Инструменты пользователя

Инструменты сайта


examination:elt:question35

35.Образование носителей заряда в полупроводниках. Полупроводники n- и р-типов. Р-n-переход и его свойства.

Полупроводники - вещества, имеющие удельное электрическое сопротивление Ом*м и занимающие по электропроводности промежуточное положение между проводниками и диэлектриками.

К наиболее распространенным п/проводниковым материалам относят элементы 4 группы т. Менделеева : германий и кремний.

Отличие п/проводника от проводника в том, что для проводника проводящее состояние является основным, а для п/проводника возбужденным.

При температуре t = 0 К свободных носителей заряда в п/проводниках нет. Валентные электроны атомов входят в ковалентные пары и жестко привязаны к собственным атомам (энергия электронов входит в диапазон энергии валентной зоны).

Если сообщить электрону дополнительную энергию, например, нагреть, он в энергетическом смысле попадает в зону проводимости, т.е. будет способен отделиться от узла кристаллической решетки и образовать свободный носитель заряда.

Из–за ухода электрона в узле кристаллической решетки образуется неподвижный положительный ион, называемый «дыркой». «Дырка», обладающая избыточным положительным зарядом, может захватить электрон «чужого» атома и стать нейтральным атомом, однако в том месте, откуда был взят электрон, образуется новая «дырка», и можно говорит о перемещении «дырки» от узла к узлу кристаллической решетки.



На схеме описан процесс, в результате которого образуется 2 вида носителей: электроны с энергией зоны проводимости и «дырки» с энергией валентной зоны, называется генерацией (при нагревании - термогенерацией) собственных носителей заряда, а п/проводники, в которых происходит этот процесс собственными(чистыми) п/проводниками.

Одновременно с процессом генерации носителей заряда происходит их рекомбинация - захват электронов ионизированными атомами, в результате электронодырочная пара исчезает, но выделяется энергия.

Различают фотонную рекомбинацию (п/проводник нагревается) и фотодную (п/проводник светится).

Таким образом, по мере увеличения температуры возрастают вероятности тепловой генерации и рекомбинации, концентрация свободных носителей заряда, а значит и электропроводность возрастает экспоненциально.

Концентрация электронов в собственных п/проводниках равна концентрации «дырок» n=p и при рабочей температуре относительно невелика, поэтому по своим свойствам чистый( собственный) п/проводник близок к диэлектрику.

Введение в собственный п/проводник небольшого количества примесей значительно изменяет электропроводящие свойства материала. Эта операция называется легированием – внедрение в узлы кристаллической решетки п/проводникого материала примесных атомов.



Если в п/проводник 4 группы т.Менделеева вводится примесь 5 группы (мышьяк, фосфор, сурьма), она называется донорной, а п/проводник – донорным или n–типа.

Пятый электрон донорной примеси не образует прочных связей с соседними связями 4 - валентного п/проводника. При абсолютном нуле электроны находятся у своего атома, но с увеличением температуры атомы примеси начинают ионизироваться, т.е. отдавать «лишние» электроны.

При температуре ионизации примесей все атомы донора ионизируются. Таким образом, концентрация основных носителей заряда, которыми в донорном п/проводнике являются электроны, возрастает.

<m>n_n = р_n + N_Д</m>, где:

  • <m>n_n</m> = количество электронов п/проводника n типа,(основной)
  • <m>р_n</m> = количество «дырок» п/проводника n типа,(неосн)
  • <m>N_Д</m> = количество электронов, отданных донорными примесями.


Поскольку количество неосновных носителей чистого п/проводника мало, можно считать, что <m>n_n approx N_Д</m>.



Примесь из 3 группы т. Менделеева называется акцепторной, а п/проводник акцепторным или p-типа. При внедрении атомов акцепторных примесей (алюминий, бор, индий) в кристаллическую решетку чистого п/проводника возникают условия для захвата атомами примесей электронов основного вещества. При абсолютном нуле этого не происходит, нос ростом температуры атомы примесей ионизируются за счет захваченных электронов. На месте разорванной связи атома п/проводника образуется положительны заряд – «дырка». Комнатная температура больше температуры ионизации примесей, поэтому количество основных носителей заряда, а именно «дырок», в акцепторном п/проводнике равно <m>р_n = n_р + N_a approx N_a</m>.

Вывод: Таким образом, в примесных п/проводниках n– и р–типа концентрация основных носителей заряда создается за счет ионизации атомов примеси, а концентрация неосновных носителей заряда за счет терморегенерации собственных носителей. Обычно концентрация основных носителей на 2,3 и более порядков превышает концентрацию неосновных носителей.

Р-n-переход

Существующее многообразие электрических приборов обуславливается применением различных комбинации материалов с донорными и акцепторными примесями и особенностями процессов, происходящих на границе этих материалов. Область п/проводника, расположенная вблизи границы между p и n слоями называется электронодырочным переходом или p-n-переходом.

Различают гомопереход, получающийся в результате изменяющегося в пространстве легирования донорными и акцепторными примесями одного и того же п/проводника, и гетеропереход, в котором p область и n область принадлежат различным п/проводникам.

Рассмотрим 2-х слойную структуру со слоями n и p типа.



Из-за большой концентрации противоположных по знаку основных носителей p– и n–области происходит их взаимная диффузия. Электроны проникают в р–область, а «дырки» в n–область, т.е. имеет место электроннодырочный диффузионный ток.

Перейдя границу с различной проводимостью носители рекомбинируют с основными носителями чужого слоя, но заряды ионов ( в р – области отриц., в n - области положит.) остаются нескомпенсированными.

В результате возникает электрическое поле, направленное из n - области в р – область, действие которого на электроны и «дырки» компенсирует действие диффузионных токов или, другими словами, диффузионный ток уравновешивается дрейфовым током.

Возникновение электрического поля обуславливает разность потенциалов, называемую потенциальным барьером <m>varphi_{0}</m>. Как правило, величина потенциального барьера составляет доли вольта и зависит от материала и степени легирования п/проводника. Предельное значение <m>varphi_{0}</m> в кремниевом p-n-переходе не превышает 1,12 вольта.

Таким образом, в месте перехода материала с электронной проводимостью в материал с дырочной проводимостью возникает запирающий слой, обедненный основными носителями заряда и обладающий высоким электрическим сопротивлением.



Если теперь рассмотренный 2-х компонентный п/проводник включить в электрическую цепь так, чтобы к р – области оказался подключен «+» источника, а к n – области «-» источника, то все напряжение окажется приложено к p-n-переходу как к участку с наибольшим сопротивлением.
Из-за наличия внешнего электрического поля баланс между диффузионным и дрейфовым током нарушается в пользу диффузионного тока основных носителей. Это значит, что из р – области к р-n-переходу устремляются «дырки», а из n – области электроны.

В результате прибытия положительных частиц в зону с избыточным отрицательным зарядом, а отрицательных частиц в зону с нескомпенсированным положительным зарядом, толщина запирающего слоя уменьшается, т.е. исчезает препятствие (эл. сопротивление) на пути протекания тока внешней цепи. Исходя из этого, можно заключить, что для открытия р-n-перехода к нему в прямом направлении должна быть приложено внешнее напряжение, превышающее напряжение потенциального барьера.



Если к р-n-переходу приложить напряжении обратной полярности, оно будет содействовать протеканию дрейфового тока, т.е. тока неосновных носителей. Концентрация этих носителей на несколько порядков ниже концентрации основных носителей, отсюда есть большое эл сопротивление, оказываемое p – n – переходом протеканию тока внешней цепи. Отток электронов и «дырок» из слоев с нескомпенсированными зарядами противоположных знаков увеличивает толщину этих слоев. Такое явление называется обратным смещением p – n – перехода.

А ток тепловых носителей - обратным или тепловым током. Второе название связано с тем, что неосновные носители заряда возникают в результате термогенерации. В этой связи обратный ток сильно зависит от температуры. Он увеличивается при нагреве кремниевого прибора на <m>10^о</m>, германиевого - на <m>8^о</m>.

Вольт – амперной характеристикой p – n – перехода называется зависимость тока через него от приложенного напряжения. При прямом смещении p – n – перехода, т.е. при положительном направлении ток через него ограничивается только внешним сопротивлением электрического контура, а падение напряжения на нем зависит от величины потенциального барьера и составляет у кремниевого p – n – перехода 0,81,2В,
у германиевого - 0,30,6В.



При подключении к p – n – переходу обратного напряжения через него течет ток неосновных носителей, обусловленный термогенерацией. Поскольку энергия, которую нужно сообщить электронам для перевода их из валентной зоны в зону проводимости, у Si > Ge при одинаковой температуре , обратный тепловой ток кремниевого п/проводников оказывается меньше, чем германиевых.

examination/elt/question35.txt · Последние изменения: 2014/01/15 12:16 (внешнее изменение)