Положительного — дырки),

Переход электрона из валентной зоны в зону проводимости называют процессом генерации электрона, обратный переход — процессом рекомбинации.

Полупроводники (понятие)

Итак, полупроводники́ — материалы, которые по своей удельной проводимости занимают промежуточное место между проводниками и диэлектриками и отличаются от проводников сильной зависимостью удельной проводимости от концентрации примесей, температуры и различных видов излучения. Основным свойством этих материалов является увеличение электрической проводимости с ростом температуры^[1].

Полупроводниками являются вещества, ширина запрещённой зоны которых составляет порядка нескольких электрон-вольт (эВ). Например, алмаз можно отнести к широкозонным полупроводникам, а арсенид индия — к узкозонным. К числу полупроводников относятся многие химические элементы (германий, кремний, селен, теллур, мышьяк и другие), огромное количество сплавов и химических соединений (арсенид галлия и др.). Почти все неорганические вещества окружающего нас мира — полупроводники. Самым распространённым в природе полупроводником является кремний, составляющий около 30 % земной коры.

В зависимости от того, отдаёт ли атом примеси электрон или захватывает его, примесные атомы называют донорными или акцепторными. Характер примеси может меняться в зависимости от того, какой атом кристаллической решётки она замещает, в какую кристаллографическую плоскость встраивается.

Проводимость полупроводников сильно зависит от температуры. Вблизи абсолютного нуля температуры полупроводники имеют свойства диэлектриков.

Полупроводники характеризуются наличием двух типов носителей заряда:

отрицательного — электроны;

Дырка

Во время разрыва связи между электроном и ядром появляется свободное место в электронной оболочке атома. Это обуславливает переход электрона с другого атома на атом со свободным местом. На атом, откуда перешёл электрон, входит другой электрон из другого атома и т. д. Это обуславливается ковалентными связями атомов (связь посредством валентных электронов валентной зоны). Таким образом, происходит перемещение положительного заряда без перемещения самого атома. Этот условный положительный заряд называют дыркой.

Обычно подвижность дырок в полупроводнике ниже подвижности электронов.

Чтобы понять, как движется дырка, проведем аналогию между кристаллом и зрительным залом театра. Допустим, что один из зрителей из первого ряда по какой-то причине ушел (рис. 2,а). После его ухода осталось свободное кресло — своеобразная дырка.

Представим, что на его место пересел зритель из второго ряда. Теперь пустое кресло будет уже во втором ряду (рис. 2, б). Допустим, что свободное место во втором ряду займет зритель из третьего ряда, тогда пустое место перейдет из второго ряда в третий (рис. 2, в) и т. д.

Дырка (пустое кресло) как бы движется по залу. Аналогично перемещается по кристаллу с места на место положительная вакансия в электронной связи — дырка.

Подвижность носителей (электронов и дырок)

Подвижность электронов и дырок зависит от их концентрации в полупроводнике. При большой концентрации носителей заряда, вероятность столкновения между ними вырастает, что приводит к уменьшению подвижности и проводимости.

Механизм электрической проводимости полупроводников

Полупроводники характеризуются как свойствами проводников, так и диэлектриков.

Образуя кристаллы, атомы полупроводников устанавливают ковалентные связи (то есть, один электрон в кристалле, например, кремния, связан двумя атомами). Поэтому, электронам необходим уровень внутренней энергии для высвобождения из атома.

Под воздействием электрического поля, температуры и других внешних факторов электрические свойства полупроводников изменяются в значительно большей степени, чем свойства проводников и диэлектриков.

Например, при повышении температуры отдельные атомы получают энергию для отрыва электрона от атома. С ростом температуры число свободных электронов и дырок увеличивается, поэтому в полупроводнике, не содержащем примесей, удельное сопротивление уменьшается. Условно принято считать полупроводниками элементы с энергией связи электронов меньшей чем 1,5—2 эВ.

Типы проводимости полупроводников

а) по характеру проводимости:

собственная проводимость

примесная проводимость

б) по виду проводимости

электронные полупроводники (n-типа)

дырочные полупроводники (р-типа)

Собственная проводимость

Электронно-дырочный механизм проводимости проявляется только у чистых (то есть без примесей) полупроводников. Он называется собственной электрической проводимостью полупроводников.

Полупроводники, в которых свободные электроны и «дырки» появляются в процессе ионизации атомов, из которых построен весь кристалл, называют полупроводниками с собственной проводимостью. Т.е. собственная проводимость полупроводников возникает в результате разрыва валентных связей электронов.

В полупроводниках с собственной проводимостью концентрация свободных электронов равняется концентрации «дырок». По этой причине собственная проводимость невелика.

Примесная проводимость

Для увеличения электропроводности в полупроводники вводят незначительное количество примесей.

При этом оказывается, что в зависимости от рода примеси получают как полупроводники с дырочной проводимостью, так и полупроводники с электронной проводимостью.

Полупроводники с дырочной проводимостью называют полупроводниками p-типа.

Полупроводники с электронной проводимостью называют полупроводниками n-типа.

Электронные полупроводники (n-типа)

Термин «n-тип» происходит от слова «negative», обозначающего отрицательный заряд основных носителей. Этот вид полупроводников имеет примесную природу. В четырехвалентный полупроводник (например, кремний) добавляют примесь пятивалентного полупроводника (например, мышьяка). В процессе взаимодействия каждый атом примеси вступает в ковалентную связь с атомами кремния. Однако для пятого электрона атома мышьяка нет места в насыщенных валентных связях, и он переходит на дальнюю электронную оболочку. Там для отрыва электрона от атома нужно меньшее количество энергии. Электрон отрывается и превращается в свободный. В данном случае перенос заряда осуществляется электроном, а не дыркой, то есть данный вид полупроводников проводит электрический ток подобно металлам. Примеси, которые добавляют в полупроводники, вследствие чего они превращаются в полупроводники n-типа, называются донорными.

Дырочные полупроводники (р-типа)

Термин «p-тип» происходит от слова «positive», обозначающего положительный заряд основных носителей. Этот вид полупроводников, кроме примесной основы, характеризуется дырочной природой проводимости. В четырехвалентный полупроводник (например, в кремний) добавляют небольшое количество атомов трехвалентного элемента (например, индия). Каждый атом примеси устанавливает ковалентную связь с тремя соседними атомами кремния. Для установки связи с четвертым атомом кремния у атома индия нет валентного электрона, поэтому он захватывает валентный электрон из ковалентной связи между соседними атомами кремния и становится отрицательно заряженным ионом, вследствие чего образуется дырка. Примеси, которые добавляют в полупроводники, вследствие чего они превращаются в полупроводники p-типа, называются акцепторными.

p-n-переход

p-n -перехо́д (электронно-дырочный переход) - (n — negative — отрицательный, электронный, p — positive — положительный, дырочный) - слой с пониженной электропроводностью, образующийся на границе полупроводниковых областей с электронной (n -область) и дырочной (р -область) проводимостью.

Различают гомопереход, получающийся в результате изменяющегося в пространстве легирования донорной и акцепторной примесями одного и того же полупроводника. и гетеропереход, в котороом р-область и n -область принадлежат разл. полупроводникам. Термин p-n -перехо́д, как правило, применяют к гомопереходам.

Зоной p-n перехода - область полупроводника, в которой имеет место пространственное изменение типа проводимости от электронной n к дырочной p.

Электронно-дырочный переход может быть создан различными путями:

1. в объёме одного и того же полупроводникового материала, легированного в одной части донорной примесью (n -область), а в другой — акцепторной (p -область) (гомопереход);

2. на границе двух различных полупроводников с разными типами проводимости (гетеропереход).

Если p-n -переход получают вплавлением примесей в монокристаллический полупроводник, то переход от n - к р -области происходит скачком (резкий переход). Если используется диффузия примесей, то образуется плавный переход.

Процесс проводимости в p-n -переходе описывается уравнением непрерывности.

Уравнений непрерывности,

Уравнений непрерывности в общем выражает идею непрерывного изменения некоторой величины. Уравнения непрерывности -одна из форм законов сохранения.

В электродинамике уравнение непрерывности утверждает, что дивергенция плотности тока равна изменению плотности заряда со знаком минус,

Дивергенция — это дифференциальный оператор на векторном поле, характеризующий поток данного поля через поверхность малой окрестности каждой внутренней точки области определения поля.

Оператор дивергенции, применённый к полю , обозначают как

или

.

С точки зрения физики, дивергенция векторного поля является показателем того, в какой степени данная точка пространства является источником или стоком этого поля:

— точка поля является источником;

— точка поля является стоком;

— стоков и источников нет, либо они компенсируют друг друга.

Например, если в качестве векторного поля взять совокупность направлений наискорейшего спуска на земной поверхности, то дивергенция покажет местоположение вершин и впадин, причём на вершинах дивергенция будет положительна (направления спуска расходятся от вершин), а на впадинах отрицательная (ко впадинам направления спуска сходятся).

Плотность тока — это движение зарядов. Если заряды уходят из некоторого объёма, то дивергенция плотности тока считается положительной. В обратном случае, при приходе заряда в объем, дивергенция отрицательна.

Иными словами уравнение непрерывности гласит, если заряд уходит из определенного объёма и количество заряда внутри объёма уменьшается, то скорость изменения плотности заряда отрицательна.

Состояния p-n-переход

P-n-переход может находиться в трех состояниях:

состояние равновесия;

с приложенным обратным напряжением

с приложенным прямым напряжением.

Рассмотрим каждое из названных состояний.

Энергетическая диаграмма p-n -перехода:

a) Состояние равновесия

б) Обратное напряжение

в) Прямое напряжении

Состояние равновесия

При контакте двух областей n - и p - типа из-за градиента (возрастания) концентрации носителей заряда возникает диффузия последних в области с противоположным типом электропроводности. В p -области вблизи контакта после диффузии из неё дырок остаются нескомпенсированные ионизированные акцепторы (отрицательные неподвижные заряды), а в n -области — нескомпенсированные ионизированные доноры (положительные неподвижные заряды).

Градиент (от лат. gradiens, род. падеж gradientis — шагающий) — характеристика, показывающая направление наискорейшего возрастания некоторой величины, значение которой меняется от одной точки пространства к другой.

Диффузия (лат. diffusio — распространение, растекание, рассеивание) — процесс переноса материи или энергии из области с высокой концентрацией в область с низкой концентрацией (против градиента концентрации). Самым известным примером диффузии является перемешивание газов или жидкостей (если в воду капнуть чернил, то жидкость через некоторое время станет равномерно окрашенной). Другой пример связан с твёрдым телом: если один конец стержня нагреть или электрически зарядить, распространяется тепло (или соответственно электрический ток) от горячей (заряженной) части к холодной (незаряженной) части. В случае металлического стержня тепловая диффузия развивается быстро, а ток протекает почти мгновенно.

Образуется область пространственного заряда (ОПЗ), состоящая из двух разноимённо заряженных слоёв. Между нескомпенсированными разноимёнными зарядами ионизированных примесей возникает электрическое поле, направленное от n -области к p -области и называемое диффузионным электрическим полем. Данное поле препятствует дальнейшей диффузии основных носителей через контакт — устанавливается равновесное состояние (при этом есть небольшой ток основных носителей из-за диффузии, и ток неосновных носителей под действием контактного поля, эти токи компенсируют друг друга). Между n - и p -областями при этом существует разность потенциалов, называемая контактной разностью потенциалов. Потенциал n-области положителен по отношению к потенциалу p -области. Обычно контактная разность потенциалов в данном случае составляет десятые доли вольта.

Иными словами в состоянии равновесия создаётся область объёмного заряда по обе стороны от границы p-n -переходом. При этом возникает так называемый запирающий (барьерный) слой в несколько микрометров, лишенный носителей заряда, с напряженностью Е₃ электрического поля, которая препятствует диффузии носителей заряда (рис. 1.2, а).

Приложение обратного напряжения (-U – к p-области)

Приложение отрицательного потенциала к p-области (обратное напряжение) приводит к повышению потенциального барьера. Диффузия основных носителей через переход становится пренебрежимо малой. В то же время потоки неосновных носителей не изменяются (для них барьера не существует). Неосновные носители заряда втягиваются электрическим полем в p-n -переход и проходят через него в соседнюю область (экстракция неосновных носителей). Потоки неосновных носителей определяются скоростью тепловой генерации электронно-дырочных пар. Эти пары диффундируют к барьеру и разделяются его полем, в результате чего через p-n -переход течёт ток I_s (ток насыщения), который обычно мал и почти не зависит от напряжения.

В соответствии с зонной теорией между зоной проводимости Еп и валентной зоной Ев расположена зона запрещённых значений энергии электронов Ез. Разность Еп−Ев равна ширине запрещенной зоны Ез. С ростом ширины Ез число электронно-дырочных пар и проводимость собственного полупроводника уменьшается, а удельное сопротивление возрастает.

Если к p-n- переходу приложить обратное напряжение (рис. 1.2, б), то создаваемая им напряженность Е электрического поля повышает потенциальный барьер и препятствует переходу электронов из n -области в p -область и дырок из n -области в p -область. При этом поток неосновных носителей (дырок из n-области и электронов из p-области), их экстракция, образует обратный ток 1_обр.

Приложение прямого напряжения (+U – к p-области)

При приложении прямого напряжения внешнее электрическое поле изменяет высоту барьера и нарушает равновесие потоков носителей тока через барьер. Потенциальный барьер понижается, а ОПЗ сужается. В этом случае с ростом приложенного напряжения экспоненциально возрастает число основных носителей, способных преодолеть барьер. Как только эти носители миновали p — n -переход, они становятся неосновными. Поэтому концентрация неосновных носителей по обе стороны перехода увеличивается (инжекция неосновных носителей). Одновременно в p - и n -областях через контакты входят равные количества основных носителей, вызывающих компенсацию зарядов инжектированных носителей. В результате возрастает скорость рекомбинации и появляется отличный от нуля ток через переход, который с ростом напряжения экспоненциально возрастает.

Внешний источник энергии Е, как это показано на рис. 1.2, в, создает напряженность электрического, поля противоположно направленную напряженности Е₃ объёмного заряда. В область раздела полупроводников инжектируется все большее количество дырок (являющимися неосновными носителями заряда для n-области), которые и образуют прямой ток 1_пр. При напряжении 0,3—0,5 В запирающий слой исчезнет, и ток 1_пр определяется только сопротивлением полупроводника.

Вольт-амперная характеристика

Вольт-амперная характеристика p-n -перехода – это зависимость силы тока в p-n-переходе от приложенного к нему напряжения.

(На рис. I_s — ток насыщения, U_пр — напряжение пробоя.)

При U = 0, ток обращаются в нуль. Это означает, конечно, не отсутствие движения отдельных носителей через переход, а только то, что в обоих направлениях движутся равные количества электронов (или дырок). При U ≠ 0 баланс нарушается. Рассмотрим, например, дырочный ток. Он включает следующие две компоненты:

1. Ток генерации, то есть дырочный ток, текущий из n -области в p -область перехода. Как видно из названия, этот ток обусловлен дырками, генерируемыми непосредственно в n -области при тепловом возбуждении электронов. Хотя концентрация таких дырок (неосновных носителей) в n -области чрезвычайно мала по сравнению с концентрацией электронов (основных носителей), они играют важную роль в переносе тока через переход.

2. Ток рекомбинации, то есть дырочный ток, текущий из p -области в n -область. Только те дырки, которые имеют достаточную кинетическую энергию для преодоления потенциального барьера, вносят вклад в ток рекомбинации. В отличие от тока генерации, ток рекомбинации чрезвычайно чувствителен к величине приложенного напряжения U.

Полный дырочный ток, текущий из p -области в n -область, представляет собой разность между токами рекомбинации и генерации:

Аналогичное рассмотрение применимо к компонентам электронного тока с тем только изменением, что токи генерации и рекомбинации электронов направлены противоположно соответствующим дырочным токам.

Таким образом, вольт-амперная характеристика p-n-перехода обладает резко выраженной нелинейностью. При изменении знака U значение тока через переход может изменяться в 10⁵ — 10⁶ раз.

Благодаря этому p-n -переход может использоваться для выпрямления переменных токов (диод).

Ёмкость p-n-перехода и частотные характеристики

p-n -переход можно рассматривать как плоский конденсатор, обкладками которого служат области n - и p -типа вне перехода, а изолятором является область объемного заряда, обеднённая носителями заряда и имеющая большое сопротивление. Такая ёмкость называется барьерной. Внешнее обратное напряжение отталкивает электроны в глубь n-области, в результате чего происходит расширение область объемного заряда p-n перехода, которую можно представить как простейший плоский конденсатор, в котором обкладками служат границы области. В таком случае, в соответствии с формулой для ёмкости плоского конденсатора, с ростом расстояния между обкладками (вызванной ростом значения обратного напряжения) ёмкость p-n-перехода будет уменьшаться. По достижении возможного минимума с ростом обратного напряжения ёмкость не изменяется. В зависимости от площади перехода, концентрации легирующей примеси и обратного напряжения барьерная емкость может принимать значения от единиц до сотен пикофарад.

За счёт существования барьерной ёмкости работают варикапы. (диоды со свойствами конденсаторов)-конденс)

Кроме барьерной ёмкости p-n -переход обладает так называемой диффузионной ёмкостью. Диффузионная ёмкость обусловлена тем, что увеличение напряжения на p-n -переходе приводит к увеличению концентрации основных и неосновных носителей, то есть к изменению заряда. Величина диффузионной ёмкости пропорциональна току через p-n -переход. При подаче прямого напряжения значение диффузионной ёмкости может достигать десятков тысяч пикофарад.

Суммарная ёмкость p-n -перехода определяется суммой барьерной и диффузионной ёмкостей.

Эквивалентная схема p-n -перехода на переменном токе представлена на рисунке. На эквивалентной схеме параллельно дифференциальному сопротивлению p-n -перехода R_а включены диффузионная ёмкость C _д и барьерная ёмкость С _б; последовательно с ними включено объёмное сопротивление r. С ростом частоты переменного напряжения, поданного на p-n -переход, емкостные свойства проявляются все сильнее, R_а шунтируется ёмкостным сопротивлением, и общее сопротивление p-n -перехода определяется объёмным сопротивлением базы. Таким образом, на высоких частотах p-n -переход теряет свои линейные свойства.

Эквивалентная схема p-n -перехода.

C_б — барьерная ёмкость,

C_д — диффузионная ёмкость,

R_a — дифференциальное сопротивление p-n -перехода,

r — объёмное сопротивление.

Пробой p-n-перехода

Пробой p-n перехода — это явление резкого увеличения обратного тока через диод при достижении обратным напряжением некоторого критического для данного диода значения. В зависимости от физических явлений, приводящих к пробою, различают лавинный, туннельный, поверхностный и тепловой пробои.

· Лавинный пробой (ударная ионизация) является наиболее важным механизмом пробоя p-n -перехода. Напряжение лавинного пробоя определяет верхний предел обратного напряжения большинства диодов. Пробой связан с образованием лавины носителей заряда под действием сильного электрического поля, при котором носители приобретают энергии, достаточные для образования новых электронно-дырочных пар в результате ударной ионизации атомов полупроводника.

· Туннельным пробоем электронно-дырочного перехода называют электрический пробой перехода, вызванный квантовомеханическим туннелированием (прохождение) носителей заряда сквозь запрещённую зону полупроводника без изменения их энергии. Туннелирование электронов возможно при условии, если ширина потенциального барьера, который необходимо преодолеть электронам, достаточно мала. При одной и той же ширине запрещённой зоны (для одного и того же материала) ширина потенциального барьера определяется напряжённостью электрического поля. Следовательно, условия для туннелирования возникают только при определённой напряжённости электрического поля или при определённом напряжении на электронно-дырочном переходе — при пробивном напряжении. Так как вероятность туннелирования очень сильно зависит от напряжённости электрического поля, то внешне туннельный эффект проявляется как пробой диода.

· Поверхностный пробой (ток утечки). Реальные p-n -переходы имеют участки, выходящие на поверхность полупроводника. Вследствие возможного загрязнения и наличия поверхностных зарядов между p- и n- областями могут образовываться проводящие плёнки и проводящие каналы, по которым идёт ток утечки I_ут. Этот ток увеличивается с ростом обратного напряжения и может превысить тепловой ток I₀ и ток генерации I_ген. Ток I_ут слабо зависит от температуры. Для уменьшения I_ут применяют защитные плёночные покрытия.

· Тепловой пробой — это пробой, развитие которого обусловлено выделением в выпрямляющем электрическом переходе тепла вследствие прохождения тока через переход. При подаче обратного напряжения практически всё оно падает на p-n -переходе, через который идёт, хотя и небольшой, обратный ток. Выделяющаяся мощность вызывает разогрев p-n-перехода и прилегающих к нему областей полупроводника. При недостаточном теплоотводе эта мощность вызывает дальнейшее увеличение тока, что приводит к пробою. Тепловой пробой, в отличие от предыдущих, необратим.

Дата добавления: 2014-01-06