Методическое пособие Физические основы полупроводниковых приборов

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРИБОРОВ

Электропроводность полупроводников

Собственная проводимость полупроводников;

Примесная проводимость полупроводников;

Дрейфовый и диффузионный токи в полупроводниках.

1. Собственная проводимость полупроводников

Собственным полупроводником, или же полупроводником i-типа называется идеально химически чистый полупроводник с однородной кристаллической решёткой.

Ge

Si

4-х валенты

Кристаллическая структура полупроводника на плоскости может быть определена следующим образом.

Рис. 1

Если электрон получил энергию, большую ширины запрещённой зоны, он разрывает ковалентную связь и становится свободным. На его месте образуется вакансия, которая имеет положительный заряд, равный по величине заряду электрона и называется дыркой.

В полупроводнике i-типа концентрация электронов ni равна концентрации дырок pi. То есть ni =pi.

Процесс образования пары зарядов электрон и дырка называется генерацией заряда. Свободный электрон может занимать место дырки, восстанавливая ковалентную связь и при этом излучая избыток энергии. Такой процесс называется рекомбинацией зарядов. В процессе рекомбинации и генерации зарядов дырка как бы движется в обратную сторону от направления движения электронов, поэтому дырку принято считать подвижным положительным носителем заряда.

Дырки и свободные электроны, образующиеся в результате генерации носителей заряда, называются собственными носителями заряда, а проводимость полупроводника за счёт собственных носителей заряда называется собственной проводимостью проводника.

2. Примесная проводимость проводников

Так как у полупроводников i-типа проводимость существенно зависит от внешних условий, в полупроводниковых приборах применяются примесные полупроводники.

Рис. 2

Если в полупроводник ввести пятивалентную примесь, то 4 валентных электрона восстанавливают ковалентные связи с атомами полупроводника, а пятый электрон остаётся свободным.

За счёт этого концентрация свободных электронов будет превышать концентрацию дырок.

Примесь, за счёт которой ni>pi, называется донорной примесью;

Полупроводник, у которого ni>pi, называется полупроводником с электронным типомпроводимости, или полупроводником n-типа;

В полупроводнике n-типа электроны называются основными носителями заряда, а дырки — неосновными носителями заряда.

При в ведении трёхвалентной примеси три её валентных электрона восстанавливают ковалентную связь с атомами полупроводника, а четвёртая ковалентная связь оказывается не восстановленной, т. е. имеет место дырка. В результате этого концентрация дырок будет больше концентрации электронов.

Примесь, при которой pi>ni, называется акцепторной примесью;

Полупроводник, у которого pi>ni, называется полупроводником с дырочным типом проводимости, или полупроводником p-типа.

В полупроводнике p-типа дырки называются основными носителями заряда, а электроны — неосновными носителями заряда.

3. Дрейфовый и диффузионный токи в полупроводниках

Дрейфовый ток в полупроводнике — это ток, возникающий за счёт приложенного электрического поля. При этом электроны движутся навстречу линиям напряжённости поля, а дырки — по направлению линий напряжённости поля. Диффузионный ток — это ток, возникающий из-за неравномерной концентрации носителей заряда.

n2> n1

n2 – n1=Δn.

Отношение — это градиент неравномерности концентрации примесей. Величина диффузионного тока будет определяться градиентом неравномерностии будет составлять:

где Dpи Dn —коэффициенты диффузии.

Электронно-дырочный (p — n) переход

Образование электронно-дырочного перехода;

Прямое и обратное включение p — n перехода;

Свойства p — n перехода.

1. Образование электронно-дырочного перехода

Ввиду неравномерной концентрации на границе раздела p и n полупроводника возникает диффузионный ток, за счёт которого электроны из n-области переходят в p-область, а на их месте остаются некомпенсированные заряды положительных ионов донорной примеси. Электроны, приходящие в p-область, рекомбинируют с дырками, и возникают некомпенсированные заряды отрицательных ионов акцепторной примеси. Ширина p — n перехода — десятые доли микрона. На границе раздела возникает внутреннее электрическое поле p-n перехода, которое будет тормозящим для основных носителей заряда и будет их отбрасывать от границы раздела.

Рис. 5

Для неосновных носителей заряда поле будет ускоряющим и будет переносить их в область, где они будут основными. Максимум напряжённости электрического поля — на границе раздела.

Распределение потенциала по ширине полупроводника называется потенциальной диаграммой. Разность потенциалов на p — n переходе называется контактной разностью потенциалов или потенциальным барьером. Для того, чтобы основной носитель заряда смог преодолеть p — n переход, его энергия должна быть достаточной для преодоления потенциального барьера.

Рис. 6

2. Прямое и обратное включение p — n перехода

Приложим внешнее напряжение плюсом к p-области. Внешнее электрическое поле направлено навстречу внутреннему полю p-n перехода, что приводит к уменьшению потенциального барьера. Основные носители зарядов легко смогут преодолеть потенциальный барьер, и поэтому через p-n переход будет протекать сравнительно большой ток, вызванный основными носителями заряда.

Рис. 7 Рис. 8

Такое включение p-n перехода называется прямым, и ток через p-n переход, вызванный основными носителями заряда, также называется прямым током. Считается, что при прямом включении p-n переход открыт. Если подключить внешнее напряжение минусом на p- область, а плюсом на n-область, то возникает внешнее электрическое поле, линии напряжённости которого совпадают с внутренним полем p-n перехода. В результате это приведёт к увеличению потенциального барьера и ширины p-n перехода. Основные носители заряда не смогут преодолеть p-n переход, и считается, что p-n переход закрыт. Оба поля — и внутреннее и внешнее — являются ускоряющими для неосновных носителей заряда, поэтому неосновные носители заряда будут проходить через p-n переход, образуя очень маленький ток, который называется обратным током. Такое включение p-n перехода также называется обратным.

3. Свойства p-n перехода

К основным свойствам p-n перехода относятся:

свойство односторонней проводимости;

температурные свойства p-n перехода;

частотные свойства p-n перехода;

пробой p-n перехода.

Свойство односторонней проводимости p-n перехода нетрудно рассмотреть на вольтамперной характеристике. Вольтамперной характеристикой (ВАХ) называется графически выраженная зависимость величины протекающего через p-n переход тока от величины приложенного напряжения. I=f(U).

Будем считать прямое напряжение положительным, обратное — отрицательным. Ток через p-n переход может быть определён следующим образом:

где:

I0 — ток, вызванный прохождением собственных носителей заряда;

e — основание натурального логарифма;

e’ — заряд электрона;

Т — температура;

U — напряжение, приложенное к p-n переходу;

k —постоянная Больцмана.

При прямом включении:

При увеличении прямого напряжения прямой ток изменяется по экспоненциальному закону.

При обратном включении:

Рис. 9

Так как величина обратного тока во много раз меньше, чем прямого, то обратным током можно пренебречь и считать, что p-n переход проводит ток только в одну сторону. Температурное свойство p-n перехода показывает, как изменяется работа p-n перехода при изменении температуры. На p-n переход в значительной степени влияет нагрев, в очень малой степени — охлаждение. При увеличении температуры увеличивается термогенерация носителей заряда, что приводит к увеличению как прямого, так и обратного тока. Частотные свойства p-n перехода показывают, как работает p-n переход при подаче на него переменного напряжения высокой частоты. Частотные свойства p-n перехода определяются двумя видами ёмкости перехода.

Рис. 10

Первый вид ёмкости — это ёмкость, обусловленная неподвижными зарядами ионов донорной и акцепторной примеси. Она называется зарядной, или барьерной ёмкостью.

Второй тип ёмкости — это диффузионная ёмкость, обусловленная диффузией подвижных носителей заряда через p-n переход при прямом включении.

где: Q — суммарный заряд, протекающий через p-n переход.

Рис. 11

Ri— внутреннее сопротивление p-n перехода.

Ri очень мало при прямом включении

[Ri = (n∙1 ÷ n∙10) Ом] и будет велико при обратномвключении

[Riобр = (n∙100 кОм ÷ n∙1 МОм)].