Методическое пособие "Физические основы полупроводниковых приборов" учебно-методический материал по теме

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

Кристаллическая структура полупроводника на плоскости может быть определена следующим образом.

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.

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.

Отношение — это градиент неравномерности концентрации примесей. Величина диффузионного тока будет определяться градиентом неравномерности и 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.

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.

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.

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:

📎📎📎📎📎📎📎📎📎📎