Собственная проводимость точки зрения зонной теории

ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПОЛУПРОВОДНИКОВ

Цель. Познакомить курсантов с процессом получения носителей зарядов в полупроводниках и методами управления их концентрацией и движением в электрических и магнитных полях.

План

1. Контактные и поверхностные явления в полупроводниках.

2. Внутренняя структура полупроводников.

3. Собственная и примесная проводимость полупроводников.

4. Температурная зависимость проводимости примесных полупроводников.

5. Формирование контакта полупроводник — полупроводник. Электронно- дырочный p-n-переход.

6. Свойства p-n-перехода при наличии приложенного внешнего напряжения.

7. Вольтамперная характеристика p-n-перехода, температурные и частотные свойства p-n-перехода.

8. Туннельный эффект. Переход Шоттки. Их свойства.

С точки зрения зонной теории, к полупроводникам относятся вещества, ширина запрещенной зоны которых не превосходит 3 эВ. Важнейшим свойством и признаком полупроводников является зависимость их от внешних условий: температуры, освещенности, давления, внешних полей и т.п. Характерная особенность полупроводников заключается в уменьшении их удельного сопротивления с увеличением температуры.

Наиболее широкое применение в полупроводниковой технике получили германий, кремний, селен, а также полупроводниковые соединения типа арсенид галлия, карбид кремния, сульфид кадмия и др.

Для полупроводников характерно кристаллические строение, т.е. закономерное и упорядоченное расположение их атомов в пространстве. В кристаллах связанные между собой атомы располагаются строго определенным образом и на одинаковых расстояниях друг от друга, в результате чего образуется своеобразная объемная решетка из атомов, которую принято называть кристаллической решеткой твердого тела.

Между атомами кристаллической решетки существуют связи. Они образуются валентными электронами, которые взаимодействуют не только с ядром своего атома, но и с соседними. В кристаллах германия, кремния связь между двумя соседними атомами осуществляется двумя валентными электронами – по одному от каждого атома. Такая связь между атомами называется двухэлектронной или ковалентной.

Характерной особенностью ковалентных связей заключается в том, что при их образовании электроны связи принадлежат уже не одному, а сразу обоим, связанным между собою атомам, т.е. являются для них общими.

В результате внешняя орбита каждого из атомов имеет как бы по восемь электронов, и становиться полностью заполненной. Кристаллическая решетка, в которой каждый электрон внешней орбиты связан ковалентными связями с остальными атомами вещества, является идеальной. В таком кристалле все валентные электроны прочно связаны между собой и свободных электронов, которые могли бы участвовать в переносе зарядов, нет. Такую кристаллическую решетку имеют все химически чистые беспримесные полупроводники при температуре абсолютного нуля (—273?С). В этих условиях полупроводники обладают свойствами идеальных изоляторов.

Собственная проводимость полупроводников

Под действием внешних факторов некоторые валентные электроны атомов кристаллической решетки приобретают энергию, достаточную для освобождения от ковалентных связей. Так, при температурах выше абсолютного нуля атомы твердого тела колеблются около узлов кристаллической решетки. Чем выше температура, тем больше амплитуда колебаний. Время от времени энергия этих колебаний сообщается какому либо электрону, в результате чего его полная энергия оказывается достаточной для перехода из валентной зоны в зону проводимости.

При освобождении электрона из ковалентной связи в последней возникает как бы свободное место, обладающее элементарным положительным зарядом, равным по абсолютной величине заряду электрона. Такое освободившееся в электронной связи место условно назвали дыркой, а процесс образования пары электрон – дырка получил название генерации зарядов. Дырка обладает положительным зарядом, поэтому она может присоединить к себе электрон соседней заполненной ковалентной связи. В результате этого восстанавливается одна связь (этот процесс называют рекомбинацией) и разрушается соседняя или, другими словами заполняется одна дырка и одновременно с этим возникает новая в другом месте. Такой генерационно-рекомбинационный процесс непрерывно повторяется, и дырка, переходя от одной связи к другой, будет перемещаться по кристаллу, что равносильно перемещению положительного заряда, равного по величине заряду электрона.

Различают несколько видов рекомбинации носителей в полупроводниках. В самом простом случае рекомбинация может рассматриваться как прямой переход электрона из зоны проводимости в валентную зону на имеющийся там свободный уровень (рис. 2.8, а). Разность энергии при этом выделяется в виде кванта электромагнитного излучения либо передается кристаллической решетке в виде механических колебаний.

Другой возможный путь рекомбинации связан с поэтапным переходом электрона через запрещенную зону: вначале электрон из зоны проводимости переходит на некоторый промежуточный уровень, расположенный внутри запрещенной зоны, а затем уже с этого уровня переходит в валентную зону (рис. 2.8, б). Промежуточный уровни, получившие название центров рекомбинации, или ловушек, могут появиться, если в кристаллической решетке имеются дефекты, обусловленные тепловым возбуждением атомов, наличием примесей, несовершенством поверхности полупроводника, воздействие на полупроводник частиц с большой энергией (β- лучей или α — частиц).

Наличие в полупроводнике центров рекомбинации позволяет резко уменьшить время жизни носителей зарядов, что необходимо для создания быстродействующих полупроводниковых приборов.

При отсутствии внешнего электрического поля электроны и дырки перемещаются в кристалле хаотически вследствие теплового движения. В этом случае ток в полупроводнике не возникает. Если же на кристалл действует электрическое поле, движение дырок и электронов становиться упорядоченным и в кристалле возникает электрический ток. Таким образом, проводимость полупроводника обусловлена перемещением, как свободных электронов, так и дырок.

В первом случае носители зарядов отрицательны (негативны), во втором – положительны (позитивны). Соответственно различают два вида проводимости полупроводников – электронную, или проводимость типа n (от слова negative – отрицательный), и дырочную, или проводимость типа p (от слова positive – положительный).

В химически чистом кристалле полупроводника число дырок всегда равно числу свободных электронов и электрический ток в нем образуется в результате одновременного переноса зарядов обоих знаков. Такая электронно-дырочная проводимость называется собственной проводимостью полупроводника. При этом ток в полупроводнике всегда равен сумме электронного и дырочного токов.

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском:

Зонная теория твёрдого тела — квантовомеханическая теория движения электронов в твёрдом теле.

В соответствии с квантовой механикой свободные электроны могут иметь любую энергию — их энергетический спектрнепрерывен. Электроны, принадлежащие изолированным атомам, имеют определённые дискретные значения энергии. В твёрдом теле энергетический спектр электронов существенно иной, он состоит из отдельных разрешённых энергетических зон, разделённых зонами запрещённых энергий.

Согласно постулатам Бора, в изолированном атоме энергия электрона может принимать строго дискретные значения (также говорят, что электрон находится на одной из орбиталей).

В случае нескольких атомов, объединенных химической связью (например, в молекуле), электронные орбитали расщепляются в количестве, пропорциональном числу атомов, образуя так называемые молекулярные орбитали. При дальнейшем увеличении системы до макроскопического кристалла (число атомов более 10 20 ), количество орбиталей становится очень большим, а разница энергий электронов, находящихся на соседних орбиталях, соответственно очень маленькой, энергетические уровни расщепляются до практически непрерывных дискретных наборов — энергетических зон. Наивысшая из разрешённых энергетических зон в полупроводниках и диэлектриках, в которой при температуре 0 К все энергетические состояния заняты электронами, называется валентной зоной, следующая за ней — зоной проводимости. В металлах зоной проводимости называется наивысшая разрешённая зона, в которой находятся электроны при температуре 0 К.

Зонная структура различных материалов

В различных веществах, а также в различных формах одного и того же вещества, энергетические зоны располагаются по-разному. По взаимному расположению этих зон вещества делят на три большие группы (см. Рисунок ):

металлы— зона проводимости и валентная зона перекрываются, образуя одну зону, называемую зоной проводимости, таким образом, электрон может свободно перемещаться между ними, получив любую допустимо малую энергию. Таким образом, при приложении к твёрдому телуразности потенциалов, электроны смогут свободно двигаться из точки с меньшим потенциалом в точку с большим, образуя электрический ток. К проводникам относят все металлы.

полупроводники— зоны не перекрываются, и расстояние между ними составляет менее 3.5 эВ.Для того, чтобы перевести электрон из валентной зоны в зону проводимости, требуется энергия меньшая, чем для диэлектрика, поэтому чистые (собственные, нелегированные) полупроводники слабо пропускают ток.

диэлектрики— зоны не перекрываются, и расстояние между ними составляет более 3.5 эВ. Таким образом, для того, чтобы перевести электрон из валентной зоны в зону проводимости требуется значительная энергия, поэтому диэлектрики ток практически не проводят.

Зонная теория является основой современной теории твёрдых тел. Она позволила понять природу и объяснить важнейшие свойства проводников, полупроводников и диэлектриков. Величина запрещённой зоны между зонами валентности и проводимости является ключевой величиной в зонной теории, она определяет оптические и электрические свойства материала.

Поскольку одним из основных механизмов передачи электрону энергии является тепловой, то проводимость полупроводников очень сильно зависит от температуры. Также проводимость можно увеличить, создав разрёшенный энергетический уровень в запрещённой зоне путёмлегирования(добавление в состав материалов примесей для изменения (улучшения) физических и/или химических свойств основного материала). Таким образом создаются все полупроводниковые приборы: солнечные элементы (преобразователи света в электричество), диоды,транзисторы, твердотельныелазерыи другие.

Переход электрона из валентной зоны в зону проводимости называют процессом генерации носителей заряда (отрицательного — электрона, и положительного — дырки), обратный переход — процессомрекомбинации.

Собственная проводимость полупроводников

Полупроводниками являются твердые тела, которые при Т = 0 характеризуются полностью занятой электронами валентной зоной, отделенной от зоны проводимости сравнительно узкой (Е порядка 1 эВ) запрещенной зоной. Электропроводность полупроводников меньше электропроводности металлов и больше электропроводности диэлектриков.

В природе полупроводники существуют в виде элементов (элементы IV, V и VI групп таблицы Менделеева), например Si, Ge, As, Se, Те, и химических соединений, например оксиды, сульфиды, селениды, сплавы элементов различных групп.

Различают собственные и примесные полупроводники.

Собственными полупроводниками являются химически чистые полупроводники, а их проводимость называется собственной проводимостью (химически чистые Ge, Se, многие химические соединения: InSb, GaAs, CdS и др.)

При 0 К и отсутствии других внешних факторов собственные полупроводники ведут себя как диэлектрики. При повышении же температуры электроны с верхних уровней валентной зоны I могут быть переброшены на нижние уровни зоны проводимости II (рис. 3,а). При наложении на кристалл электрического поля они перемещаются против поля и создают электрический ток. Таким образом, зона II из-за ее частичного «укомплектования» электронами становится зоной проводимости. Проводимость собственных полупроводников, обусловленная электронами, называется электронной проводимостью или проводимостью n-типа (от лат. negative — отрицательный).

Рисунок 3 Собственная проводимость полупроводников

В результате тепловых забросов электронов из зоны I в зону II в валентной зоне возникают вакантные состояния, получившие название дырок. Во внешнем электрическом поле на освободившееся от электрона место — дырку — может переместиться электрон с соседнего уровня, а дырка появится в том месте, откуда ушел электрон, и т. д. Такой процесс заполнения дырок электронами равносилен перемещению дырки в направлении, противоположном движению электрона, так, как если бы дырка обладала положительным зарядом, равным по величине заряду электрона. Проводимость собственных полупроводников, обусловленная квазичастицами — дырками, называется дырочной проводимостью или проводимостью р-типа (от лат. positive — положительный).

Таким образом, в собственных полупроводниках наблюдаются два механизма проводимости: электронный и дырочный. Число электронов в зоне проводимости равно числу дырок в валентной зоне, так как последние соответствуют электронам, возбужденным в зону проводимости. Следовательно, если концентрации электронов проводимости и дырок обозначить соответственно nе и nр, то

Проводимость полупроводников всегда является возбужденной, т. е. появляется только под действием внешних факторов (температуры, облучения, сильных электрических полей и т. д.).

В собственном полупроводнике уровень Ферми находится в середине запрещенной зоны (рис. 3,б). Для переброса электрона с верхнего уровня валентной зоны на нижний уровень зоны проводимости затрачивается энергия активации, равная ширине запрещенной зоны E. При появлении же электрона в зоне проводимости в валентной зоне обязательно возникает дырка. Следовательно, энергия, затраченная на образование пары носителей тока, должна делиться на две равные части. Так как энергия, соответствующая половине ширины запрещенной зоны, идет на переброс электрона и такая же энергия затрачивается на образование дырки, то начало отсчета для каждого из этих процессов должно находиться в середине запрещенной зоны. Энергия Ферми в собственном полупроводнике представляет собой энергию, от которой происходит возбуждение электронов и дырок.

Удельная проводимость собственных полупроводников

где 0 — постоянная, характерная для данного полупроводника.

Увеличение проводимости полупроводников с повышением температуры является их характерной особенностью (у металлов с повышением температуры проводимость уменьшается). С точки зрения зонной теории с повышением температуры растет число электронов, которые вследствие теплового возбуждения переходят в зону проводимости и участвуют в проводимости. Поэтому удельная проводимость собственных полупроводников с повышением температуры растет.

Наиболее распространенным из полупроводниковых элементов является германий, имеющий решетку типа алмаза, в которой каждый атом связан ковалентными связями с четырьмя ближайшими соседями. Упрощенная плоская схема расположения атомов в кристалле Ge дана на рис. 4, где каждая черточка обозначает связь, осуществляемую одним электроном. В идеальном кристалле при 0 К такая структура представляет собой диэлектрик, так как все валентные электроны участвуют в образовании связей и, следовательно, не участвуют в проводимости. При повышении температуры (или под действием других внешних факторов) тепловые колебания решетки могут привести к разрыву некоторых валентных связей, в результате чего часть электронов отщепляется и они становятся свободными. В покинутом электроном месте возникает дырка (она изображена белым кружком), заполнить которую могут электроны из соседней пары. В результате дырка, так же как и освободившийся электрон, будет двигаться по кристаллу. Движение электронов проводимости и дырок в отсутствие электрического поля является хаотическим. Если же на кристалл наложить электрическое поле, то электроны начнут двигаться против поля, дырки — по полю, что приведет к возникновению собственной проводимости германия, обусловленной как электронами, так и дырками.

Рисунок 4 Кристаллическая решетка германия

В полупроводниках наряду с процессом генерации электронов и дырок идет процесс рекомбинация: электроны переходят из зоны проводимости в валентную зону, отдавая энергию решетке и испуская кванты электромагнитного излучения. В результате для каждой температуры устанавливается определенная равновесная концентрация электронов и дырок.

Полупроводники с точки зрения зонной теории.

Полупроводниками называется большое число веществ, удельное сопротивление которых изменяется в широком интервале от 10 -5 до 10 8 Ом×м и очень быстро, по экспотенциальному закону, уменьшается с повышением температуры. С точки зрения зонной теории кристаллические полупроводники относятся к типу твердых тел, у которых валентная зона отделена от пустой зоны проводимости сравнительно узким интервалом энергии DW, меньшим, чем у диэлектрических кристаллов. Переход электрона из валентной зоны полупроводника в зону проводимости означает, что ковалентные связи в атомах кристалла полупроводника нарушаются. Какой–либо из валентных электронов одного из атомов в решетке покидает свое место. В оставленном им месте возникает избыток положительного заряда–положительная дырка. С точки зрения зонной теории это означает, что в валентной зоне кристалла появляется вакантный энергетический уровень. Положительная дырка ведет себя так же, как положительный заряд, равный по величине заряду электрона. На освобожденное электроном место может переместиться другой электрон, а это равносильно перемещению дырки– она появится в новом месте, откуда ушел электрон. Во внешнем электрическом поле электроны во всей массе движутся в сторону, противоположную направлению напряженности электростатического поля. Положительные дырки перемещаются в направлении напряженности поля, т.е. в ту сторону, куда под действием электрического поля перемещался бы положительный заряд.

Проводники и диэлектрики.

Различия в электрических свойствах твердых тел объясняется в зонной теории различным заполнением электронами разрешенных энергетических зон и шириной запрещенной зоны. Эти два фактора определяют отнесение данного твердого тела к проводникам или диэлектрикам. Необходимым условием, для того, чтобы твердое тело могло быть проводником, является наличие свободных энергетических уровней, на которые электрическое поле сторонних сил могло бы перенести свои электроны. Зона, электроны которой участвуют в создании тока проводимости, называется зоной проводимости. В проводниках под действием электрического поля, создаваемого источником электрической энергии, валентные электроны увеличивают свою энергию и переходят на более высокие свободные энергетические уровни в зоне проводимости. При этом они приходят в упорядоченное движение и по кристаллу идет ток. В твердых диэлектриках энергетические зоны не перекрываются, и зона, объединяющая энергетические уровни валентных электронов атомов или ионов целиком заполнена электронами. Зона, целиком заполненная электронами, называется валентной. Пустые зоны являются зонами проводимости.

Сила Ампера.

Сила, действующая со стороны магнитного поля на проводники с токами, перемещенные в жто поле, называется силой Ампера. Закон Ампера: элементарная сила dF, действующая на малый элемент длины dl проводника с током, находящегося в магнитном поле, прямо пропорциональна силе тока в проводнике и векторному произведению элемента длины проводника dl на магнитную индукцию B: dF=I[dl B]. dl–вектор с модулем dl, направленный в ту же сторону, что и вектор плотности тока в проводнике. Сила Ампера F, дейтсвующая в магнитном поле на проводник с током конечной длины, F=∫I[dl B], где интегрирование происходит по всей длине проводника.

P- n переход.

Область соприкосновения двух полупроводников с различными n- и p- типами проводимости называется электронно–дырочным переходом (p-n переходом). Соприкосновение двух таких полупроводников в результате перемещения электронов и дырок через поверхность раздела приводит к образованию двойного электрического слоя. Электроны из n-проводника переходят в p-проводник, а дырки перемещаются в противоположном направлении. Двойной слой, толщиной ℓ создает контактное электрическое поле с напряженностью E_пр и некоторой разностью потенциалов на границах слоя. Это поле препятствует дальнейшему встречному движению электронов и дырок. При определенной толщине p-n перехода наступает состояние равновесия, соответствующее выравниванию уровней Ферми в обоих полупроводниках, и образуется равновесный контактный слой, являющийся запирающим слоем, обладающим повышенным сопротивлением по сравнению с сопротивлением остальных объемов полупроводников.

Последнее изменение этой страницы: 2016-12-12; Нарушение авторского права страницы

Электропроводность полупроводников с позиции зонной теории твердого тела.

В.1 Краткая характеристика полупроводников материалов в электронной технике.

В.2 Чистые (собственные) полупроводники.

В.3 Энергетическая диаграмма полупроводника.

В.4 Дырочный полупроводник.

К материалам предъявляются определенные требования:

1. Возможность введения определенных примесей.

2. Достаточно высокая теплопроводность

3. Способность сохранять заданные свойства.

4. Возможность массового производства.

В п/п используются:

1. Германий (Ge): — технология очистки хороша и проста

— введение примесей осуществляется при низких температурах

— поверхность хорошо обрабатывается

— ширина запрещающей зоны 0,7 эВ = Wзз

Применяется: в высокочастотных п/п приборах, используются в выпрямительных приборах

( из-за малого удельного сопротивления), в фотоэл. приборах.

2. Кремний (Si):- его много

— высокая t 0 плавления

— в 1000 раз частота больше частоты Ge

— Больше чем у Ge Wзз=1,25 эВ

— Большая ширина запрещающей зоны.

— приборы могут работать на высоких t 0 до +250 0

— относительно малая подвижность ē и дырок.

Ge и Si дополняют друг друга.

3. Арсенийгалия (GaAa): — Широкий з/з Wзз= 1,43 эВ

— Высокая подвижность ē и дырок ( теплоустойчивость до +450 0 )

4. Карбит кремния (SiC):

— высокая стойкость к радиации

— большая стабильность поверхностных свойств

— Wзз≈3,…… эВ (t 0 до + 700 0 )

Используется для изготовления выпрямителей, сигнальным источником света, счетчиков высокой энергии.

Энергия ē может принимать только значение энергетического уровня.

Ближе к ядру ē обладает меньшей W и находится на более низких энергетических уровнях.

Когда ē переходит с более высокого э/у на более низкий выделяется некоторое количество энергии наз. (квантом или фотоном)

Если атом поглощает 1 квант W ē переходит переходит на более высокий э/у.

Таким образом W ē изм. только порциями.

Эн/у объединяются в зоны.

ē высшей Эл. оболочки атома в валентную зону (Wзз) они участвуют в Эл-их, химических процессов. На более высоких э/у объединяются в зоны проводимости (Wз.п.) ē хаотично передвигаются они позволяют Ме проводить Эл. ток, тем самым обеспечивая электропроводимость Ме.

ЗАПРЕЩАЮЩИЕ ЗОНЫ – ЭТО УРОВНИ ЭНЕРГИИ НА КОТОРЫХ Ē НЕ МОЖЕТ НАХОДИТЬСЯ.

При низких t 0 п/п являются диэлектриками, а при нормальной большинство ē переходят из вал. зоны в зону проводимости.

Электропроводность- свойство вещества проводить ток.

Удельная проводимость- величина характеризующая электропроводимость.

Чистый полупроводник – п. в котором отсутствуют примеси, и он может содержать только подвижные носители заряда.

Дырка- это вакантное место, которое покинул ē.

зона проводности

+

Эл. дырки которые могут перемещаться называются подвижными носителями заряда

Под действием t˚ возник. пар. носителей называется генерацией, а исчезновение пар. носителей – рекомбинация.

Их скорости должны быть равны:

Если в п/п им. крекаято примесь, то появляется примесная (электронная или дырочная)

Примесь в которой атомы отдают ē называются донорами.

Их называют электронными п/п или п/п «n» — типа.

п/п с преобладающей дырочной эл. проводностью называется дырочным или п/п «р»-типа

Вещества отбирающие ē и создающие примесную электропроводимость называются акцепторами.

В эл. проводнике ē – основные

В дырочном проводнике- дырка.

Принцип работы п/п характеризуются тем, что существует два вида электропроводности (дырочная и электронная)

Электронная— обусловлена перемещением ē проводимости под действием тепла и т.п.

Дырочная – под действием приложенного напряжения, при ней ē переходят именно на соседние атомы, при электронной, ē более подвижны.

В электронике постоянное движение ē от «-» к «+»

ē и дырки могут перемещаться поэтому созд. электропровод и наз. им. подвижными носителями заряда.

Лекция № 3. Удельная электропроводность п/п.

В.1 Концентрация носителей заряда в собственном п/п и Ме.

В.2 Концентрация носителей заряда в приместном п/п

В.3 Влияние t 0 и концентрации н.з. в приместном п/п

п/п без примесей называется собственным п/п. Он обладает собственной электропроводностью которая складывается из электронной и дырочной. ē-ая преобладает из-за большей подвижности ē.

Удельная электропроводность зависит от концентраций носителей заряда: т.е. от их числа, в единицы объема.

где: е=1*6*10 -9 Кл- заряд ē

n и p- концентрация ē и дырок

М_n и М_р— подвижность ē и дырок

М_n= Vn (скорость ē) / Е (напряженность)

только в собственном п/п

В Ме число ē- проводимости не меньше или равно числу атомов

В п/п при повышении t˚ повышается генерация, концентрация носителей заряда, нежели у меньшая их подвижность. След с ростом t˚ удельная электропроводность растет

В М_е концентрация ē- проводимости не зависит от t˚, почти, и с ростом t˚ электропроводность уменьшается в следствии уменьшения подвижности ē.

Всегда!

В.2 Если в п/п имеется примесь двух веществ, то дополнительно к собственной электропроводности добавляется еще примесная электропроводность (электронная или дырочная)

п/п- с приобладанием эл. проводимости наз. проводником «n» — типа.

п/п с преобладающей дырочной электронной проводимости называется п/п «р»- типа

Таким образом прим. п/п характерен тем, что в нем концентрация носителей одного знака преобладает над концентрацией носителей заряда другого знака.

Н.з. концентрация которых в данном п/п преобладает называется основными носителями заряда.

Нехновными называются те носители заряда концентрация которых в п/п меньше.

Ничтожное количество примесей существенно изменяет характер электропроводности.

Один атом прим. на 4 мин. атомов. Ge. в результате этого концентрация н.з. возрастает в 1000 раз. при этом собственный п/п должен быть 1 на 10 млд.

Т₁ означает обл. низких t˚ ротобусл. ионизацией атомов.

Т₂ атомы примесей полностью ионизированы, след конц. не изм.

Т₃ обл. повышенной t˚ резко растет концентрация, вызванная ионизацией собственного оп/п

Лекция № 4. «Кинематика НЗ в твердом теле»

В.1 Виды движения.

В.2 Движение НЗ. в ТВ. числе под действием электронного поля. (Дрейф). Механизм рассеивания заряда.

В п/п состояние равновесия носит. заряда движ. под действием тепловой энергии, хаотически внутри кристаллической решетки в идеале они движутся прямолинейно и с V_const т.о. направление движения н/з в п/п преобр при двух условиях:

— при возникновении в кристалле эл. поля (дрейф н/з)

— под действием и изменением концентрации (диффузия)

В.2 Эл. поле всегда изм. Wē и Vē между ними всегда имеется энергетическое взаимодействие

Дрейф- движение н/з под действием эл./п.

М- подвижность н/з (способность дрейфовать в эл. поле)

Подвижность н/з в различных п/п различна, и с повышением Т умножается, т.к. увеличивается число столкновений в атомах.

Механизм рассеивания- основные механизмы столкновений

В.3 Движение н/з под действием разности концентраций называется диффузией (её причина-различие в концентрациях и совершается она за счет собственной энергии теплового движения)

— неравновестная (в разных местах п/п)

— равновестная ( одинаковая по всему п/п)

— избыточная ( п/п облучить)

Стремление к выравниванию с помощью собственной Wк

Диффузная длина н/з

Vдиф- диффузная скорость

D_M— интенсивность диффузии.

V_T— тепловой потенциал- это связь между подвижностью н/з и коэф. диффузии.

При прекращении действий излучения, п/п переходит к состоянию равновесия путем раскомбинации в течении определенного времени.

То время в течение которого избыточная концентрация уменьшается и становится первоначальной называется время жизни н/з.

Эл./п. которое ускоряет Эл. дырки сообщая им еще некоторые движения представляет собой ток проводимости (ток дрейфа)

Плотность тока – количество электричества проходящего через 1 площади за 1 сек.

Диффузное движение подвижных зарядов называется диффузным током.

Jпдиф = eDn dn/dx

Градиент концентрации- это какого изм. концентрации за единицу длинны.

J= Jпдр+Jрдр+ Jп.диф+…..

Лекция № 5 Электронно-дырочный переход.

Тема 2 Физические процессы при контакте твердых тел.

В.1 Виды контактов твердых тел в п/п приборах

В.2 Образование и свойства эл-д перехода

В.3 Контактная разность потенциалов и толщина «р-n»- перехода

1) контакт одного и того же п/п с ….

2) контакты п/п с различной шириной запрещающей зоны гетеропереходы

3) контакты прим. п/п и Ме (переход с барьером Шоттки)

4) контакты структур Ме+диэл. + проводник

5) п/п + Ме (омический контакт)

В.2 Область на границе двух п/п с различными типами эл/проводности называется эл/дырочным или «р-n»-переходом

Он обладает несимметричной подвижностью, следовательно имеет нелинейное сопротивление

Они бывают: симметричные(одинаковой концентрации примесей), несимметричные, резкие, плавные.

Экстракция- это выведение н/з из обл. где они являются неосновными, через ЭДП ускоряющим эл. полем.

— Контактная разность — для Ge=0,35В

— Толщина перехода составляет от 0,1 до 1 мкм.

Лекция № 6. ЭДП по действием напряжений включения.

В.1 Прямое включение «р-n» перехода

В.2 Обратное включение «р-n» перехода

В.3 ВАХ идеального «р-n» перехода

эл./п создаваемое в «р-n» переходе прямым V действует навстречу поля контактной разности потенциалов.

Результирующее поле становится слабее и разность потенциалов уменьшается, возрастает ток диффузии т.к. большое число н/з может преодолеть потенциальный барьер (ток дрейфа не изменится). Тем самым ток диффузии» тока дрейфа.

Iпр = Iдиф- Iдр>0 Iдиф » Iдр. ≥ Iпр ≈ Iдр.

При прямом V не только снижается п/б, но снижается толщина запрещающего слоя.

(1-100Ом) для значения понижения п/б достаточно приложить малое V, следовательно большой прямой ток можно получить при очень небольшом V.

ē из n-обл. движется через переход в р-обл., а на встречу им движутся дырки т.е. через переход протекает два тока.

Во внешней цепи п/п движ. только ē от «-» к «+» источника к «n»-обл. и компенсируют оба ē дуфундирующих через «р-n» переход. В р-обл. а из нее ē уходят к «+» и тогда там образуются новые дырки, такой процесс непрерывен и ток прямой непрерывен.

Под действием Vобр. протекает небольшой обратный ток.

После создания Vобр. складывается с полей контактной разности потенциалов.

Результирующее поле усиливается, а высота п/б повышается.

Уже при небольшом увеличении п/б дифузион. перемещения н/з основным прекращается и = 0 т.к. собственных их скоростей н/з предостаточно, чтобы преодолеть п/б.

То выведение неосновных н/з через переход. ускорение эл. п. создает Vобр. называется экстракцией. (извлечение). Т.о. Iобр. определяет собой Iпр. вызван перемещением неосновных н/з. Iобр. мал так как неосновного н/з мало.

То есть при повышении Vобр. поле в месте перехода становится сильнее и больше н/з выталкивается из пограничного слоя вглубь «р-n» переходника. Следовательно с повышением Vобр. повышается п/б и толщина запирающего слоя, этот слой еще сильнее объединяется н/з и сопр. повышается (Rобр > R пр.)

При сравнительно малом Vобр., Iобр. становится практически постоянным, так как число неосновных н/з становится ограниченным. С повышением t 0 концентрация повышается, I обр. повышается, R обр. понижается.

Лекция № 8.. Свойства и характеристики диодной структуры с «р-n» переходом.

В.1 Параметры. Максимально допустимые.

В.2 Диодные схемы и частотные свойства ДС.

В.3 Шумовые свойства ДС.

Свойства: к основным свойствам относятся:

— свойство односторонней проводимости

Свойства подразделяются на статические и емкостные

— сопротивление по постоянному току

— сопротивление по переменному току (диффузное)

При определенной t 0 = 300К

Диодная структура с «р-n» переходом обладает свойством аккумулировать заряды, эту емкость представляют в виде двух составляющих: барьерная ёмкость, ярко проявляется при обратном включении когда диффузная емкость отсутствует.

Диффузная емкость преобладает при прямом включении (барьерная емкость)

Барьерная емкость может быть представлена Sпл. конденсатора

Время жизни (рекомбинация) является постоянная времени заряда конденсатора с емкостью С_d через резистор сопротивления Rдиф. пр. и она расп. в пределах 1 мк.Ф

В.2 Они подразделяются:

— электрические: — (ток, Iпр, Iобр, Vпр., Vобр., Rпр., Rобр)

— климатические (t 0, t 0 окр. среды= min= до 60 0 давление от 0,5 до 300 Па)

— механические (удары, вибрации)

Диодная структура эквив сх. по переменному току представ. в виде:

Завис. свойств «р-n» перехода от частоты дейст. в структуре переменного тока или V.

С част. свойствами ДС оценивает максимальную частоту и они связаны с постоянным временем.

Под действием t 0 заряды хаотично перемещаются относительно груд друга вызывая перераспределение заряда. Не зависимо от частоты

Нерегулярное во времени число н/з, пересекает «р-n» переход в обоих направлениях с ростом частоты он растет (10 5 Гц)

— Избыточные шумы (низкочастотные)

Это нерегуляр актов раскомбинации н/з

Тема: Характеристики и параметры диодной структуры с «р-n» переходом.

В.1 Вольт-амперные характеристики стр. 45-47

В.2 Пробой д/с влияние t 0 на ВАХ стр. 47-50

В.3 Емкости д/с. стр. 51-54

— Iпр. при повышении t 0 повышается не так сильно как Iобр. так как Iпр. возникает за счет примесных проводников, а концентрация примесей не зависит от t 0

— Барьерная емкость – это зло! она влияет на выпрямление переменного Т.

— На ее основе строятся такие п/п диоды как варикап, варактор, используются как кондиционер переменной емкости для настройки колебательных контуров.

Диф. емкость возникае при прямом напр. это ни что иное, как накопление подвижной н/з в обл.

Дырки, ē не могут мгновенно раскомбинироваться => каждому значению Vпр. соответствует значение зарядов.

Сдиф. нигде не применяется

Контакты п/п-ов с Ме

Процессы при контакте п/п-ка с Ме зависят от работы выхода.

т.е. от той энергии которую должен затратить ē, чтобы выбраться из Ме или п/п.

Чем работа ē может выйти.

Тема 4. Полупроводниковые диоды

Лекция 9 п/п-вые диоды общего назначения

В.2 Выпрямительные, универсальные

В.3 Импульсные диоды

1. По конструкции: — плоскостные

2. По мощности: — маломощные

3. По частоте: — низкочастотные

4. По функц. назнач: — фотодиод

— выпрям. блоки

— выпрямительные

— стабилитроны

— варикапы

— светодиоды

— тоннельные диоды

— диод Шотки

Iг- мат. изготовления

Г(1)- Ge

IIгр.- тип п/п диодов

Д- Выпрямительные, ВЧ, импульсные

Ц- выпрямительные столбы и блоки

IIIгр. – группа диодов по своим параметрам

Применяются: в выпрямительных устройствах для питаний, (сплавы)

диоды малой мощности средней Р большой Р

300-10А 10А и выше

Для выпрямления высоких напряжений применяются выпрямительные столбы.

Выпрямительные точечные диоды (универсальные) прим. ВЧ и на СВЧ (сотни МГц)

Предельное Vобр.=150В=Iпр max= 100мА

10 ков – один из важнейших процессов в радиоэлектронике. След., т.к. п/п диоды хорошо проводит I в прямом направлении, но плохо в обратном их и применяют для этого.

Схема простого выпрям с п/п диодом.

При выпрямлении более высоких напряжений приходится соединять диоды последовательно.

Для того, чтобы напряжение распределилось равномерно применяется шунтирующее сопротивление методом подбора

//-ые соед. прим. когда нужно получить I пр гораздо больше чем дает один диод.

Rу-уравнивающее сопротивление сосд. не больше 3-х диодов.

Импульсные диоды предназначаются для работы в импульсных цепях с длительностями импульсов от нескольких нс до мкс.

Лекция 10. п/п приборы специального назначения.

В.2 Стабилитроны и стабиотроны

В.3 Туннельные и обращенные диоды

Это плоскостной диод (параметрический) работает он при обратном напряжении.

(Переменная емкость конденсатора управляется не механически, а электрически)

Схема включения для понижения стабилизации

Предназначен для переключения I и V в различных логических схемах вычислительной техники для усиления и генерирования колебаний.

Обращенный диод- это п/п диод с р-n-переходом созд. в вырожд. п/п с высокой концентрацией примесей.

Пример: в детекторах, смесителях, импульсных устройствах.

Они высокочуствительны что позволяет им работать при малых мощностях, малые размеры и низкий уровень шума.

Рабочий режим диода.

Диод обладает нелинейным сопротивлений => расчет тока делают графически.

Уравнение для R_Н первой степени, его график- прямая линия, называется линией нагрузки.

Дата добавления: 2015-12-16 ; просмотров: 517 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ