Физические основы полупроводниковых приборов

Чтобы понять принципиальное различие в механизмах возникновения электропроводности в вакуумной среде и в полупроводниках рассмотрим, для начала, механизм протекания тока в электрическом поле в вакууме при эмиссии электронов из разогретого металла. При разогреве электрическим током металла его электроны приобретают энергию, достаточную для выхода из металла в вакуум. В отсутствие дополнительной энергии, электроны, вышедшие из металла, возвращаются в него, так как на них действует сила кулоновского притяжения положительных ионов металла, оставшихся не скомпенсированными после выхода электронов в вакуум, рис.1.а.

Рис.1. Схема эмиссии электронов с поверхности нагретого электрическим током металла (а), и схема возникновения тока электронов при создании электрического поля Е в промежутке между нагретым электродом катодом (К) и холодным электродом анодом (А).

Работа, которую совершают электроны для того, чтобы покинуть металл, называется работой выхода. Т.о., если электроны возвращаются в металл, то они не создают электрическийток - направленное движение заряженных частиц.

Для получения тока эмитированных электронов в вакууме необходимо в нем создать электрическое поле, которое компенсировало бы поле между электронами и положительными ионами металла, рис.1.б. Это поле создается между нагретым металлическим электродом – катодом, - и холодным электродом – анодом. Анод должен иметь положительный потенциал относительно катода, чтобы это электрическое поле ускоряло электроны и было направлено против поля между электронами и положительными ионами металла катода. Это поле создается источником ЭДС в цепи анода.

Представленная на рис.1.б схема представляет собой схему вакуумного диода. Если на анод относительно катода подается положительный потенциал, то в анодной цепи протекает ток. В противном случае, если анод имеет отрицательный потенциал относительно катода, в вакуумном пространстве диода создается электрическое поле, направление которого совпадает с направлением поля между эмитируемыми электронами и положительными ионами металла катода. Это поле подавляет направленное движение эмитируемых электронов и ток в цепи анода отсутствует. Таким образом, вакуумный диод обладает односторонней проводимостью тока в зависимости от знака потенциала на аноде относительно катода.

Если между анодом и катодом установить дополнительный электрод – управляющую сетку, - то при подаче на нее потенциала соответствующего знака и величины можно управлять величиной тока в анодной цепи при постоянном напряжении на аноде. При этом напряжение на управляющей сетке в несколько раз меньше, чем на аноде, так как она расположена ближе к катоду и создает при этом напряжении электрическое поле, сравнимое по величине с электрическим полем анода, рис.2. Такое устройство называется вакуумным триодом. Сетка представляет собой, как правило, навитую спираль вокруг катода, которая прозрачна для электронов.

	а) б)

Рис.2. Схемы суперпозиции электрических полей анода и сетки при положительных потенциалах относительно катода на обоих электродах (а), и при отрицательном потенциале на сетке относительно катода (б).

Управление током осуществляется посредством изменения суммарной величины электрического поля анода и сетки в зазоре между сеткой и катодом. При увеличении силы поля в этом зазоре ток анода увеличивается, при ослаблении суммарного поля ток анода уменьшается.

Подытоживая сказанное, можно сделать вывод, что во всех рассмотренных случаях речь идет об управлении высотой так называемого потенциального барьера j_b, который электроны преодолевают с некоторой вероятностью для выхода в вакуум (рис.3 – для вакуумного диода, рис.4 – для вакуумного триода).

Рис.3. Схема управления высотой потенциального барьера в вакуумном диоде посредством изменения напряжения на аноде U_a. L – расстояние между анодом и катодом; стрелки указывают направление движения и количество электронов, преодолевших потенциальный барьер. Высота суммарного барьера равна потенциалу исходного барьера за вычетом потенциала, создаваемого анодом вдоль координаты Х.

		a) б)

Рис.4. Схема изменения высоты потенциального барьера посредством изменения напряжения на управляющей сетке U_c при неизменном напряжении на аноде; l – расстояние от катода до сетки.

Несомненно, что сила тока будет зависеть и от температуры нагрева катода, которая определяет энергию теплового движения электронов и, следовательно, скорость эмиссии. Но такой способ регулирования тока совершенно неэффективен.

Принципнтыиально иной механизм протекания тока наблюдается в полупроводниках и структурах на их основе. Рассмотрим для начала природу электропроводности полупроводников.

К полупроводникам относят материалы, у которых электропроводность при абсолютном нуле температуры равна нулю. Это означает, что в отличие от металлов в полупроводниках при 0К нет свободных носителей заряда, которые под действием электрического поля могут создать электрический ток.

При температуре полупроводника отличной от нуля при приложении к нему напряжения возникает электрический ток, что свидетельствует о появлении в нем свободных носителей заряда. Из этого следует вывод, что атомы полупроводника, поглощая тепловую энергию, освобождают носители заряда. Известно, что в атомных системах переход электронов из одного энергетического состояния в другое осущетвляется квантовано. Следовательно, между связянным состоянием носителя заряда в полупроводнике и свободным состоянием сущствует энергетическая зона, значения энергий которой запрещены для носителей заряда. Эта зона энергий носит название запрещенной зоны, рис.5, где она обозначена E_g.

Рис.5. Энергетические диаграммы состояния носителей заряда в полупроводнике при температуре абсолютного нуля (а) и при Т>0. Светлые кружки – уровни энергии, на которых отсутствуют электроны в валентной зоне: зоне, состоящей из уровней энергии валентных электронов, черные кружки – свободные электроны на уровнях энергии в разрешенной зоне, называемой зоной проводимости. Обычно уровни в разрешенных зонах не отображают, а изображают края зон: E_C – дно зоны проводимости, E_V – потолок валентной зоны.

Электрон, перешедший с валентного уровня на верхний разрешенный уровень, оставляет на своем месте разорванную валентную связь. Этот переход называется генерацией н.з. В представленной энергетической модели разорванная валентная связь интерпретируется как квазичастица, которая называется дыркой. Обратный переход электрона на место дырки называется рекомбинацией н.з.

Так как электрон имеет отрицательный заряд, то дырка, естественно, заряжена положительно. Дырка в валентной зоне подвижна, также как и электрон в зоне проводимости. Механизм движения дырки представлен на рис.6.

- атом; - электрон; - дырка

Рис.6. Схема механизма движения дырки в электрическом поле

Величины концентраций электронов и дырок связаны соотношением:

(1)

где n₀, p₀ – концентрации электронов и дырок соответственно; n_i – собственная концентрация носителей заряда. Концентрация носителей заряда – число носителей заряда, приходящееся на единицу объема. Собственная концентрация – концентрация электронов и дырок в идеально чистом полупроводнике: n_i = p_i. Концентрация носителей заряда в полупроводнике зависит от температуры. При фиксированной температуре n_i = const и зависит от ширины запрещенной зоны полупроводника.

Собственная концентрация носителей заряда экспоненциально растет при повышении температуры:

(2)

где N – множитель, зависящий от температуры по закону Т^3/2; E_g – ширина запрещенной зоны; k – постоянная Больцмана (k = 1.38×10^-23 Дж×К); Т – абсолютная температура.

Если в полупроводник введена примесь, то концентрации электронов и дырок будут определяться концентрацией примеси. Если примесь создает в полупроводние электроны, то она называется донорной, если примесь создает дырки, то она называется акцепторной. Концентрация примеси в полупроводниках в зависимости от области применения приборов на их основе варьируется от 10¹³ до 10¹⁹ см^-3. При этом концентрация основных н.з. - электронов в донорном (электронном) полупроводнике или дырок в акцепторном (дырочном) полупроводнике, - практически не зависит от температуры в диапазоне 150 – 400К. Дырки в донорном полупроводнике и электроны в дырочном полупроводнике называются неосновными н.з.

Основными параметрами полупроводника являются: подвижность н.з., время жизни н.з., удельная электропроводность (удельное сопротивление), длина диффузии н.з.

Подвижность н.з. m - это скорость дрейфа н.з. в электрическом поле единичной напряженности; скорость дрейфа – скорость направленного движения н.з. вдоль вектора напряженности. Таким образом плотность электрического тока в электрическом поле напряженностью Е будет равна:

(3)

В этом выражении произведение

(4)

называется удельной электропроводностью, а ее обратная величина – удельным сопротивлением. Здесь q – элементарный заряд: q = 1.6×10^-19 Кл.

Время жизни н.з. t – это среднее время нахождения носителя заряда в разрешенной зоне от момента генерации до момента рекомбинации.

Длина диффузии L_D – это расстояние, которое проходят носители заряда при диффузии за время жизни.

Дата добавления: 2015-05-06