Сделай Сам Свою Работу на 5

ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА И ХАРАКТЕРИСТИКИ ПОЛУПРОВОДНИКОВ





ВВЕДЕНИЕ

Электроника – это наука о взаимодействии электронов с электромагнитными полями и методах создания электронных приборов и устройств, в которых эти взаимодействия используются для преобразования электромагнитной энергии, передачи, обработки и хранении информации.

 

Электроника - это область науки и техники, занимающаяся изучением физических основ функционирования, разработки и применения явлений, работа которых основана на протекании электрического тока в твердых телах (полупроводники, металлы и диэлектрики), в п/п вакууме, газах, жидких средах, плазме, а также на границах их раздела.

 

С помощью технической электроники решаются проблемы: генерирования, усиления, преобразования, формирования электрических сигналов выполнения логических операций.

 

ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТЬ ПОЛУПРОВОДНИКОВ

Полупроводник - вещество, занимающее промежуточное положение по электропроводности между Ме и диэлектриком. При комнатной температуре удельное сопротивление порядка от 10-4 до 1010 Ом/см. У диэлектриков до 1016 Ом/см. У металлов до 10-3 Ом/см(Al,Ag,Au-самые распространенные). На Земле полупроводников больше чем металлов. Диэлектрик песок самый распространенный в оптовой электронике.



 

Основные положения теории электропроводности. Атом состоит из ядра, окруженного облаком электронов, которые находятся в движении на некотором расстоянии от ядра в пределах слоев, определяемых их энергией. Чем дальше от ядра находится вращающийся электрон, тем выше его энергетический уровень.

При образовании молекул между отдельными атомами действуют различные типы связей. Для полупроводников наиболее распространенными являются ковалентные связи, образующиеся за счет обобществления валентных электронов соседних атомов.

 
 


 

Рис 1. Структура связей атома Si в кристаллической решетке.

 

Структура кристалла никогда не бывает идеальной ни в объеме, ни тем более на поверхности. Обычно в процессе производства нарушается периодичность кристаллической решетки, появляются разнообразные дефекты. Дефекты решетки могут иметь вид пустого узла (дефект по Шоттки) или совокупности пустого узла и междоузельного атома (дефект по Френкелю). Это дефекты точечного типа (рис. 2 а, б).



А) б)

Рис.2 а) Дефект Шоттки - отсутствие одного атома. б)Дефект Френкеля – когда, например, атом кремния заменился атомом алюминия.

 

Полупроводник чистый – плотность атомов ~ 1013

Полупроводник с высокой полупроводимостью – плотность атомов ~ 1016(в оптоэлектроннике).

В процессе образования кристаллической решетки между атомами возникает сильное взаимодействие, приводящее к расщеплению энергетических уровней, занимаемых электронами атомов (рис. 3). Совокупность этих уровней называют энергетической зоной. Число подуровней в каждой зоне определяется числом взаимодействующих атомов.

Разрешенные энергетические зоны 1, 3 отделены друг от друга запрещенной зоной 2. Запрещенная зона объединяет уровни энергий, которые не могут принимать электроны атомов данного вещества.

Рис.3 Условные обозначения 1,3 –разрешенных зон и 2-запрещенной зоны.

 

Разрешенная зона характеризуется тем, что все ее уровни при температуре 0 К заполнены электронами. Верхнюю заполненную зону называют валентной.

Запрещенная зона характеризуется тем, что в ее пределах нет энергетических уровней, на которых могли бы находиться электроны.

Зона проводимости характеризуется тем, что электроны, находящиеся в ней, обладают энергиями, позволяющими им освобождаться от связи с атомами и передвигаться внутри тела, например, под воздействием электрического поля.

 

Уход электрона из валентной зоны приводит к образованию в ней незаполненного энергетического уровня. Вакантное энергетическое состояние носит название дырки. Процесс образования пары электрон-дырка называют генерацией пары. Процесс восстановления разорванных валентных связей называют рекомбинацией.



 

Промежуток времени, прошедший с момента генерации частицы, являющейся носителем заряда, до ее рекомбинации, называют временем жизни, а расстояние, пройденное частицей за время жизни, - диффузионной длиной. Диффузионная длина и время жизни электронов и дырок связаны между собой соотношениями:

; ,

 

где – диффузионная длина электронов и дырок; - время жизни электронов и дырок; - коэффициенты диффузии электронов и дырок (плотности потоков носителей заряда при единичном градиенте их концентраций).

Среднее время жизни носителей заряда численно определяется как промежуток времени, в течение которого концентрация носителей заряда, введенных тем или иным способом в полупроводник, уменьшается в e раз (е ).

Если в полупроводнике создать электрическое поле напряженностью Е, то хаотическое движение носителей заряда упорядочится, т.е. дырки и электроны начнут двигаться во взаимно противоположных направлениях, причем дырки – в направлении, совпадающем с направлением электрического поля. Возникнут два встречно направленных потока носителей заряда, создающих токи, плотности которых равны:

, ,

 

где q – заряд носителя заряда(электрона); n, p – число электронов и дырок в единице объема вещества; - подвижность носителей заряда.

Подвижность носителей заряда есть физическая величина, характеризуемая их средней направленной скоростью в электрическом поле с напряженностью 1 В/см: µ=v/E, где v – средняя скорость носителя.

Так как носители заряда противоположного знака движутся в противоположном направлении, результирующая плотность тока в полупроводнике:

 

Движение носителей заряда в полупроводнике, вызванное наличием электрического поля и градиента потенциала, называют дрейфом, а созданный этими зарядами ток – дрейфовым током.

Движение под влиянием градиента концентрации называют диффузией.

Удельную проводимость полупроводника можно найти как отношение удельной плотности тока к напряженности электрического поля:

,

где - удельное сопротивление полупроводника.

Примесная электропроводность.Физические свойства проводников зависят от содержания в них примесей и от различных дефектов кристаллической решетки (пустые узлы решетки атомов или ионов, находящихся в узлах решетки – точечные примеси).

Примеси бывают: акцепторные и донорные.

1) Акцепторные примеси. Их атомы способны принимать извне один или несколько электроны.

Если в Ge ввести трехвалентный атом In, то образующаяся связь между In и четырьмя атомами Ge устанавливается за счет дополнительного электрона, отобранного у одного из атомов Ge. Такая примесь называется акцепторной.

В акцепторном полупроводнике в запрещенной зоне появляется дополнительный уровень – уровень акцепторных примесей.

Рис.4.Структура (а) и зонная диаграмма (б) полупроводника с акцепторными примесями

2) Донорные примеси. Атомы донорной примеси имеют валентные электроны, слабо связанные со своим ядром. Они не участвуют в межатомных связях.

В запрещенных зонах также появляется дополнительный уровень. Решетка остается положительно заряженной.

Рис.5.Структура (а) и зонная диаграмма (б) полупроводника с донорными примесями

 

 

Донорный полупроводник – n-типа; акцепторный – p-типа.

При увеличении концентрации либо акцепторов, либо доноров, примесные уровни разрастаются.

Вырожденным называется полупроводник с высокой концентрацией примесей. Так как ширина запрещенной зоны становится меньше, следовательно, длина волны электромагнитного излучения становится меньше.

Носители зарядов, концентрация которых преобладает в проводнике, называются основными и наоборот – неосновными. При высоких температурах преобладает проводимость основных.

ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА И ХАРАКТЕРИСТИКИ ПОЛУПРОВОДНИКОВ

Параметры полупроводниковых приборов зависят от электропроводности, следовательно от закономерности протекания электрического тока в отдельных частях приборов.

Уровень Ферми, температурный потенциал.

Уровень Ферми для металлов - это такой энергетический уровень, вероятность нахождения на котором заряженной частицы равна 0,5 при любой температуре тела. Численно уровень Ферми равен максимальной энергии электрона при абсолютном нуле.

В общем случае уровень Ферми характеризует работу, затраченную на перенос заряженных частиц, обладающих массой и находящихся в среде, имеющий градиент электрического потенциала некоторое количество частиц. Поэтому для полупроводников это энергия, значения которой зависит от концентрации носителей заряда в данном теле. Зная уровень Ферми можно вычислить концентрацию носителей заряда и наоборот.

 

Концентрация электронов в зоне проводимости определяется как

 

n = Nl ,

где k – постоянная Больцмана, EF – уровень Ферми, Eс –энергия нижней границы зоны проводимости, Nl – эффективная плотность состояний в зоне проводимости, Nc = 2 - эффективная плотность состояний в зоне проводимости , h – постоянная Планка, - эффективная масса электрона.

Концентрация дырок в валентной зоне:

p = ,

где 2 – эффективная плотность состояний в валентной зоне, – это энергия верхней границы валентной зоны, - эффективная масса дырки.

 

np = ,

где - ширина запрещенной зоны.

Так как при определенной температуре все члены, входящие в последнее уравнение, постоянны (при T = const, = const, = const, = const.

 

np = const.

Таким образом, следует важный вывод: для полупроводника, находящегося в равновесном состоянии и имеющего определенную температуру, произведение концентраций носителей зарядов есть величина постоянная и не зависящая от концентрации и распределения примесей.

Для собственного проводника и уровень Ферми лежит в середине запрещенной зоны, .

Зная концентрации доноров и акцепторов, можно определить уровень Ферми.

 

Если значения энергий уровня Ферми разделить на заряд электрона q, все приведенные выражения останутся справедливыми, только в них вместо энергий будут стоять значения соответствующих потенциалов Ферми:

где - температурный потенциал; – электрический потенциал (потенциал середины запрещенной зоны); – потенциал нижней границы зоны проводимости; - потенциал верхней границы валентной зоны.

 

Концентрация носителей зарядов. Для любого полупроводника, находящемся в состоянии равновесия: nipi = ni2 = pi2= np = const.

Из понятия np=const можно считать, что концентрация электронов полностью определяет концентрацию дырок в полупроводнике и наоборот, то есть . тогда концентрация дырок, являющихся неосновными носителями заряда, в полупроводнике n-типа Так как и , при увеличении температуры концентрация неосновных носителей заряда увеличивается по экспоненциальному закону. Аналогичное выражение имеет место и для проводника p-типа.

Из приведенных уравнений следует, что увеличение количества электронов при данной температуре всегда вызывает пропорциональное уменьшение количества дырок и наоборот.

Т.к. при данной температуре количество электронов и дырок постоянно, то рекомбинация одной пары вызовет генерацию электрона и дырки в другом месте. Рекомбинация и генерация дырок и электронов в полупроводнике происходят непрерывно.

В зависимости от характера процессов различают несколько видов рекомбинаций: межзонная, через рекомбинационные центры, поверхностный.

Уравнения непрерывности.Пусть носители заряда в полупроводнике в равновесном состоянии имеют концентрации, которые принято называть равновесными или . Если в ограниченный участок объема полупроводника ввести дополнительные электроны или дырки, то концентрации носителей заряда в первый момент будут отличаться от равновесной

,

где , - избыточные концентрации электронов и дырок.

В такой ситуации в полупроводнике возникает электрическое поле, под влиянием которого избыточные заряды будут покидать этот объем. Изменение их концентраций определяется из уравнения непрерывности. Для данного случая:

,

Здесь – изменение напряженности электрического поля E по геометрической координате x, - подвижность электронов и дырок.

Решение уравнения позволяет определить разность изменения избыточных концентраций:

,

где - время диэлектрической проницаемости.

Важный вывод: в однородном полупроводнике независимо от характера и скорости образования носителей заряда в условиях как равновесной, так и неравновесной концентрации не могут иметь место существенные объемные заряда в течение времени, большего (3-5) , за исключением участков малой протяженности.

Это вывод называется условием электронейтральности или квазиэлектронейтральности полупроводника. За исключением объема p-n перехода.

Условие электронейтральности для полупроводника можно записать в виде выражения, в котором имеются электроны и дырки с концентрациями n и p и ионы акцепторные и донорные с концентрациями можно записать в виде

Различают два механизма обеспечения условия электронейтральности: 1) Если в полупроводник p-типа ввести некоторое количество дырок Δ , то они уходят из начального объема по формуле ; 2) Если в полупроводник n-типа ввести дополнительные дырки Δp(0) , то из объема полупроводника под действием электрического поля приходит в эту область компенсирующий заряд .

Полупроводник всегда электронейтрален.

Таким образом, если возмущение было вызвано основными носителями заряда, то происходит их рассасывание за малый промежуток времени. Если возмущение вызвано неосновными носителями заряда, то в короткий промежуток времени в полупроводнике появится дополнительный заряд основных носителей, компенсирующий заряд неосновных носителей.

Если возмущение, в результате которого появилась дополнительная концентрация носителей заряда в полупроводнике, закончилось, то эти заряды в результате рекомбинации рассасываются, причем их концентрация убывает до равновесной по экспоненциальному закону.

Δp = Δn = Δn(

В общем случае в полупроводнике имеется градиент концентрации примесей, создающих электропроводимость определенного типа и градиент электрического поля. Поэтому движение носителей заряда обусловлено двумя процессами: диффузией и дрейфом.

Диффузионные составляющие для тока:

 

Плотность суммарного диффузионного тока:

 

С учетом механизма перераспределения носителей можно записать уравнения непрерывностей:

 

, время жизни носителя заряда.

Из этих уравнений следует вывод: изменение концентрации носителей заряда в полупроводнике с течением времени происходит из-за их рекомбинации, перемещения вследствие диффузии и дрейфа и градиента поля.

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПЕРЕХОДЫ

Электрический переход в полупроводнике – это граничный слой между двумя областями, физические характеристики которых существенно различаются.

Переходы между двумя областями полупроводника с различным типом электропроводностей называются электронно-дырочными или p-n переходами.

Переходы между двумя областями с одним типом электропроводности (p- или n-типом), отличающиеся концентрацией примесей и соответственно значением удельной проводимости, называют электронно-электронными ( - переход) или дырочно-дырочными ( - переход), причем знак «+» в обозначении одного из слоев показывает, что концентрация носителей заряда одного типа в этом слое значительно выше, чем во втором, и поэтому слой имеет меньшее удельное электрическое сопротивление.

Переходы между двумя полупроводниковыми материалами, имеющими различную ширину запрещенной зоны, называют гетеропереходами. Если одна из областей, образующих переход, является металлом, то такой переход называют переходом металл-полупроводник.

 

Контакт металл-полупроводник.Пусть уровень Ферми в металле, который всегда расположен в зоне проводимости, лежит выше уровня Ферми полупроводника p-типа.

 

Рис. 1. Энергетическая зонная диаграмма контакта металл-полупроводник p-типа:

а – металл, б – полупроводник p-типа, в – контакт металл-полупроводник.

 

Так как энергия электрона металла больше энергии носителей заряда полупроводника, часть электронов перейдет из металла в полупроводник. Переход будет продолжаться до тех пор, пока уровни Ферми вблизи контакта не выровняются. В полупроводнике вблизи контакта окажется избыточный заряд электронов Δn которые начнут рекомбинировать с дырками. Уменьшение концентрации дырок приведет к нарушению электронейтральности на этом участке. На нем образуется слой неподвижных отрицательных заряженных ионов акцепторной примеси, соответственно область не зарядится положительно, следовательно образовался объемный заряд в области контакта.

В равновесной системе наблюдается динамическое равновесие встречно движущихся основных и неосновных носителей заряда.

В узком приконтактном участке, толщина которого характеризуется так называемой дебаевской , энергетические уровни искривлены (рис. 1, в).

Переход между металлом и полупроводником обладает вентильными свойствами. Его называют барьером Шоттки.

Аналогичные процессы имеют место при контакте Ме с полупроводником n-типа, у которого уровень Ферми выше, чем у Ме.

Рис. 2. Зонная диаграмма контакта металл-полупроводник, при котором возникает инверсный слой: а - металл, б - полупроводник n-типа, в - контакт металл-полупроводник

Контакт двух полупроводников p- и n- типов.Рассмотрим переход между двумя областями полупроводника, имеющими различный тип электропроводности. Концентрации основных носителей заряда в этих областях могут быть равны или существенно различаться.

Электронно-дырочный переход, у которого , называют симметричным. Если концентрация основных носителей заряда в областях различны ( или ) и отличаются в 100…1000 раз, то такие p-n-переходы называют несимметричными.

В зависимости от характера распределения примесей, различают два типа переходов: резкий (ступенчатый) и плавный. В резком переходе концентрации примесей на границе раздела областей изменяются на расстоянии, соизмеримом с диффузионной длиной. В плавном переходе концентрации примесей на границе раздела областей изменяются на расстояние значительно большее диффузионной длины.

 

Свойства несимметричного p- n-перехода.Пусть концентрация дырок в области полупроводника p-типа намного выше концентрации электронов в области n-типа.

Так как концентрация дырок в области р выше, чем в области n, часть дырок в результате диффузии перейдет в n-область, следовательно вблизи границы окажутся избыточные дырки, которые будут рекомбиноровать с электронами. Следовательно в этой зоне уменьшится концентрация свободных электронов и образуется области нескомпенсированных положительных ионов донорных примесей. В p-области уход дырок из граничного слоя способствует образованию областей с некомпенсированными отрицательными зарядами акцепторных примесей, созданными ионами.

Подобным же образом происходит диффузионное перемещение электрона из n слоя в р слой. Перемещение происходит до тех пор, пока уровни Ферми не сравняются.

Переход неосновных носителей приводит к уменьшению объемного заряда и электрического поля в переходе. Как следствие, имеет место дополнительный диффузионный переход основных носителей, в результате чего электрическое поле принимает исходное значение. При равенстве потоков основных и неосновных носителей заряда и соответственно токов, наступает динамическое равновесие.

Таким образом, через в p-n- переход в равновесном состоянии движутся два встречно направленных потока зарядов, находящихся в динамическом равновесии и взаимно компенсирующих друг друга.

Ионы в р-n-переходе создают разность потенциалов Uk, называемую потенциальным барьером или контактной разностью потенциалов.

Напряженность электрического поля - дифференциал от Uk, взятый по координате:

E =

Значение контактной разности потенциалов определяется положениями уровней Ферми в областях n и р:

Ширину несимметричного ступенчатого перехода можно определить из выражения:

,

 

где - относительная диэлектрическая проницаемость полупроводника; - диэлектрическая постоянная воздуха.

Переход, смещенный в прямом направлении.Уменьшится потенциальный барьер и станет равным: . Соответственно уменьшится ширина p- n-перехода: и его сопротивление. В цепи потечет электрический ток. Однако до тех пор, пока | |>|U|, обедненный носителями заряда p- n-переход имеет высокое сопротивление и ток имеет малое значение. Этот ток вызван дополнительным диффузионным движением носителей заряда, перемещение которых стало возможным в связи с уменьшением потенциального барьера.

При |=|U| толщина p- n-перехода стремится к нулю и при дальнейшем увеличении напряжения U переход как область, обедненная носителями заряда, исчезает вообще.

 

Рис. 1.Структура p- n-перехода, смещенного в прямом направлении(а); распределение потенциалов в p- n-переходе (б)

Введение носителей заряда через электронно-дырочный переход в область полупроводника, где они являются неосновными носителями за счет снижения потенциального барьера, называется инжекцией.

Инжектирующий слой с относительно малым удельным сопротивлением называют эммитером, слой в котором инжектриуются не основные для него носители, - базой.

Вблизи p- n-перехода концентрации дырок в области n и электронов в области p отличаются от равновесной: ; .

Дополнительные н.н.з. в течение времени (3…5)τ компенсируются основными носителями заряда, которые приходят из объема полупроводника. В результате на границе p-n- перехода появляется заряд, созданный основными носителями заряда. И выполняется следующее условие: ∆nn ∆pn; ∆pp ∆np

Электронейтральность полупроводника восстанавливается. Такое перераспределение основных носителей заряда приводит к появлению электрического тока во внешней цепи, т.к. по ней поступают носители заряда взамен ушедших к р-n- переходу и исчезнувших в результате рекомбинации. При диффузии н.н.з. внутрь полупроводника, концентрация их непрерывно убывает за счет рекомбинации. Если размеры р- и n- областей превышают диффузионные длины Ln, Lp, то концентрации неосновных носителей заряда при удалении от перехода определяются как:

,

 

где х- расстояние от точки, где избыточная концентрация равна ∆pn или ∆np.

На расстоянии х≈(3±5)L концентрация н.н.з. стремится pn0 и np0. Вдали от p-n- перехода, где диффузионная составляющая тока стремится к нулю, последний имеет дрейфовый характер, и о.н.з. движутся в электрическом поле, созданном внешним напряжением на участке p- и n- областей, имеющих омическое сопротивление.

В равновесном состоянии через p-n-переход протекает ток, имеющий две составляющие. Одна обусловлена диффузией основных носителей зарядов в область, где они являются неосновными, другая - дрейфом н.н.з. теплового происхождения. Ток диффузии о.н.з. - IT за счет снижения потенциального барьера увеличивается и является функцией приложенного напряжения.

Другая составляющая тока при приложении внешнего напряжения остается практически без изменений, что обусловлено генерацией вблизи p-n- перехода носителей, на расстоянии меньшем диффузионной длины.

Это уравнение идеализированного p-n- перехода, на основе которого определяют вольт-амперные характеристики полупроводниковых приборов. IT - тепловой ток (обратный ток насыщения). Он зависит от температуры и не зависит от напряжения.

 

Переход, смещенный в обратном направлении.

 

Рис. 2. Структура p-n-перехода смещенного в обратном направлении (а) распределение потенциала в р-n- переходе (б)

 

Если к электронно-дырочному переходу приложено обратное напряжение, полярность которого совпадает с направлением контактной разности потенциалов («+» к n-области, «-» к р-области), то общий потенциальный барьер повышается.

Движение основных носителей через p-n- переход уменьшается и при некоторых значениях U вообще прекращается, т.е. начинается дефицит основных носителей в область p-n- перехода. При этом ток обусловлен движением н.н.з., которые, попав поле электронно-дырочного перехода, будут ими же захватываться и переноситься через p-n- переход. Это экстракция («отсос» н.н.з.). Уход н.н.з. приводит к тому, что концентрация p-n- перехода снизится до нуля. Убыль н.н.з. создает электрический ток. Для обратного смещения:

Таким образом, тепловой ток, вызванный движением н.н.з., остается неизменным, а ток, вызванный диффузией о.н.з., уменьшается по экспоненциальному закону. При напряжении 2-3φT током о.н.з. можно пренебречь. Значение обратного тока не зависит от обратного напряжения, приложенного к p-n- переходу. Поэтому тепловой ток IT в этом случае называют обратным током насыщения. Это объясняется тем, что все н.н.з., генерируемые в объеме, ограниченном диффузионной длиной и площадью p-n- перехода, участвуют в движении через p-n-переход. Из этого следует, что идеализированный p-n- переход имеет вентильные свойства.

 

 








Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту:



©2015 - 2024 stydopedia.ru Все материалы защищены законодательством РФ.