Полупроводники p и n типа, p-n переход

1.14. Электронно-дырочный переход. Транзистор

Полупроводники p и n типа, p-n переход


В современной электронной технике полупроводниковые приборы играют исключительную роль. За последние три десятилетия они почти полностью вытеснили электровакуумные приборы.

В любом полупроводниковом приборе имеется один или несколько электронно-дырочных переходов. Электронно-дырочный переход (или n–p-переход) – это область контакта двух полупроводников с разными типами проводимости.

В полупроводнике n-типа основными носителями свободного заряда являются электроны; их концентрация значительно превышает концентрацию дырок (nn >> np). В полупроводнике p-типа основными носитялеми являются дырки (np >> nn).

При контакте двух полупроводников n- и p-типов начинается процесс диффузии: дырки из p-области переходят в n-область, а электроны, наоборот, из n-области в p-область. В результате в n-области вблизи зоны контакта уменьшается концентрация электронов и возникает положительно заряженный слой. В p-области уменьшается концентрация дырок и возникает отрицательно заряженный слой.

Таким образом, на границе полупроводников образуется двойной электрический слой, поле которого препятствует процессу диффузии электронов и дырок навстречу друг другу (рис. 1.14.1). Пограничная область раздела полупроводников с разными типами проводимости (так называемый запирающий слой) обычно достигает толщины порядка десятков и сотен межатомных расстояний.

Объемные заряды этого слоя создают между p- и n-областями запирающее напряжение Uз, приблизительно равное 0,35 В для германиевых n–p-переходов и 0,6 В для кремниевых.

n–p-переход обладает удивительным свойством односторонней проводимости.

Рисунок 1.14.1.Образование запирающего слоя при контакте полупроводников p- и n-типов

Если полупроводник с n–p-переходом подключен к источнику тока так, что положительный полюс источника соединен с n-областью, а отрицательный – с p-областью, то напряженность поля в запирающем слое возрастает.

Дырки в p-области и электроны в n-области будут смещаться от n–p-перехода, увеличивая тем самым концентрации неосновных носителей в запирающем слое. Ток через n–p-переход практически не идет. Напряжение, поданное на n–p-переход в этом случае называют обратным.

Весьма незначительный обратный ток обусловлен только собственной проводимостью полупроводниковых материалов, т. е. наличием небольшой концентрации свободных электронов в p-области и дырок в n-области.

Если n–p-переход соединить с источником так, чтобы положительный полюс источника был соединен с p-областью, а отрицательный с n-областью, то напряженность электрического поля в запирающем слое будет уменьшаться, что облегчает переход основных носителей через контактный слой. Дырки из p-области и электроны из n-области, двигаясь навстречу друг другу, будут пересекать n–p-переход, создавая ток в прямом направлении. Сила тока через n–p-переход в этом случае будет возрастать при увеличении напряжения источника.

Способность n–p-перехода пропускать ток практически только в одном направлении используется в приборах, которые называются полупроводниковыми диодами. Полупроводниковые диоды изготавливают из кристаллов кремния или германия. При их изготовлении в кристалл c каким-либо типом проводимости вплавляют примесь, обеспечивающую другой тип проводимости.

Полупроводниковые диоды используются в выпрямителях для преобразования переменного тока в постоянный. Типичная вольт-амперная характеристика кремниевого диода приведена на рис. 1.14.2.

Рисунок 1.14.2.Вольт-амперная характеристика кремниевого диода. На графике использованы различные шкалы для положительных и отрицательных напряжений

Полупроводниковые диоды обладают многими преимуществами по сравнению с вакуумными – малыми размерами, длительными сроками службы, механической прочностью.

Существенным недостатком полупроводниковых диодов является зависимость их параметров от температуры. Кремниевые диоды, например, могут удовлетворительно работать только в диапозоне температур от –70 °C до 80 °C.

У германиевых диодов диапазон рабочих температур несколько шире.

Полупроводниковые приборы не с одним, а с двумя n–p-переходами называются транзисторами. Название происходит от сочетания английских слов: transfer – переносить и resistor – сопротивление. Обычно для создания транзисторов используют германий и кремний. Транзисторы бывают двух типов: p–n–p-транзисторы и n–p–n-транзисторы.

Например, германиевый транзистор p–n–p-типа представляет собой небольшую пластинку из германия с донорной примесью, т. е. из полупроводника n-типа. В этой пластинке создаются две области с акцепторной примесью, т. е. области с дырочной проводимостью (рис. 1.14.3).

В транзисторе n–p–n-типа основная германиевая пластинка обладает проводимостью p-типа, а созданные на ней две области – проводимостью n-типа (рис. 1.14.4).

Пластинку транзистора называют базой (Б), одну из областей с противоположным типом проводимости – коллектором (К), а вторую – эмиттером (Э). Обычно объем коллектора превышает объем эмиттера. В условных обозначениях на схемах стрелка эмиттера показывает направление тока через транзистор.

Рисунок 1.14.3.Транзистор структуры p–n–p
Рисунок 1.14.4.Транзистор структуры n–p–n

Оба n–p-перехода транзистора соединяются с двумя источниками тока. На рис. 1.14.5 показано включение в цепь транзистора p–n–p-структуры. Переход «эмиттер–база» включается в прямом (пропускном) направлении (цепь эмиттера), а переход «коллектор–база» – в запирающем направлении (цепь коллектора).

Пока цепь эмиттера разомкнута, ток в цепи коллектора очень мал, так как для основных носителей свободного заряда – электронов в базе и дырок в коллекторе – переход заперт.

Рисунок 1.14.5.Включение в цепь транзистора p–n–p-структуры

При замыкании цепи эмиттера дырки – основные носители заряда в эмиттере – переходят из него в базу, создавая в этой цепи ток Iэ. Но для дырок, попавших в базу из эмиттера, n–p-переход в цепи коллектора открыт.

Большая часть дырок захватывается полем этого перехода и проникает в коллектор, создавая ток Iк. Для того, чтобы ток коллектора был практически равен току эмиттера, базу транзистора делают в виде очень тонкого слоя.

При изменении тока в цепи эмиттера изменяется сила тока и в цепи коллектора.

Если в цепь эмиттера включен источник переменного напряжения (рис. 1.14.5), то на резисторе R, включенном в цепь коллектора, также возникает переменное напряжение, амплитуда которого может во много раз превышать амплитуду входного сигнала. Следовательно, транзистор выполняет роль усилителя переменного напряжения.

Однако такая схема усилителя на транзисторе является неэффективной, так как в ней отсутствует усиление сигнала по току, и через источники входного сигнала протекает весь ток эмиттера Iэ.

В реальных схемах усилителей на транзисторах источник переменного напряжения включают так, чтобы через него протекал только небольшой ток базы Iб = Iэ – Iк. Малые изменения тока базы вызывают значительные изменения тока коллектора.

Усиление по току в таких схемах может составлять несколько сотен.

В настоящее время полупроводниковые приборы находят исключительно широкое применение в радиоэлектронике.

Современная технология позволяет производить полупроводниковые приборы – диоды, транзисторы, полупроводниковые фотоприемники и т. д. – размером в несколько микрометров.

Качественно новым этапом электронной техники явилось развитие микроэлектроники, которая занимается разработкой интегральных микросхем и принципов их применения.

Интегральной микросхемой называют совокупность большого числа взаимосвязанных элементов – сверхмалых диодов, транзисторов, конденсаторов, резисторов, соединительных проводов, изготовленных в едином технологическом процессе на одном кристалле. Микросхема размером в 1 см2 может содержать несколько сотен тысяч микроэлементов.

Применение микросхем привело к революционным изменениям во многих областях современной электронной техники. Это особенно ярко проявилось в электронной вычислительной технике. На смену громоздким ЭВМ, содержащим десятки тысяч электронных ламп и занимавшим целые здания, пришли персональные компьютеры.




Лучшие школы, лагеря, ВУЗы за рубежом
Открыть ип
инструкция про то, как открыть ИП в 2019 году
одинбух.рф
Математика, Английский язык, Химия, Биология, Физика, География, Астрономия.
А также: online подготовка к ЕГЭ на College.ru, библиотека ЭОРов и обучающие программы на Multiring.ru.

Источник: https://physics.ru/courses/op25part2/content/chapter1/section/paragraph14/theory.html

1.3. Полупроводниковый p-n–переход

Полупроводники p и n типа, p-n переход

Полупроводниковыйp-n–переход образуется на границе разделаполупроводников p- и n–типов (рис. 1.4).Такая двухслойная p-n структура получаетсяпутем введения в один из слоев монокристаллакремния (германия) акцепторной примеси,а в другой – донорной примеси.

Приэтом при комнатной температуре атомыакцепторов и доноров можно считатьполностью ионизированными, т.е. акцепторныеатомы присоединяют к себе электроны,превращаясь в отрицательные ионыпримеси, создавая при этом дырки, адонорные атомы отдают свои электроны,которые становятся свободными, превращаясьпри этом в положительные ионы примеси.

Кроме основных носителей зарядов вкаждом из слоев имеются неосновныеносители зарядов, создаваемые путемперехода электронов основногополупроводника из валентной зоны в зонупроводимости. На практике распространениеполучили p-nструктуры с неодинаковой концентрациейвнесенных акцепторнойNА и донорнойN Д примесей, т.е.

неодинаковой концентрациейосновных носителей заряда в слояхpp ≈NA иn n≈N Д . Типичнымиявляются структуры с

NА >>N Д (pp >>nn ). Нарис.1.4, б на примере германия показанораспределение концентрации носителейзаряда для таких структур, где принятыp p= 1018 см -3 ,nn = 1015см-3. Концентрация собственныхносителей заряда в германии при комнатнойтемпературеn i= 2,5 1013 см-3.

Концентрациянеосновных носителей заряда значительноменьше концентрации основных и составляетn р = 109 см-3, p n= 1012 см -3 . Вp-nструктуре на границе раздела слоёвиз-за разности концентраций возникает диффузионное движение основных носителейзаряда во встречном направлении.

Дыркииз р области диффундируют вn-область,электроны изn-областив р-область.

Дырки, вошедшие вn-область, рекомбинируютс электронами этой области, а электроны,вошедшие в р-область, — с дыркамир-области. Вследствиедиффузии и рекомбинации, в обеихприграничных областях концентрацииосновных носителей заряда снижаются.

Важнейшим следствиемдиффузионного движения носителей зарядачерез границу раздела полупроводниковявляется появление в приграничныхобластях объемных зарядов, создаваемыхионами атомов примесей. Так в р-слоесоздается нескомпенсированныйотрицательный объемный заряд за счетоставшихся отрицательных ионовакцепторных атомов примеси.

В n-слое- нескомпенсированный положительныйобъемный заряд, создаваемыйположительными ионами донорныхатомов примеси. Толщина слоя объемногозарядаL 0 составляетдоли микрометров. Этот слой ввидуотсутствия носителей заряда имеет оченьвысокое сопротивление (r = 10 9…1010Ом). Поэтому его еще называют запирающимслоем.

Область объемного заряда называетсяp-n-переходом.

В виду наличияобъемного заряда в p-nпереходе создаются внутреннееэлектрическое поле Е(x) иконтактная разность потенциалов φк(x).Внутреннее электрическое поле спотенциальным барьером φ0(рис1.4, в) создает тормозящее действие дляосновных носителей заряда, что приводитк снижению плотности диффузионноготокаJДИФ.

В тожевремя оно является ускоряющим длянесновных носителей, создающих встречныйдрейфовый ток с плотностьюJДРчерезp-nпереход. Эти два тока уравнивают другдруга и результирующий ток черезp-nпереход равен нулю.

Величина потенциальногобарьера (контактная разность потенциалов)составляет при комнатной температуредля германия

φ 0 = 0,3 …0,5В, а для кремния φ0 = 0,6 …0,8В.

 к=n-p=т,

где — тепловой (термический) потенциал: прикомнатной

температуре (Т =290 К ; т= 0,025В;

k= 1,380662 · 10-23Дж/К — постояннаяБольцмана;

е= 1,6021892 ·10-19Кл — заряд электрона;

Т- температура;

nnpp- концентрацииосновных носителей заряда в n- и р-областяхсоответственно;

ni- концентрацияносителей заряда в собственномполупроводнике.

Подключение кполупроводниковой структуре внешнегонапряжения UАприводит к изменению условий переносазарядов черезp-nпереход. Внешнее напряжение может бытьподключено в прямом (плюсом источникак выводу р-области и минусом кn-области)и обратном направлении (плюсом источникак выводуn-области иминусом кp-области).

Вслучае прямого подключения источника,создаваемое им электрическое поленаправлено встречно внутреннему полюв переходе, что приводит к уменьшениюрезультирующего поля вp-nпереходе и снижению величиныобъемного заряда (поскольку объемномузаряду вp-nпереходе будет отвечать результирующеенапряжение φ0 –UA, меньшее, чем вотсутствии внешнего источника).

Этоприведет к увеличению диффузионноготока при неизменном дрейфовом токе.Плотность результирующего прямого токачерезp-nпереход

. (1.1)

С повышениемвнешнего напряжения диффузионный токбудет возрастать, так как потенциальныйбарьер будет уменьшаться, и все большеечисло основных носителей заряда будетспособно преодолеть p-nпереход. Прямой токIAравен произведению плотности токаJAчерезp-nпереход на площадь его сеченияS.

При подключениик p-nпереходу источника внешнего напряжения в обратномнаправленииUB,создаваемое им электрическое поле будетнаправлено согласно с внутреннем полемp-nперехода. Это приведет к возрастанию потенциальногобарьера, который станет равным φ0 +UВ.

Вследствие этогоувеличится объемный заряд в p-nпереходе и его ширина, что затруднитпрохождение основных носителей заряда.Произойдет снижение диффузионного токапри практически неизменном значениидрейфового тока. Однако теперь он будетпревышать диффузионный ток.

Через диодбудет протекать ток в обратном направлении(обратный ток)

. (1.2)

Поведение диодаописывается вольт-амперной характеристикой(ВАХ), приведенной на рис. 1.5.

Вольт-ампернаяхарактеристика может быть записана ваналитической форме :

IA = IS(eU/φT — 1), (1.3)

гдеIS =SJДР — ток насыщения (тепловой ток),создаваемый неосновными носителямизаряда; φт – тепловой потенциал.ПриU= 0, согласно выражения(1.3),IA= 0. При приложении прямого напряжения(U=UA> 0) единицей можно пренебречь изависимостьIA=f(UA) будет иметь экспоненциальный характер.В случае обратного напряжения (U=UB< 0) можно не учитывать экспонентуи тогдаIA=IB= -IS.

При повышениипрямого напряжения потенциальный барьерp-nпереходанастолько снижается, что перестаетвлиять на прямой ток и ток будет линейнозависеть от напряжения. Этот участокпрямой ветви ВАХ называется омическими описывается приближенно уравнением

, (1.4)

где U0– напряжение отсечки, равное отрезку,отсекаемому на оси напряжений линейнойчастью характеристики;- дифференциальное сопротивление,характеризующее наклон линейной частихарактеристики.

Обратная ветвьВАХ

В кривой обратноготока на участке 0-1 возрастание IBпри увеличении обратного напряженияобусловлено эффектами генерации илавинообразного размножения носителейзаряда в объемеp-nперехода (при большом Uобрэлектроныприобретают большую скорость и выбиваютиз атомов кристаллической решетки новыеэлектроны, которые также участвуют вударной ионизации). На величину обратноготока влияет и температура окружающейсреды. Для приближенных расчетовтемпературную зависимость обратноготока можно определить из эмпирическогосоотношения

IB(T) = IB(T0 )2 (TT0 )/ 10 C. (1.5)

Из(1.5) следует, что обратный ток удваиваетсяпри повышении температуры на каждые 10 ○С. Следовательно, при обратномвключенииp-nпереход можно использовать, например, в качестве датчика температуры.

Участок1-2-3— участок электрического пробояр-n-перехода. При некотором напряженииUобрток Iобррезко возрастаети сопротивление запирающего слоя резкоуменьшается.

Существуют двавида электрического пробоя р-n-перехода- лавинный и туннельный.

Лавинный пробой— размножение носителей заряда за счетударной ионизации и вырывания электроновиз атомов сильным электрическим полем.Лавинный пробой характерен для широкихр-n-переходов. Вырванные электроны тожеучаствуют в ударной ионизации.

Туннельныйпробой, вызванный туннельным эффектом- способностью некоторых электроновпроникать через тонкий р-n-переход безизменения энергии. Это возможно принапряженности поля больше 10 5В/смв сильно легированных полупроводниках(высокая концентрация примесей).

Электрическийпробой на участке 123является обратимым, то есть структурар-n-перехода не нарушается. На участке23работают диоды,предназначенные для стабилизациинапряжения —стабилитроны.

Участок 3–4-участок теплового пробоя. Тепловойпробой необратим, так как сопровождаетсяразрушением вещества в месте р-n-перехода.Объясняется это тем, что количествотеплоты, выделяющееся в переходе отнагрева обратным током, превышает количество теплоты, отводимое от р-n-перехода. Это ведет к перегревур-n-перехода и его тепловому разрушению.

Работаполупроводниковых приборов сильноподвержена влиянию температуры. С ростомтемпературы увеличивается генерацияносителей заряда, растет прямой иособенно обратный ток через р-n-переход. При увеличении температуры в пределах20…70 С обратный токувеличивается более чем в 30 раз. Поэтомуполупроводниковые схемы нуждаются втермостабилизации.

1.4.Полупроводники на основе карбида кремния (SiC)

Полупроводникина основе германия и кремния обладаютдостаточно низким рабочим температурнымдиапазоном: Ge- 80-90 °С, Si – 120 °С.Карбид-кремниевые полупроводникиобладают более высоким показателями.Существует около 170 политипов карбидкремния.

Но только два из них сегоднядоступны для изготовления п/п приборов– это 4H-SiCи 6H-SiC. Длясиловых полупроводников болеепредпочтителен политип 4H-SiC,обладающей большей подвижностьюэлектронов.

В таблице приведены основныеэлектронные свойства политипа 4H-SiCв сравнении с кремниевым (Si) и арсенидгалиевым(GaAs) полупроводниковымматериалом.

НамименованиеSiGaAs4H-SiC
Ширина запрещенной энергетической зоны, эВ1,121,53,26
Подвижность электронов, см2 /с·В14009200800
Подвижность дырок, см2 /с·В450400140
Критическая напряженность электрического поля, МВ/cм0,250,32,2
Теплопроводность, Вт/см·К1,50,53,0-3,8

Карбид кремнияобладает рядом преимуществ по сравнениюс другими полупроводниками (кремний,арсенид галлия):

• Большаяширина запрещенной зоны обеспечиваетработу при высоких температурах — ≥ +600 ºС ;

• Напряженностьполя электрического пробоя больше в 10раз чем у Si и GaAs. Этоприводит к значительному снижениюсопротивления перехода в открытомсостоянии;

• Высокаятеплопроводность SiС снижает тепловоесопротивление кристалла;

• SiСкрайне устойчив к воздействию радиации;

• Электрическиесвойства приборов на основе SiС оченьстабильны во времени и слабо зависятот температуры.Все эти замечательныесвойства в совокупности делают карбидкремния полупроводниковым материаломближайшего будущего.

Источник: https://studfile.net/preview/3190294/page:3/

Полупроводники p и n типа, p-n переход

Полупроводники p и n типа, p-n переход

Внесение в полупроводник примесей существенно влияет на поведение электронов и энергоуровни спектра кристалла. Валентные электроны примесных атомов создают энергетические уровни в запрещенной зоне спектра.

К примеру, если в решетке германия один атом замещен пятивалентным атомом фтора, то энергия дополнительного электрона станет меньше, чем энергия, которая соответствует нижней границе зоны проводимости. Энергетические уровни подобных примесных электронов находятся ниже дна зоны проводимости. Эти уровни заполненные электронами называют донорными.

Для перевода электронов с донорных уровней в зону проводимости необходима энергия меньше, чем у чистого полупроводника. После того как электроны переброшены в зону проводимости с донорных уровней, говорят, что в полупроводнике появилась проводимость n-типа.

Полупроводники с донорной примесью называют электронными (донорными) или полупроводниками n-типа (negative — отрицательный). Электроны в полупроводниках n — типа служат как основные носители заряда, дырки — неосновными. Энергетическая диаграмма такого полупроводника изображена на рис.1.

Ничего непонятно?

Попробуй обратиться за помощью к преподавателям

Полупроводники p типа

В полупроводнике, который содержит акцепторную примесь, электроны довольно легко переходят из валентной зоны на акцепторные уровни. В такой ситуации в валентной зоне появляются свободные дырки. Число дырок в данном случае существенно больше, чем свободных электронов, которые образовались при переходе из валентной зоны в зону проводимости.

В данной ситуации дырки — основные носители заряда, электроны — неосновные. Проводимость полупроводника, который включает акцепторную примесь, носит дырочный характер, сам проводник при этом называется дырочным (акцепторным) или полупроводником p-типа (positive — положительный). Энергетическая диаграмма полупроводника p-типа приведена на рис.2.

Рисунок 1.

Рисунок 2.

p-n переход

p-n переход создают в естественном полупроводнике легированием донорными и акцепторными примесями по разные стороны от границы раздела. При этом область, в которую вводились донорные примеси становится n-областью с электронной проводимостью, область в которую ввели акцепторные примеси — p-областью с преимущественной дырочной проводимостью.

Так как в n- области концентрация электронов больше (в сравнении с концентрацией дырок), а в p- области наоборот, то электроны диффундируют из n- области, в p- область, а дырки в обратном направлении.

В результате в n- области возникает положительный заряд, а в p- области отрицательный Появляющаяся таким образом, разность потенциалов и электрическое поле пытаются замедлить диффузию положительных и отрицательных зарядов. При некотором напряжении возникает равновесие.

Так как заряд электрона меньше нуля, то рост потенциала ведет к уменьшению потенциальной энергии электронов и росту потенциальной энергии дырок. Как следствие роста потенциала n- области потенциальная энергия электронов в этой области уменьшается, а в p- области увеличивается.

С потенциальной энергией дырок дело обстоит наоборот. Характер изменения электрического потенциала совпадает с характером изменения потенциальной энергии дырок.

Итак, возникает потенциальный барьер, который противостоит потоку диффузии электронов и дырок со стороны перехода с их большей концентрацией, то есть напору электронов со стороны n- области и напору дырок из p- области.

Этот потенциальный барьер растет до величины, при которой появляющееся на переходе электрическое поле порождает такие токи из носителей заряда, которые полностью компенсируют диффузионные потоки.

Так достигается стационарное состояние.

Электроны и дырки в зоне проводимости полупроводников имеют конечное время жизни. Дырки, которые попали из p- области в n- область диффундируют в ней в течение некоторого времени, а затем аннигилируются с электронами.

Так же ведут себя электроны, которые попали из n- области в p- область.

Следовательно, концентрация избыточных дырок в n- области и концентрация электронов в p- области уменьшается (по экспоненте) при удалении от границы перехода.

[Примечание]Обычно энергия Ферми p и n- областей полупроводников отличается примерно на 1эВ. Значит, разность потенциалов, которая появляется на переходе и выравнивает энергии Ферми по разные стороны перехода, имеет величину порядка 1В.

[/Примечание]

Электрический ток, через p-n переход

Допустим, что напряжение приложено так, что у n- области потенциал имеет знак минус, со стороны p- области — плюс. Потенциальный барьер в таком случае, для основных носителей тока уменьшатся.

Следовательно, сила тока основных носителей растет.

Сила тока неосновных носителей почти не изменяется, так как диффузионный ток определен концентрацией носителей заряда и не зависит от приложенной разности потенциалов.

Если внешнее напряжение приложено так, что у n- области потенциал больше нуля, а со стороны p- области меньше нуля, то для основных носителей тока потенциальные барьеры увеличиваются.

Тогда ток основных носителей почти равен 0. Ток неосновных носителей не изменяется. Если ток в направлении от n- области к p-области не течет, то такое направление называют запорным.

Обратное направление называют проходным.

Переход металл — полупроводник имеет способность пропускать ток в одном направлении и не пропускать в другом. Причем, полупроводник может быть любого типа. Это явление связано с тем, что любой полупроводник по отношению к металлу очень беден свободными электронами. В случае перехода металл — проводник, проходным направлением будет направление от полупроводника к металлу.

p-n переход действует как диод, так как имеет одностороннюю проводимость. Наиболее часто применяемыми материалами для создания p-n переходов служат германий и кремний.

У германия концентрация основных носителей больше, чем у кремния, больше их подвижность.

Из-за этого проводимость p-n переходов в германии в проходном направлении существенно больше, чем у кремния, но соответственно больше обратный ток. Кремний же можно использовать в широком спектре температур.

Пример 1

Задание: Вольт — амперная характеристика для p-n перехода в кремний изображена на рис. 3. p-n перехода для германия на рис. 4. Сравните их, объясните различия.

Рисунок 3.

Рисунок 4.

Решение:

Вольтамперная характеристика p-n перехода показывает, переход имеет одностороннюю проводимость, а именно проводит ток в направлении из области p в область n. (Положительные значения напряжение U соответствуют изменению потенциала на переходе от p области к n области).

Возможной причиной отличий вольтамперной характеристики кремния (рис.3) от вольт — амперной характеристики германия служит низкая концентрация неосновных носителей в кремнии. Получается при небольших приложенных напряжениях плотность тока (j) неосновных носителей очень мала и только при U=0,6B сила тока начинает расти по экспоненте (у германия это происходит при U=0 B).

Пример 2

Задание: Что такое туннельный эффект?

Решение:

При большой концентрации атомов примеси в полупроводниках происходит расширение примесных уровней. Уровни перекрывают границу между зонами.

Как результат — уровень Ферми попадает внутрь либо проводящей, либо валентной зоны. При отсутствии внешнего напряжения энергии Ферми по разные стороны перехода одинаковы.

При сильном легировании переход становится узким, концентрация неосновных носителей мала.

Если приложить внешнее напряжение в проходном направлении, то появляется небольшой диодный ток. Но, так как по разные стороны перехода, который делится потенциальным барьером энергии носителей равны, возникает так называемый туннельный эффект Носители проходят через потенциальный барьер без изменения энергии.

Из-за этого через потенциальный барьер течет значительный ток. При увеличении напряжения энергия электронов в n-области растет, в p —области уменьшатся, при этом область перекрытия примесных уровней становится меньше. Как следствие, уменьшается сила тока.

(Максимум тока достигается, когда зоны перекрывают друг друга наибольшим образом). В тот момент, когда примесные зоны сдвигаются относительно друг друга настолько, что каждой из них на другой стороне перехода противостоит запрещенная зона, туннелированние прекращается. При этом сила тока через переход уменьшается.

При высоких напряжениях зоны проводимости n и p областей оказываются на одном уровне, возникает обычный диодный ток. Сила тока снова растет.

В интервале от первого максимума тока до следующего за ним минимума туннельный диод проявляет эффект отрицательного сопротивления, когда увеличение напряжения ведет к уменьшению силы тока. Рис.5 Вольт — амперная характеристика туннельного диода.

Рисунок 5.

Источник: https://spravochnick.ru/fizika/mehanizmy_elektroprovodnosti/poluprovodniki_p_i_n_tipa_p-n_perehod/

Внутренний и внешний полупроводник: определение, типы p и n

Полупроводники p и n типа, p-n переход

В статье узнаете что такое внешний и внутренний полупроводник, его типы p и n, какие материалы используются для полупроводников и энергетические зоны внешних полупроводников.

Полупроводник, любой из класса кристаллических твердых тел с промежуточной электрической проводимостью между проводником и изолятором. Полупроводники используются в производстве различных видов электронных устройств, включая диоды, транзисторы и интегральные схемы.

Такие устройства нашли широкое применение из-за их компактности, надежности, энергоэффективности и низкой стоимости. В качестве дискретных компонентов они нашли применение в силовых устройствах, оптических датчиках и излучателях света, включая твердотельные лазеры.

Они имеют широкий спектр возможностей по управлению током и напряжением и, что более важно, пригодны для интеграции в сложные, но легко изготавливаемые микроэлектронные схемы.

Они являются и будут в обозримом будущем ключевыми элементами для большинства электронных систем, обслуживающих приложения для связи, обработки сигналов, вычислений и управления как на потребительском, так и на промышленном рынках.

Полупроводниковые Материалы

Твердотельные материалы обычно группируются в три класса: изоляторы, полупроводники и проводники. (При низких температурах некоторые проводники, полупроводники и изоляторы могут стать сверхпроводниками .

) На рисунке показана проводимости σ (и соответствующие удельные сопротивления ρ = 1 / σ), связанные с некоторыми важными материалами в каждом из трех классов.

Изоляторы, такие как плавленый кварц и стекло, имеют очень низкую удельную проводимость, порядка от 10 -18 до 10 -10 сименс на сантиметр; и проводники, такие как алюминий, имеют высокую проводимость, обычно от 10 4 до 10 6 сименс / см.

 Проводимости полупроводников находятся между этими крайними значениями и обычно чувствительны к температуре, освещенности, магнитным полям и незначительным количествам примесных атомов. Например, добавление около 10 атомов бора (известного как легирующая добавка) на миллион атомов кремния может увеличить свою электрическую проводимость в тысячу раз (частично учитывая большую изменчивость, показанную на предыдущем рисунке).

Изучение полупроводниковых материалов началось в начале 19 века. Элементарные полупроводники — это те, которые состоят из отдельных видов атомов, таких как кремний (Si), германий (Ge) и олово (Sn) в столбце IV и селен (Se) и теллур (Te) в столбце VI периодической таблицы. Однако существуют многочисленные составные полупроводники, которые состоят из двух или более элементов.

 Арсенид галлия (GaAs), например, представляет собой бинарное соединение III-V, которое представляет собой комбинацию галлия (Ga) из столбца III и мышьяка(As) из столбца V. Тройные соединения могут образовываться элементами из трех различных столбцов — например, теллурид индия ртути (HgIn 2 Te 4), соединение II-III-VI.

 Они также могут быть образованы элементами из двух столбцов, таких как арсенид алюминия-галлия (Al x Ga 1 — xAs), который является тройным соединением III-V, где и Al, и Ga взяты из столбца III, а индекс xсвязан к композиции из двух элементов из 100 — процентной Al ( х = 1) до 100 процентов Ga ( х = 0).

Чистый кремний является наиболее важным материалом для применения в интегральных схемах, а бинарные и тройные соединения III-V наиболее важны для излучения света.

Внешние полупроводники

После некоторых экспериментов ученые наблюдали увеличение проводимости полупроводника, когда к нему добавляли небольшое количество примеси. Эти материалы представляют собой внешние полупроводники или примесные полупроводники. Другой термин для этих материалов — «Легированный полупроводник». В качестве примесей используются легирующие примеси.

Важным условием легирования является то, что количество добавляемой примеси не должно изменять решеточную структуру полупроводника. Чтобы достичь этого, размеры атомов легирующей примеси и полупроводника должны быть одинаковыми.

Типы легирующих примесей в внешних полупроводниках

Кристаллы кремния и германия легируются с использованием двух типов легирующих примесей:

  1. Пятивалентный (валентность 5); например, мышьяк (As), сурьма (Sb), фосфор (P) и т. д.
  2. Трехвалентный (валентность 3); например, индий (In), бор (B), алюминий (Al) и т. д.

Причина использования этих легирующих примесей состоит в том, что они имеют атомы такого же размера, что и чистый полупроводник. И Si, и Ge принадлежат к четвертой группе в периодической таблице.

 Следовательно, выбор допантов из третьей и пятой группы. Это гарантирует, что размер атомов мало чем отличается от четвертой группы. Отсюда и трехвалентный и пятивалентный выбор.

 Эти присадки дают начало двум типам полупроводников:

N тип полупроводника

Когда мы добавляем небольшое количество пятивалентной примеси к чистому полупроводнику, тогда образуется полупроводниковый кристалл, известный как полупроводник N-типа.

Сочетание примеси пятивалентного типа с чистым полупроводником обеспечивает наличие большого количества свободных электронов в полупроводниковом кристалле N-типа. Это означает, что полупроводники N-типа имеют большую концентрацию электронов. Примерами пятивалентных примесей являются мышьяк и сурьма.

Пентавалентные примеси также называют «примесью Донара». Их называют так, потому что они жертвуют / поставляют свободные электроны чистому полупроводнику, чтобы сделать его полупроводником N-типа.

Знаете ли вы, почему полупроводник, который вырабатывается донарными примесями, называется полупроводником N-типа? N означает отрицательно заряженный? Полупроводник N-типа не обладает отрицательным зарядом.

 Их называют полупроводниками N-типа, потому что большинство носителей заряда, присутствующих в полупроводниках этого типа, вызывающих поток тока, являются свободными электронами, которые заряжены отрицательно.

Полупроводник типа P

Когда мы добавляем незначительное количество трехвалентной примеси к чистому полупроводнику, тогда образуется полупроводниковый кристалл, который известен как P-тип полупроводника.

Комбинация трехвалентной примеси с чистым полупроводником обеспечивает наличие большого количества дырок в полупроводниковом кристалле P-типа. Примерами трехвалентных примесей являются галлий и индий. Такие примеси, которые производят полупроводники P-типа, известны как акцепторные примеси, потому что созданные дырки могут принимать электроны.

Трехвалентные примеси также называют «примесью акцептора». Их называют так, потому что они принимают электрон и образуют дыры, чтобы сделать его полупроводником P-типа.

Они называются полупроводниками P-типа, потому что большинство носителей заряда, присутствующих в полупроводниках этого типа, вызывающих протекание тока, представляют собой дырки с положительным зарядом. В противоположность полупроводникам N-типа полупроводники P-типа имеют большую концентрацию дырок, чем концентрацию электронов.

Энергетические зоны внешних полупроводников

В внешних полупроводниках изменение температуры окружающей среды приводит к образованию неосновных носителей заряда. Кроме того, атомы легирующей примеси являются основными носителями. Во время рекомбинации большинство носителей уничтожают большинство этих неосновных носителей. Это приводит к снижению концентрации неосновных носителей.

Следовательно, это влияет на структуру энергетической зоны полупроводника. В таких полупроводниках существуют дополнительные энергетические состояния:

  • Энергетическое состояние за счет донорной примеси (ED)
  • Энергетическое состояние за счет акцепторной примеси (EA)

Приведенная выше диаграмма энергетических зон относится к полупроводнику Si n-типа. Здесь вы можете видеть, что уровень энергии донора (ED) ниже, чем у зоны проводимости (EC).

 Следовательно, электроны могут перемещаться в зону проводимости с минимальной энергией (~ 0,01 эВ). Кроме того, при комнатной температуре большинство донорных атомов и очень мало атомов Si ионизируются.

 Следовательно, в зоне проводимости больше всего электронов от донорных примесей.

Приведенная выше диаграмма энергетических зон представляет собой полупроводник Si-типа p-типа. Здесь вы можете видеть, что уровень энергии акцептора (EA) выше, чем у валентной зоны (EV). Следовательно, электроны могут перемещаться из валентной зоны на уровень Ea с минимальной энергией. Также при комнатной температуре большинство акцепторных атомов ионизируются.

Это оставляет дыры в валентной зоне. Следовательно, валентная зона имеет большинство дырок от примесей. Концентрация электронов и дырок в полупроводнике в тепловом равновесии составляет:

n e × n h = n i 2

Внутренний Полупроводник

Внутренний полупроводник — это самая чистая форма полупроводника, элементная, без каких-либо примесей. Естественно доступные элементы, такие как кремний и германий, являются лучшими примерами внутреннего полупроводника. Давайте узнаем их более подробно.

Структура решетки элементов внутреннего полупроводника

Их также называют алмазоподобными структурами. В таких структурах каждый атом окружен четырьмя соседними атомами. Теперь и Si, и Ge имеют четыре валентных электрона, и в кристаллической структуре каждый атом делит один из своих валентных электронов с каждым из своих четырех соседей.

Кроме того, он берет один электрон от каждого из своих соседей. Эта общая пара электронов называется ковалентной связью или валентной связью. Вот как структура Si или Ge выглядит в двумерном измерении с акцентом на ковалентную связь:

Также на изображении выше показана структура со всеми неповрежденными связями. Это возможно только при низких температурах. Когда температура увеличивается и больше энергии становится доступным для валентных электронов, они разрушаются, что приводит к увеличению проводимости элемента.

Теперь тепловая энергия ионизирует только несколько атомов. Эта ионизация создает вакансию в связи. Когда электрон с зарядом -q возбуждается за счет тепловой энергии, он освобождается от связи. Это оставляет вакансию там с эффективным зарядом + q. Эта вакансия с эффективным положительным электронным зарядом является дырой.

Дырка также ведет себя как свободная частица, но с положительным зарядом. В собственных полупроводниках число свободных электронов равно числу дырок и называется внутренней концентрацией носителей.

Внутренний полупроводник — движение отверстий

Другое интересное свойство полупроводников состоит в том, что, как и электроны, дырки тоже движутся. Рассмотрим следующее изображение:

На изображении выше вы можете видеть, что электрон, будучи возбужденным из-за тепловой энергии, отрывается от связи, генерируя свободный электрон.

(Место1) В месте, где электрон высвобождается, создается дырка. Теперь представьте, что электрон из Места 2, как показано на рисунке, прыгает в дыру, созданную в Месте 1.

Теперь дыра переместится из Места 1 в Место 2, как показано на рисунке ниже:

Важно отметить, что электрон, освобожденный из Зоны 1, не участвует в движении дыры. Он движется независимо, как электрон проводимости, вносящий вклад в электронный ток (Ie) под воздействием электрического поля. Кроме того, движение дыры на самом деле является движением связанных электронов.

Под электрическим полем эти отверстия движутся к отрицательному потенциалу, генерирующему ток отверстия (Ih). Следовательно, общий ток (I) составляет:

I = Ie + Ih

Еще одна важная вещь, которую следует помнить, это то, что помимо процесса генерации свободных электронов и дырок, процесс рекомбинации происходит одновременно. В этом процессе электроны рекомбинируют с дырками. В состоянии равновесия скорость генерации равна скорости рекомбинации.

Собственный полупроводник при T = 0K

При T = 0K собственный полупроводник будет вести себя как изолятор.

Конструктивно существует небольшая энергетическая щель между валентной зоной и зоной проводимости в полупроводнике. Когда температура низкая, электроны не достаточно возбуждены, чтобы перейти в состояние с более высокой энергией. Изображение ниже объясняет, как при T = 0K электроны остаются в валентной зоне, и движение в зону проводимости отсутствует.

При повышении температуры при Т> 0К некоторые электроны возбуждаются. Эти электроны прыгают от валентности к зоне проводимости. Вот как это будет выглядеть:

Источник: https://meanders.ru/poluprovodnik.shtml

p–n переход и его электрические свойства

Полупроводники p и n типа, p-n переход
17.11.2011 20:22

    Принцип действия полупроводниковых приборов объясняется свойствами так называемого электронно-дырочного перехода (p-n — перехода) — зоной раздела областей полупроводника с разным механизмами проводимости. 

    Электронно-дырочный переход — это область полупроводника, в которой имеет место пространственное изменение типа проводимости (от электронной n-области к дырочной p-области).

Поскольку в р-области электронно-дырочного перехода концентрация дырок гораздо выше, чем в n-области, дырки из n -области стремятся диффундировать в электронную область.

Электроны диффундируют в р-область.

    Для создания в исходном полупроводнике (обычно 4-валентном германии или кремнии) проводимости n- или p-типа в него добавляют атомы 5-валентной или 3-валентной примесей соответственно (фосфор, мышьяк или алюминий, индий и др.)

    Атомы 5-валентной примеси (доноры) легко отдают один электрон в зону проводимости, создавая избыток электронов в полупроводнике, не занятых в образовании ковалентных связей; проводник приобретает проводимость n-типа.

Введение же 3-валентной примеси (акцепторов) приводит к тому, что последняя, отбирая по одному электрону от атомов полупроводника для создания недостающей ковалентной связи, сообщает ему проводимость p-типа, так как образующиеся при этом дырки (вакантные энергетические уровни в валентной зоне) ведут себя в электрическом или магнитном полях как носители положительных зарядов. Дырки в полупроводнике р-типа и электроны в полупроводнике n-типа называются основными носителями в отличие от неосновных (электроны в полупроводнике р-типа и дырки в полупроводнике n-типа), которые генерируются из-за тепловых колебаний атомов кристаллической решетки.

    Если полупроводники  с разными типами проводимости  привести  в соприкосновение (контакт создается технологическим путем, но не механическим), то электроны в полупроводнике n-типа получают возможность  занять свободные уровни в валентной зоне полупроводника р-типа. Произойдет рекомбинация электронов с дырками вблизи границы разнотипных полупроводников.

    Этот процесс подобен диффузии свободных электронов из полупроводника n-типа в полупроводник р-типа и диффузии дырок в противоположном направлении.

В результате ухода основных носителей заряда на границе разнотипных полупроводников создается обедненный  подвижными носителями слой, в котором в n-области будут находиться положительные ионы донорных атомов; а в p- области — отрицательные ионы акцепторных атомов.

Этот обедненный подвижными носителями слой протяженностью в доли микрона и является электронно-дырочным переходом.

Потенциальный барьер в p-n переходе.

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

Свойства p-n перехода при прямом включении.

Свойства p-n перехода при обратном включении.

    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.

    Однако, кроме зависимости возникшего тока от внешней энергии, например, источника питания или фотонов света, которая используется в ряде полупроводниковых приборов, существует термогенерация. При этом концентрация собственных носителей заряда резко уменьшается, следовательно, и IОБР тоже.

Таким образом, если переход подвергнуть воздействию внешней энергии, то появляется пара свободных зарядов: электрон – дырка. Любой носитель заряда, рожденный в области объемного заряда p–n перехода, будет подхвачен электрическим полем EВН и выброшен: электрон – в n–область, дырка – в p– область.

Возникает электрический ток, который пропорционален ширине области объемного заряда. Это вызвано тем, что чем больше EВН, тем шире область, где существует электрическое поле, в котором происходит рождение и разделение носителей зарядов.

Как было сказано выше, скорость генерации носителей зарядов  в полупроводнике зависит от концентрации и энергетического положения глубоких примесей, существующих в материале.

    По этой же причине выше предельная рабочая температура полупроводника. Для германия она составляет 80º С, кремний: 150º С, арсенид галлия: 250º С (DE = 1,4 эВ). При большей температуре количество носителей заряда возрастает, сопротивление кристалла уменьшается, и полупроводник термически разрушается.

Вольт-амперная характеристика p-n перехода.

    Вольт-амперная характеристика (ВАХ) являет­ся графической зависимостью протекающего через р-n переход тока от приложенного к нему внешнего напря­жения I=f(U). Вольт-амперная характе­ристика р-n перехода при пря­мом и обратном включе­нии приведена ниже.

    Она состоит из прямой (0-А) и обратной (0-В-С) ветвей; на вертикальной оси отложены значения прямого и обратного тока, а на оси абсцисс — значения прямого и обратного напряжения

    Напряжение от внешнего источника, подведенное к кристаллу с р-п переходом, практически полностью со­средотачивается на обедненном носителями переходе. В зависимости от полярности возможны два варианта включения постоянного напряжения — прямое и обрат­ное.

    При прямом включении (рис. справа — верх) внешнее элект­рическое поле направлено навстречу внутреннему и частично или полиостью ос­лабляет его, снижает высо­ту потенциального барьера (Rпр). При обратном включении (рис. справа — низ) элект­рическое поле совпадает по направлению с полем  р-п перехода и приводит к росту потенциального барьера (Rобр). 

    ВАХ p-n перехода описывает­ся аналитической функцией:

где

    U — приложенное к переходу внешнее напряжение соответствующего знака;

    Iо = Iт — обратный (тепловой) ток р-п перехода;

    — температурный потенциал, где k — постоянная Больцмана, q — элементарный заряд  (при T = 300К, 0,26 В).

    При прямом напряжении (U>0) — экспоненциальный член быстро возрастает [], единицей в скобках можно пренебречь и считать . При обратном напряжении (U

Источник: https://emkelektron.webnode.com/news/eljektrichjeskije-svojstva-p-n-pjerjekhoda-kratko-/

Booksm
Добавить комментарий