Logo GenDocs.ru

Поиск по сайту:  


Загрузка...

Лекции - Физические основы электроники (ФОЭ) - файл 1.doc


Лекции - Физические основы электроники (ФОЭ)
скачать (11333 kb.)

Доступные файлы (1):

1.doc11333kb.17.11.2011 00:16скачать

содержание
Загрузка...

1.doc

1   2   3   4   5   6   7   8   9
Реклама MarketGid:
Загрузка...

Особенности ПП с электронной проводимостью. Если ввести атом вещества, имеющий пять валентных электронов, то четыре электрона вступают в связь с атомами например, германия, а пятый остается лишним и при Т=300 градусов становится свободным.


Для того чтобы примесная проводимость преобладала над собственной (ni), надо вводить примесь порядка Nд = 1016см-3. Такой кристалл с электронной проводимостью обозначают на рисунке 5.2.






Рисунок 5.2 – ПП с электронной проводимостью



Рисунок 5.3 – Электрическая диаграмма и графики Ферми-Дирака для ПП с электронной проводимостью


Атомы примеси отдают энергию уровнями больше чем уровни собственного ПП, поэтому уровни донора расположены вблизи зоны проводимости ПП на уровне ΔWn=0.05эВ. Так как при Т=300 градусов сообщается ΔW=0.026Эв, то все электроны с примесного уровня переходят в зону проводимости ПП. Поэтому кривая распределения Ферми-Дирака и уровень Ферми Wf смещаются вверх, что увеличивает количество свободных электронов в ПП.

Особенности ПП с дырочной проводимостью.





Рисунок 5.4 – Кристалл с акцепторной примесью


Валентные электроны атомов акцепторной примеси расположены на энергетическом уровне, находящегося в непосредственной близости от зоны валентных электронов собственного ПП.



Рисунок 5.5 – Энергетическая диаграмма и графики Ферми-Дирака


Валентные электроны ПП легко переходят на примесные уровни акцептора, следовательно, в валентной зоне ПП появляется большое число дырок. Они будут заполняться другими электронами валентной зоны, на месте которых образуются новые дырки, и т.д. Появляется возможность последовательного смещения электронов в валентной зоне, что обуславливает повышение проводимости. Кривая Ферми-Дирака и уровень Ферми смещаются вниз.

Концентрация дырок в р-типа равна:

Pp=Na+Pi=Na


Так как Na  Pi.

^ Положение уровня Ферми в ПП. При определении концентрации WF не учитывали, но для определения закона распределения носителей по энергии необходимо знать WF.

1) В собственном ПП (n = p = ni)

WFi = 0,5 (WC + WV) по середине ΔWЗ;

2) В ПП типа n, где n = nn = Nд

, т.к. Nд >> ni, то в n-ПП уровень WFn располагается: выше WFi середины зоны, с ↑ Nд ΔWFn смещается вверх, в сторону зоны проводимости, но ниже WC (это справедливо для невырожденных ПП); с ↑ Nд при некотором значении Nд WFn окажется на уровне 2kT от WC, а при дальнейшем ↑ Nд войдет в зону проводимости, и ПП становится вырожденным (Ферми-Дирак).

3) В ПП типа р, уровень Ферми определяется: , т.к. Nа >> ni, то WFp находится ниже середины ΔWз.

- с ↑ Nа WFp приближается к потолку WV и даже войдет в валентную зону и когда WFp окажется ниже WV + 2kT ПП станет вырожденным;

- значения Nд.кр и Nа.кр – когда ПП становится вырожденным.

Вывод:

- положение уровня Ферми в p и n полупроводниках с примесью смещается в сторону зоны, где находятся основные носители;

- значение концентрации примеси, при котором положение уровня совпадает с границей зоны – называют критической (рисунок 5.6).



Рисунок 5.6 – Зависимость WF от примесей


^ Зависимость положения WFi от температуры

1) В чистом ПП положение WFi не зависит от Т0 К.

2) Из формулы WFn = WС – kT lg (NC/n) видно, что в n-полупроводнике в диапазоне рабочей Т0 концентрация электронов от Т0 не зависит, из-за «истощения примеси», поэтому уровень Ферми будет смещаться вниз (рисунок 5.7).

3) Но при Т>ТМАХ ПП будет вести себя как собственный, а поэтому положение WF = WFi, т.е. будет по середине запрещенной зоны, и чем меньше концентрация примеси, тем при меньшей ТМАХ происходит потеря свойств примесного ПП, он становится собственным.



Рисунок 5.7 – Зависимость уровня Ферми от температуры


Аналогичный вывод делается и для ПП с дырочной проводимостью, только смещение WF будет происходить вверх от зоны WV.

Описанные процессы зависят от материала, т.е. от ΔWЗ. Так как в Ge ni (на три порядка больше) чем в Si, то при одинаковой концентрации примеси значение ТМАХ у германия будет ниже. ТМАХ для Si (125-1500С).

^ Температурная зависимость проводимости ПП. Электропроводность собственного ПП определяется как  = е (n ni+p pi).

Для примесного ni – типа и рi– типа:

=е nNq;

=epNa;

полная пр = равна сумме.

^ Зависимость электропроводности от температуры

,

где Wпр - энергия ионизации атомов примеси, т.е энергия необходимая для перехода электронов с примесного уровня в соответствующую зону или уровень.



кривая 1 – ПП легирован донорной примесью; кривая 2 – беспримесный германий


Рисунок 5.8 – Температурная зависимость удельной электропроводности примесного ПП


Участок 1 – при относительно низких температурах, удельная электропроводность примесного ПП определяется примесной составляющей, т.е концентрацией и подвижностью основных носителей. С понижением T0 удельная проводимость уменьшается (кривой 1). С увеличением температуры подвижность носителей уменьшается, т.к возростает число столкновений носителей с атомами (сокращается средняя длина свободного пробега). Поэтому электропроводность снижается (участок 2).

В области положительных температур начинает играть собственная проводимость ПП связанная с генерацией электронов и дырок, что приводит к возрастанию проводимости по экспоненциальному закону (участок 3) и совпадает с такими же изменениями собственного ПП ( кривая 2).

ВЫВОД: на участке 2 - электропроводность остается относительно стабильной, поэтому приборы и должны работать в этом интервале температур.

На участке 1 и 2 –электропроводность существенно изменяется, что может привести к нарушению работы прибора.

^ Понятие вырожденные и невырожденные полупроводники.

Полупроводник с концентрацией и более называются вырожденными или полуметаллами, так как примесные уровни «расщепляются» и образуют примесную зону, она почти сближается с ближайшей разрешенной зоной ПП, эта зона не полностью заполнена электронами, что соответствует структуре металла.

^ Невырожденные полупроводники – это полупроводник, с небольшой концентрацией примесей, недостаточной для образования примесных зон и вырождения полупроводника в полуметалле.


^ 5.2 Понятие об электронно-дырочном переходе, типы переходов, токи в p – n переходе


Электрическим переходом называют переходной слой между областями твердого тела с различными типами электропроводимости (n – полупроводник, p – полупроводник, метала, диэлектрик) или областей с одинаковым типом электропроводности, но с различными значениями удельной проводимости.

Чаще всего используется электрический переход между полупроводниками n и p типа называемый электронно-дырочным переходом или p–n – переходом. Структура идеального p–n – перехода.



Рисунок 5.9 – структура p – n – перехода.


На рисунке 5.9 показано распределение концентрации примесей (Na – акцептор, Nд – донорная).

Удельные Na и Nд не зависят от координаты, поэтому из-за скачкообразного перехода в сечении X0, переход называется резким и симметричным.

Если Na >> Nд, то переход считается резким и несимметричным.

^ Образование p–n – переходов. В исходном состояние (до контакта) p и n – полупроводники электрически нейтральны, так как заряд основных носителей в каждом полупроводнике компенсировался зарядов ионов примесей и не основных носителей.

Концентрация основных и не основных носителей в p – области ppNa и np=ni2/Na, а в n – области nn  Nд и pn=ni2/Nд.

Поэтому при контакте появляется градиент концентрации дырок pp и nn , а значит, произойдет диффузия дырок из приконтактного слоя p в область n, а электронов из n области в p область.

Уход основных носителей приводит к нарушению электрической нейтральности в приконтактных областях в близи плоскости X0: в p области окажется нескомпенсированный отрицательный заряд неподвижных акцепторных ионов, а в n области нескомпенсированный положительный заряд донорных ионов.



Рисунок 5.10 – Условное изображение p – n – перехода


Носители, перешедшие в другую область, должны рекомбинировать с основными носителями этой области. Уменьшение основных носителей при рекомбинации приводит к нарушению электрической нейтральности и увеличению нескомпенсированных зарядов ионов слева и справа от плоского контакта.

Вывод: вблизи контакта образуется двойной электрический слой, т.е. создается электрическое поле с напряженностью поля Е.

Образовавшиеся поле является тормозящим (создается потенциальный барьер) для диффундирующих через контакт основных носителей каждой области. Но по мере увеличения потенциального барьера, его могут преодолеть только те основные носители, которые имеют достаточную энергию больше, чем высота барьера.

Для неосновных носителей поле будет ускоряющим, а поэтому появится ток дрейфа: электронов из p – области, а дырок из n – области в p – область.

С ростом Е ток диффузии уменьшается, а рост дрейфового тока увеличивается, но при определенном значении Е наступает равновесие. Это равновесное значение встречных потоков соответствует определенной разности потенциалов, которую называют контактной разностью потенциала или диффузионным потенциалом.

В близи плоскости контакта образовалась переходная область, обедненная подвижными носителями заряда, которую назвали pn – переходом или обедненным слоем.

Так как области до образования контакта были электрически нейтральными, то вся структура после контакта осталась нейтральной. Нейтральным является и обедненный слой, так как заряды Qa =Qд

Так как обедненный слой располагается в разных областях, но протяженность слоя в областях обратно пропорциональна концентрации примесей. Если Na>>Nд, то обедненный слой располагается в основном в области с меньшей концентрации примеси, обычно называемый базовой областью (это в данном случае N область). Область с большей концентрацией называют эмиттером.

Энергетическая диаграмма pn – перехода указана на рисунке 5.3.



Рисунок 5.11 – Энергетическая диаграмма pn – перехода.


Уровень Ферми WF не зависит от координаты X0, он находится в близи зон проводимости и валентной.

Излом этих границ на значение Ek=ek характеризует контактную разность потенциалов, которая является потенциальным барьером только для основных носителей обеих областей. Например, электрон 1, подошедший к границе обедненного слоя, не может перейти из n в p – область, так как его энергия не достаточна для преодоления барьера. А электрон 2 может преодолеть барьер. Аналогично будет и для дырок – основных носителей. Для неосновных носителей поле будет ускоряющим.

Контактную разность потенциалов можно определить:

Uk pn=kT/e ln pp/pn=kT/elnNaNд/ni2=тlnNaNд/ni2,

где kT/e – температурный потенциал, обозначается т.

Uk pn зависит:

  1. от ширины запретной зоны ПП, при одинаковых концентрациях она больше у ПП с большей шириной;

  2. от концентрации примесей в областях, с увеличением примеси Uk pn возрастает;

  3. от температуры ПП, с увеличением температуры Uk pn уменьшается.

Значение толщины запирающего слоя определяют:

,

где - относительная диэлектрическая проницаемость ПП;

Если переход резко несимметричен Na>>Nд, то

d p – n= (20 / eNa) k

Для симметричного pn – перехода с линейным распределением примеси Nэф




d=120 φк / e dNэф / dx


5.3 Прямо смещенный p – n –переход.



Рисунок 5.12 – Прямое включение pn – перехода


Прямое включение если плюс внешнего источника подключен к p – области, а минус источника к n – области. Так как сопротивление pn – перехода намного больше сопротивления областей, то все напряжения Uпр оказываются приложенным к обедненному слою.

Силовые линии внешнего поля направлены на встречу силовым линиям внутреннего поля поэтому результирующие напряжение определяется как U=Uk pnUпр, т.е. тормозящее действие для основных носителей уменьшается и основные носители начинают инжектировать через переход, приближаясь к pn - переходу основные носители частично компенсируют объемные пространственные заряды, уменьшая тем самым ширину запирающего слоя и его сопротивления. В цепи возникает ток, при этом диффузионная составляющая через переход увеличивается, а дрейфовая уменьшается.

При Uk = Uпр толщина pn – перехода стремится к нулю и при дальнейшем увеличении Uпр запирающий слой исчезает, поэтому основные носители свободно диффундируют в смежные области полупроводников, что нарушает термодинамическое равновесие, а поэтому Iдиф Iпр , так как Iдр 0.

Процесс переноса носителей через прямосмещенный pn – переход в область полупроводника, где они становятся неосновными носителями, называется инжекцией.

Неравновесные неосновные носители диффузируют в глубь ПП и нарушают его нейтральность. Восстановление электронейтральности происходит за счет поступления носителей от внешнего источника в замен ушедших к pn – переходу и исчезнувших в результате рекомбинации, по этому во внешней цепи возникает ток электронов.

Обратное включение p – n – перехода.


1   2   3   4   5   6   7   8   9



Скачать файл (11333 kb.)

Поиск по сайту:  

© gendocs.ru
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации
Рейтинг@Mail.ru