в которых они станут основными. Этот процесс носит название экстракции. Через p–n-переход протекает маленький дрейфовый ток, называемый обратным, вызванный движением неосновных носителей заряда.
Дата добавления: 2018-02-28; просмотров: 543; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!