Міністерство Російської Федерації по зв'язку та інформатизації
Сибірський державний університет телекомунікацій та інформатики
В.Л. Савіних
ФІЗИЧНІ ОСНОВИ
ЕЛЕКТРОНІКИ
Навчальний посібник для спеціальностей 071 700, 200 700,
200 800, 200 900, 201 000 , 201 100, 201 200, 201 400
Новосибірськ
2003
УДК 621.385
Розглядаються пристрій, фізичні процеси, характеристики,параметри і найпростіші схеми застосування напівпровідникових електроннихприладів.
ктн, доц. В.Л. Савіних,
Для студентів денної та заочної форм навчання спеціальностей 071700,
200700, 200800, 200900, 201000, 201100, 201200, 201400.
Кафедра технічної електроніки .
Іл. 8, табл. 11, список лит. 4 назв.
Рецензент ктн, доц. Матвєєв В.А.
Затверджено редакційно-видавничим радою СібГУТІ як навчальний посібник
@ Сибірський державний університет телекомунікацій та інформатики, 2003 р.
Зміст
Введення ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...
1 Основи теорії електропровідності напівпровідників .......
1 Загальні відомості про напівпровідниках ....................................
1 Напівпровідники з власною провідністю ..............
2 Напівпровідники з електронною провідністю ............. < p> 3 Напівпровідники з доречний провідністю ..................
2 Токи в напівпровідниках
....... ............................................. < p> 1 дрейфовий ток ............................................. .....................
.
2 дифузійний струм ........... ................................................
3 Контактні явища .......................................... .................
1 Електронно-дірковий перехід в стан рівноваги
2 Пряме включення pn переходу ...... ................................
3 Зворотне включення pn переходу ...... ...........................
1 Теоретична характеристика pn переходу ........... ................
4 Реальна характеристика pn переходу ...................... ......
5 Ємності pn переходу ................................. .....................
4 Різновиди pn переходів .................. ........................
1
гетеропереході .......... ............................................. < p> ....
2 Контакт між напівпровідниками одного типу провідності
3 Контакт металу з напівпровідником .................. ........................
4 омічний контакти ................ ............................................
.......
5 Явища на поверхні напівпровідника ..............................
2 Напівпровідникові діоди ........................................ .............
1
Класифікація ..................... ..................................
......... .......
2 Випрямні діоди ................................. ......................
3 Стабілітрони і стабістори ................. ................................
4 Універсальні та імпульсні діоди ...... .............................
5
Варикап ..... .................................................. .....
..................
3 Біполярні транзистори .......... .................................................
3.1 Принцип дії біполярного транзистора. Режими роботи .....
1 Загальні відомості ................................. ...........................
................ ..
2 Фізичні процеси в бездрейфовом біполярному транзисторі
2 Статичні характеристики біполярних транзисторів .........
1 Схема з загальною базою. .................................................. ............
2 Схема з загальним емітером .......................... ..............................
3 Вплив температури на статичні характеристики БТ .....
3 Диференціальні параметри біполярного транзистора ..................
3 Лінійна (малосігнальная) модель біполярного транзистора ......
4 Частотні властивості біполярного транзистора ...................................
5 Способи покращення частотних властивостей біполярних транзисторів.
6 Робота транзистора в підсилювальному режимі ......................... .............
7 Особливості роботи транзистора в імпульсному режимі .................. < p> 1 Робота транзистора в режимі посилення імпульсів малої амплітуди ....................................... ....................
....................... ............
2 Робота транзистора в режимі перемикання ......................... ........
3 Перехідні процеси при перемиканні транзистора ..............
4 Польові транзистори ..... .................................................. ....
...
1 Польовий транзистор з pn переходом ....................... .................
2 Польовий транзистор з ізольованим затвором (МДН-ранзістор )...
Література .... .................................................. ......
..................................
ВСТУП
Глави навчального посібника присвячені фізичних основ полупровод-ників,контактним явищ між напівпровідниками різної прово-хідності і міжнапівпровідником і металом. Розглядаються принципи роботи, характеристикиі параметри напівпровідникових приладів: діодів, біполярних і польовихтранзисторів різної структури.
Для освоєння дисципліни (Фізичні основи електроніки (доситьзнань з загальноосвітніх та загальнотехнічних предметів в обсязі,передбаченому навчальними програмами. Після вивчення даної дисциплінистудент повинен отримати базову підготовку, необхідну для успішногоосвоєння спеціальних радіотехнічних курсів і наступного рішеннярізного роду професійних завдань, пов'язаних з раціональним виборомелектронних приладів та режимів їх роботи в радіоелектронної апаратури.
Детальний розгляд фізичних основ явищ, принципів роботи,параметрів, характеристик і моделей приладів спрямоване на розвиток устудентів вміння самостійно вирішувати задачі моделювання, аналізу тасинтезу радіоелектронних пристроїв при їх проектуванні та експлуатації.
Однак у навчальному посібнику відсутні відомості про великий і постійнооновлюваної номенклатурі електронних приладів. Необхідний матеріал з цимпитань можна знайти в довідниках, каталогах та інших виданнях.
1 ОСНОВИ ТЕОРІЇ Електропровідність
Напівпровідники
1.1 Загальні відомості Про Напівпровідники
1.1 .1 Напівпровідники з власною електропровідністю
До напівпровідників відносяться речовини, які за своїми електричнимивластивостями займають проміжне положення між провідниками тадіелектриками.
Відмітною ознакою напівпровідників є сильна залежністьїх електропровідності від температури, концентрації домішок, впливусвітлового і іонізуючого випромінювань.
У створенні електричного струму можуть брати участь тількирухливі носії електричних зарядів. Тому електропровідністьречовини тим більше, чим більше в одиниці об'єму цієї речовини знаходитьсярухомих носіїв електричних зарядів. У металах практично всівалентні електрони (які є носіями елементарного негативногозаряду) вільні, що й обумовлює їх високу електропровідність.
Наприклад, питомий опір міді (= 0,017 (10-6 Ом (м. У діелектриках інапівпровідниках вільних носіїв значно менше, тому їх питомийопір великий. Наприклад, для діелектрика поліетилену
(= 1015 Ом (м, а для напівпровідника кремнію (= 2 (103 Ом (м.
Характерною особливістю напівпровідників є яскраво вираженатемпературна залежність питомої електричного опору. Зпідвищенням температури воно, як правило, зменшується на 5 ... 6% на градус, втой час як у металів питомий електричний опір з підвищеннямтемператури зростає на десяті частки відсотка на градус. Питомийопір напівпровідника також різко зменшується при введенні в ньогонезначної кількості домішки.
Більшість застосовуваних в даний час напівпровідників відноситься докристалічним тіл, атоми яких утворюють просторову решітку.
Взаємне тяжіння атомів кристалічної решітки здійснюється за рахунокковалентного зв'язку, тобто загальної пари валентних електронів, що обертаються поодній орбіті навколо цих атомів. Згідно з принципом Паулі, загальну орбітуможуть мати тільки два електрони з різними спинами, тому числоковалентних зв'язків атома визначається його валентністю.
Кожній орбіті відповідає своя енергія електрона. Електрон в атоміволодіє тільки деякими, цілком визначеними значеннями енергії,складовими сукупність дискретних енергетичних рівнів атома.
У процесі утворення кристалічної решітки між атомами виникаєсильна взаємодія, що приводить до розщеплення енергетичних рівнів,займаних електронами атомів (малюнок 1.1). Сукупність цих рівнівназивають енергетичної зоною. Число підрівнів в кожній зоні визначаєтьсячислом взаємодіючих атомів.
Дозволені енергетичні зони 1, 3 відокремлені один від одногозабороненою зоною 2. Заборонена зона об'єднує рівні енергій, які неможуть приймати електрони атомів даної речовини. Оскільки ширинадозволених зон у твердому тілі не перевершує декілька електрон-вольт
(еВ), а число атомів в 1 см3 досягає 1022, різниця між рівнямискладає 10-22 еВ. Таким чином, в межах дозволеної зони виходитьпрактично безперервний спектр енергетичних рівнів.
Верхня дозволена зона, в якій при абсолютному нулі температуривсі енергетичні рівні зайняті, називається заповненої або валентноїзоною (на малюнку 1.1. це зона 3). Дозволена зона, в якій при Т = 0 (
До електрони відсутні, називається вільною (на малюнку 1.1 це зона 1).
Ширина забороненої зони (зона 2 на малюнку 1.1) є важливимпараметром, що визначає властивості твердого тіла. Речовини, у яких шириназабороненої зони (W (3 еВ, відносяться до напівпровідників, а при (W> 3 еВ --до діелектрика. У металів заборонена зона відсутній.
У напівпровідникової електроніки широке застосування отримали германій
((W = 0,67 еВ) ікремній ((W = 1,12 еВ) - елементи 4-ї групи періодичної системи. Наплощині кристалічну решітку цих елементів зображують так,як показано на малюнку 1.2, а. Тут
| Рисунок 1.1. Енергетична |
| діаграма кристала при Т = 0 (К. |
гуртками з цифрою 4 позначені атоми без валентних електронів, що називаютьсяатомним залишком з результуючим зарядом 4 q (q - заряд електрона, рівний
1,6 (10-19 Кл). При температурі абсолютного нуля (0 (К) всі електронизнаходяться на орбітах, енергія електронів на яких не перевищуєенергетичних рівнів валентної зони. Вільних електронів немає, інапівпровідник веде себе, як діелектрик.
При кімнатній температурі частина електронів здобуває енергію, достатнюдля розриву ковалентного зв'язку (рисунок 1.2, а). При розриві ковалентногозв'язку в валентної зоні з'являється вільний енергетичний рівень (рис.
1.2, б). Догляд електрона з ковалентного зв'язку супроводжується появою всистемі двох електрично пов'язаних атомів одиничного позитивногозаряду, що отримав назву дірки, і вільного електрона.
Малюнок 1.2. Умовне позначення кристалічної решітки (а) і енергетична діаграма (б) напівпровідника з власною електропровідність.
Розрив ковалентного зв'язку на енергетичній діаграмі характеризуєтьсяпоявою в валентної зоні вільного енергетичного рівня (див. рис.
1.2, б), на який може перейти електрон із сусідньої ковалентного зв'язку.
При такому переміщенні початковий вільний енергетичний рівеньзаповниться, але з'явиться інший вільний енергетичний рівень. Іншимисловами, заповнення дірки електроном з сусідньої ковалентного зв'язку можнапредставити як переміщення дірки. Отже, дірку можна вважатирухомим вільним носієм елементарного позитивного заряду. Процесосвіти пар електрон-дірка називають генерацією вільних носіївзаряду. Очевидно, що кількість їх тим більше, чим вище температура іменше ширина забороненої зони. Одночасно з процесом створенняпротікає процес рекомбінації носіїв, при якому електронвідновлює ковалентний зв'язок. Через процесів генерації та рекомбінаціїносіїв зарядів при даній температурі встановлюється певнаконцентрація електронів в зоні провідності ni, і рівна їй концентраціядірок pi, в валентної зоні. З курсу фізики відомо, що
(1.1) де Wф - рівень Фермі, що відповідає рівню енергії, формальнаймовірність заповнення якого дорівнює 0,5 (формальна тому, що рівень
Фермі знаходиться в забороненій зоні і фактично не може бути зайнятийелектронами; крива розподілу Фермі-Дірака, що характеризує ймовірністьзнаходження електрона на тому чи іншому енергетичному рівні, завждисиметрична щодо рівня Фермі); WДН - енергія, відповідна
"дна" зони провідності; WВ - енергія, відповідна "стелі" валентноїзони; Аn, Ар - коефіцієнти пропорційності; k - постійна Больцмана,дорівнює 1,37 (10-23 Дж/град; Т-абсолютна температура, К. У хімічно чистихнапівпровідниках рівень Фермі співпадає з серединою забороненої зони Wi, атакож Аn = Ар = А. Тому можна записати:
. (1.2)
З виразу (1.2) випливає, що в чистому напівпровіднику концентраціїносіїв зарядів залежать від ширини забороненої зони і при збільшеннітемператури зростають наблизить-кові за експоненціальним законом
(температурні зміни А грають незначну роль). (Малюнок 1.3)
Рівність концентрацій ni і pi показує, що такий напівпровідник маєоднаковими електронної та доречний електропровідності і називаєтьсянапівпровідником з Рисунок 1.3 Залежність концентрації власноїелектропровідність.носіїв від температури.
1.1.2 Напівпровідники з електронною електропровідністю
При введенні в 4-валентний напівпровідник домішкових 5-валентних атомів
(фосфору Р, сурми Sb) атоми домішок заміщають основні атоми у вузлахкристалічної решітки (рис. 1.4, а). Чотири електрона атома домішкивступають у зв'язок з чотирма валентними електронами сусідніх атомівосновного напівпровідника. П'ятий валентний електрон має слабкий зв'язок зі своїматомом і при повідомленні йому незначною енергії, що називається енергієюактивації, відривається від атома і стає вільним. Домішки,збільшують кількість вільних електронів, називають донорних або простодонорами. Донори підбирають таким чином, щоб їх енергетичні рівні Wдрозташовувалися у забороненій зоні поблизу дна зони провідності основногонапівпровідника (мал. 1.4, б). Оскільки концентрація донорів у більшостівипадків не перевищує 1015 ... 1017 атомів в 1 см3, що складає
10-4% атомів основної речовини, то взаємодія між атомами доноріввідсутній і їх енергетичні рівні не розбиваються на зони.
Мала енергія активізації домішок, що дорівнює 0,04-0,05 еВ для кремнію і 0,01 -
0,13 еВ для германію, вже при кімнатній температурі приводить до повноїіонізації 5-валентних атомів домішок і появи в зоні провідностівільних електронів. Оскільки в цьому випадку поява вільнихелектронів в зоні провідності не супроводжується одночасним
Малюнок 1.4 Умовне позначення кристалічної решітки (а) і енергетична діаграма (б) напівпровідника з електронною електропровідність.
збільшенням дірок в валентної зоні, в такому напівпровіднику концентраціяелектронів виявляється значно більше концентрації дірок. Дірки внапівпровідниках утворюються тільки в результаті розриву ковалентних зв'язківміж атомами основної речовини.
Напівпровідники, в яких концентрація вільних електронів у зоніпровідності перевищує концентрацію дірок у валентної зоні, називаютьсянапівпровідниками, з електронною електропровідністю або напівпровідниками n -типу.
Рухливі носії заряду, що переважають у напівпровіднику, називаютьосновними. Відповідно ті носії заряду, які знаходяться в меншомукількості, називаються неосновними для даного типу напівпровідника. Унапівпровіднику n-типу основними носіями заряду є електрони, анеосновними - дірки. У стані теплової рівноваги в такомунапівпровіднику концентрації вільних електронів () і дірок ()визначаються співвідношеннями:
;. (1.3)
З урахуванням співвідношень (1.1) вирази (1.3) можна представити унаступному вигляді:
; (1.4). (1.5)
З цих співвідношень випливає, що для напівпровідника n-типу виконуєтьсянерівність ((.
Атоми 5-валентних домішок, "втратили" по одному електрону,перетворюються на позитивні іони. На відміну від дірок позитивні іониміцно пов'язані з кристалічними гратами основного напівпровідника,є нерухомими позитивними зарядами і, отже, не можутьбрати безпосередню участь у створенні електричного струму внапівпровіднику.
Якщо вважати, що при кімнатній температурі всі атоми донорнихдомішок іонізовані (= nД, (0), на підставі виразу (1.4)можна записати:
, (1.6)де nД - концентрація донорних атомів у напівпровіднику.
Зі співвідношення (1.6) видно, що в напівпровідниках n-типу рівень Фермірозташовується у верхній половині забороненої зони, і тим ближче до зонипровідності, чим більше концентрація донорів. При збільшенні температурирівень Фермі зміщується до середини забороненої зони за рахунок іонізаціїосновних атомів напівпровідника.
Підвищення концентрації електронів в даномунапівпровіднику значнознижує його питомий опір. Наприклад, чистий кремній має (=
2 (103 Ом (м, а легований фосфором - (0,25 ... 0,4) (102 Ом (м.
1.1.3 Напівпровідники з доречний електропровідністю
Якщо в кристалі 4-валентного елемента частина атомів заміщена атомами
3-валентного елементу (галію Ga, індію In), то для утворення чотирьохковалентних зв'язків у домішкових атомів не вистачає одного електрона (мал.
1.5, а). Цей електрон може бути отриманий від атома основного елементанапівпровідника за рахунок розриву ковалентного зв'язку. Розрив зв'язку призводить допояви дірки, тому що супроводжується утворенням вільного рівня ввалентної зоні. Домішки, що захоплюють електрони із валентної зони,називають акцепторні або акцепторами. Енергія активізації акцепторівскладає для германію 0,0102-0,0112 еВ і для кремнію 0,045-0,072 еВ, щозначно менша за ширину забороненої зони беспрімесного напівпровідника.
Отже, енергетичні рівні домішкових атомів розташовуються поблизувалентної зони (рис. 1.5, б).
Зважаючи малого значення енергії активізації акцепторів вже прикімнатній температурі електрони з валентної зони переходять на рівніакцепторів. Ці електрони, перетворюючи домішкові атоми в негативні іони,втрачають здатність переміщатися по кристалічній решітці, ащо утворилися при цьому дірки можуть брати участь у створенні електричногоструму.
За рахунок іонізації атомів вихідного матеріалу з валентної зони частинаелектронів потрапляє в зону провідності. Однак електронів в зоніпровідності значно менше, ніж дірок у валентної зоні. Тому діркив таких напівпровідниках є основними, а електрони - неосновними
Малюнок 1.5 Умовне зображення кристалічної решітки (а) і енергетична діаграма (б) напівпровідника з доречний електропровідність.рухливими носіями заряду. Такі напівпровідники носять назвунапівпровідників з доречний електропровідністю або напівпровідників р-типу.
У стані теплової рівноваги концентрація дірок у напівпровіднику р-типу
() Та вільних електронів () визначається з співвідношень:
; (1.7) (1.8)
З рівнянь (1.7) та (1.8) випливає, що для напівпровідника р-типувиконується нерівність ((.
Якщо вважати, що при кімнатній температурі всі акцепторні атомиіонізовані, тобто = 0, то на підставі співвідношення можна записати:
, (1.9)де Na - концентрація акцепторних атомів у напівпровіднику.
Співвідношення (1.9) показує, що рівень Фермі в напівпровіднику р -типу розташовується в нижній половині забороненої зони, так як Na>> ni, іпри підвищенні температури зміщується до середини забороненої зони за рахунокіонізації атомів основного напівпровідника.
Крім того, на підставі рівнянь (1.4), (1.5), (1.7) та (1.8) можназаписати наступне вираз:
(1.10)яке показує, що введення в напівпровідник домішок призводить дозбільшення концентрації одних носіїв заряду і пропорційнимзменшення концентрації інших носіїв заряду за рахунок зростання вірогідностіїх рекомбінації.
1.2 ТОКИ У напівпровідниках
1.2.1 дрейфовий ток
У напівпровідниках вільні електрони й дірки перебувають у станіхаотичного руху. Тому, якщо вибрати довільне перетин всерединіоб'єму напівпровідника і підрахувати число носіїв заряду, що проходять черезце перетин за одиницю часу зліва направо і справа наліво, значення цихчисел виявляться однаковими. Це означає, що електричний струм в даномуобсязі напівпровідника відсутній.
При приміщенні напівпровідника в електричне поле напруженістю Е нахаотичний рух носіїв зарядів накладається складоваспрямованого руху. Направлене рух носіїв зарядів велектричному полі зумовлює появу струму, званого дрейфовий
(Малюнок 1.6, а) Через зіткнення носіїв зарядів з атомами кристал -вої грати їх рух у напрямку дії електричного поля
| а) | б) |
| Малюнок 1.6 дрейфовий (а) і дифузійний (б) струми в напівпровіднику. |
уривчасто і характеризується рухливістю (. Рухливість дорівнює середнійшвидкості, що купується носіями заряду в напрямку діїелектричного поля напруженістю Е = 1 В/м, тобто
. (1.11)
Рухливість носіїв зарядів залежить від механізму їх розсіювання вкристалічній решітці. Дослідження показують, що рухливостіелектронів (n і дірок (p мають різне значення ((n> (p) і визначаютьсятемпературою і концентрацією домішок. Збільшення температури призводить дозменшення рухливості, що залежить від числа зіткнень носіїв зарядівв одиницю часу.
Щільність струму в напівпровіднику, обумовленого дрейфом вільнихелектронів під дією зовнішнього електричного поля з середньою швидкістю
, Визначається виразом.
Переміщення (дрейф) дірок у валентної зоні із середньою швидкістюстворює в напівпровіднику дірковий струм, густина якого.
Отже, повна щільність струму в напівпровіднику містить електроннуjn і дірковий jр складові і дорівнює їх сумі (n та p - концентраціївідповідно електронів і дірок).
Підставляючи у вираз для щільності струму співвідношення для середньоїшвидкості електронів і дірок (1.11), отримуємо
(1.12)
Якщо порівняти вираз (1.12) до закону Ома j = (Е, то питомаелектропровідність напівпровідника визначається співвідношенням
.
У напівпровідника з власною електропровідністю концентраціяелектронів дорівнює концентрації дірок (ni = pi), і його питомаелектропровідність визначається виразом
.
У напівпровіднику n-типу>, і його питомаелектропровідність з достатнім ступенем точності може бути визначенавиразом
.
У напівпровіднику р-типу>, і питома електропровідністьтакого напівпровідника
В області високих температур концентрація електронів та дірокзначно зростає за рахунок розриву ковалентних зв'язків і, незважаючи назменшення їх рухливості, електропровідність напівпровідника збільшуєтьсяза експоненціальним законом.
1.2.2 дифузійний струм
Крім теплового збудження, що приводить до виникнення рівноважноїконцентрації зарядів, рівномірно розподілених за обсягом напівпровідника,збагачення напівпровідника електронами до концентрації np і дірками доконцентрації pn може здійснюватися його освітленням, опроміненням потокомзаряджених частинок, введенням їх через контакт (інжекцією) і т. д. У цьомувипадку енергія збудника передається безпосередньо носіїв заряду ітеплова енергія кристалічної решітки залишається практично постійною.
Отже, надлишкові носії заряду не перебувають в тепловомурівновазі з гратами і тому називаються нерівноважних. На відміну відрівноважних вони можуть нерівномірно розподілятися за об'ємом напівпровідника
(рисунок 1.6, б)
Після припинення дії збудника за рахунок рекомбінації електроніві дірок концентрація надлишкових носіїв швидко зменшується і досягаєрівноважного значення.
Швидкість рекомбінації нерівноважних носіїв пропорційнанадмірної концентрації дірок (pn -) або електронів (np -):
;,де (p - час життя дірок; (n - час життя електронів. За час життяконцентрація нерівноважних носіїв зменшується в 2,7 рази. Час життянадлишкових носіїв становить 0,01 ... 0,001 с.
Носії зарядів рекомбінують в обсязі напівпровідника і на йогоповерхні. Нерівномірний розподіл нерівноважних носіїв зарядівсупроводжується їх дифузією у бік меншої концентрації. Цей рухносіїв зарядів обумовлює проходження електричного струму,званого дифузійним (рисунок 1.6, б).
Розглянемо одновимірний випадок. Нехай у напівпровіднику концентраціїелектронів n (x) і дірок p (x) є функціями координати. Це призведе додифузійному руху дірок і електронів з області з більшою їхконцентрацією в область з меншою концентрацією.
Дифузійне рух носіїв зарядів обумовлює проходженнядифузійного струму електронів і дірок, щільності яких визначаються ізспіввідношень:
; (1.13); (1.14)
де dn (x)/dx, dp (x)/dx - градієнти концентрацій електронів і дірок; Dn, Dp
- Коефіцієнти дифузії електронів і дірок.
Градієнт концентрації характеризує ступінь нерівномірності розподілузарядів (електронів та дірок) в напівпровіднику вздовж якогось вибраногонапряму (в даному випадку уздовж осі x). Коефіцієнти дифузії показуютькількість носіїв заряду, що перетинають в одиницю часу одиничнумайданчик, перпендикулярну до обраного напрямку, при градієнтіконцентрації в цьому напрямку, що дорівнює одиниці. Коефіцієнти дифузії пов'язані з рухливістю носіїв зарядів співвідношеннями
Ейнштейна:
;.
Знак "мінус" у виразі (1.14) означає протилежнуспрямованість електричних струмів в напівпровіднику при дифузійномурух електронів і дірок у бік зменшення їх концентрацій.
Якщо в напівпровіднику існує і електричне поле, і градієнтконцентрації носіїв, що проходить струм буде мати дрейфовий і дифузійнускладові. У такому випадку щільності струмів розраховуються за наступнимирівнянь:
;.
1.3 КОНТАКТНІ дія
1 Електронно-дірковий перехід в стан рівноваги
Принцип дії більшості напівпровідникових приладів заснований нафізичних явища, що відбуваються в області контакту твердих тіл. При цьомупереважно використовуються контакти: напівпровідник-напівпровідник; метал -напівпровідник; метал-діелектрик-напівпровідник.
Якщо перехід створюється між напівпровідниками n-типу і p-типу, то йогоназивають електронно-дірковий або pn переходом.
Електронно-дірковий перехід створюється в одному кристалі напівпровідниказ використанням складних і різноманітних технологічних операцій.
Розглянемо pn перехід, в якому концентрації донорів nД і акцепторів
Na змінюються стрибком на межі розділу (рис. 1.7, а). Такий p-n перехідназивають різким. Рівноважна концентрація дірок у p-області ()значно перевищує їх концентрацію в n-області (). Аналогічно дляелектронів виконується умова>. Нерівномірний розподілконцентрацій однойменних носіїв зарядів у кристалі (рис. 1.7, б)призводить до виникнення дифузії електронів з n-області в p-область ідірок з p-області в n-область. Такий рух зарядів створює дифузійнийструм електронів і дірок. З урахуванням виразів (1.13) і (1.14) щільністьповного дифузійного струму, що проходить через границю розділу, визначитьсясумою
.
Електрони і дірки, переходячи через контакт назустріч один одному (благо -даруючи дифузії), рекомбінують і в пріконтактной області діркового напів -провідника утворюється нескомпенсованих заряд негативних іонівакцепторних домішок, а в електронному напівпровіднику нескомпенсованих-нийзаряд позитивних донорних іонів (рис. 1.6, в). Таким чином,електронний напівпровідник заряджається позитивно, а дірковий --негативно. Між областями з різними типами електропровідностівиникає власне електричне поле напруженістю Eсоб (рис. 1.7,а), засноване двома шарами об'ємних зарядів.
Цьому полю відповідає різниця потенціалів Uк між n-і p -областями, звана контактної (рис. 1.7, г). За межами областіоб'ємного заряду напівпровідникові області n-і р-типу залишаютьсяелектрично нейтральними.
Власне електричне поле є гальмуючим для основних носіїв заряду і прискорює для неосновних. Електрони p-області і
Малюнок 1.7 Рівноважний стан pn переходу.
дірки n-області, здійснюючи тепловий рух, потрапляють в межідифузійного електричного поля, захоплюються ним і перекидаються впротилежні області, утворюючи ток дрейфу, або струм провідності.
Виведення носіїв заряду з області напівпровідника, де вони єнеосновними, через електронно-дірковий перехід прискорює електричнимполем називають екстракцією носіїв заряду.
Використовуючи вираз (1.12) і враховуючи, що Е = -dU/dx, визначаємощільність повного дрейфовий струму через кордон розділу p-і n-областей:
.
Так як через ізольований напівпровідник ток проходити не повинен,між дифузійним і дрейфовий струмами встановлюється динамічнерівновага:
. (1.15)
Пріконтактную область, де є власне електричне поле,називають pn переходом.
Оскільки потенційна енергія електрона і потенціал пов'язаніспіввідношенням W =-qU, освіта нескомпенсованих об'ємних зарядіввикликає зниження енергетичних рівнів n-області і підвищенняенергетичних рівнів р-області. Зсув енергетичних діаграмприпиниться, коли рівні Фермі W фn і W фp співпадуть (рис. 1.7, д). Прице на межі розділу (x = 0) рівень Фермі проходить через серединузабороненої зони. Це означає, що у площині перетину x = 0 напівпровідникхарактеризується власної електропровідність і володіє в порівнянні зіншим обсягом підвищеним опором. У зв'язку з цим його називаютьзамикаючим шаром або областю об'ємного заряду.
Збіг рівнів Фермі n-і p-областей відповідає встановленнюдинамічної рівноваги між областями та виникнення між нимипотенційного бар'єру Uk для дифузійного переміщення через pn перехіделектронів n-області і дірок p-області.
З рис. 1.7, д випливає, що потенційний бар'єр
.
Підстановка в цей вираз результатів логарифмування співвідношень
(1.4), (1.7) дозволяє отримати наступне рівність:
.
Якщо позначити (т = kT/q і врахувати рівняння (1.10), то можназаписати:
; (1.16). (1.17)
З рівнянь (1.16) і (1.17) випливає:
;. (1.18)
При кімнатній температурі (Т = 300 К) (т (0,026 В.
Таким чином, контактна різниця потенціалів залежить від ставленняконцентрацій носіїв зарядів одного знака в р-і n-областяхнапівпровідника.
Іншим важливим параметром pn переходу є його ширина,позначається (= (p + (n.
Ширину замикаючого шару (можна знайти, вирішивши рівняння Пуассона для n -області і p-області:
; (1.19). (1.20)
Рішення рівнянь (1.19) і (1.20) при граничних умовах
;;
мають вигляд:
для -- (p для 0 (т, то: ;.
При кімнатній температурі; (1.42)
(у співвідношенні (1.42) значення струму підставляється в амперах).
Опір витоку rУТ враховує можливість проходження струму поповерхні кристала через недосконалість його структури. При прямомувключення pn переходу СБАР> r1, СБАР>> СДІФ і еквівалентна схемамає вигляд, показаний на рис. 1.15, б.
1.4 РІЗНОВИДИ ЕЛЕКТРИЧНИХ ПЕРЕХОДІВ
1.4.1 гетеропереході
гетероперехід утворюється двома напівпровідниками, які відрізняютьсяшириною забороненої зони. Параметри кристалічних гратокнапівпровідників, що становлять гетероперехід, повинні бути близькі, щообмежує вибір матеріалів. В даний час найбільш дослідженимиє пари: германій-арсенід галію, арсенід галію-мишьяковідний індій,германій-кремній. Розрізняють np і pn гетеропереході (на перше місцеставиться літера, що позначає тип електропровідності напівпровідника з більшвузькою забороненою зоною). На основі гетеропереходів можливо також створенняструктур nn і pp.
Малюнок 1.16 Спрощена енергетична діаграма pn гетеропереході в стані рівноваги.
На малюнку 1.16 наведена спрощена енергетична діаграма npпереходу між арсеніду галію р-типу ((WP = 1,5 еВ) і германієм n-типу
((Wn = 0,67 еВ) в стані рівноваги (U = 0). При контактінапівпровідників відбувається перерозподіл носіїв зарядів, що приводитьдо вирівнювання рівнів Фермі p-і n-областей та виникненнюенергетичного бар'єру для електронів n-області q (Ukn і. для дірок p -області q (Uкp, причому Uкn> Uкp.
Малюнок 1.17 Спрощена енергетична діаграма pn гетеропереході, включеного в прямому стані.
У стані рівноваги струм через np перехід дорівнює нулю. Оскількипотенційні бар'єри для дірок і електронів різні, при додатку догетеропереході прямої напруги зсуву він забезпечить ефективнуінжекції дірок з напівпровідника з більшою шириною забороненої зони (мал.
1.17).
1.4.2 Контакт між напівпровідниками одного типу електропровідності
Контакт напівпровідників з одним типом електропровідності, але з різноюконцентрацією домішок позначають р +-р чи п +-п (знаком "плюс" зазначаєтьсянапівпровідник з більшою концентрацією домішок). У таких контактах носіїз області з більшою концентрацією домішки переходять в область з меншоюконцентрацією. При цьому в області з підвищеною концентрацією порушуєтьсякомпенсація зарядів іонізованих атомів домішки, а в іншій областістворюється надлишок основних носіїв зарядів. Освіта е.тих зарядівпризводить до появи на переході власного електричного поля іконтактної різниці потенціалів, яка визначається наступними співвідношеннями: дляp +-р переходу
;для n +-n переходу.
У цих переходах не утвориться шар з малою концентрацією носіївзарядів, і їхній опір визначається в основному опоромнизькоомний області. Тому при проходженні струму безпосередньо наконтакті падає невелика напруга і випрямляючі властивості цихпереходів не виявляються. В p +-p і n +-n-переходах відсутній Инжекциянеосновних носіїв з низькоомний області в високоомних. Якщо, наприклад, допереходу n +-n підключений джерело струму плюсом до n-області, а мінусом до n + --області, то з n +-області в n-область будуть переходити електрони,що є в ній основними носіями зарядів. При зміні полярностізовнішньої напруги з n +-області в n-область повинні інжектованих дірки,однак їх концентрація мала, і цього явища не відбувається. Переходи типуp +-p і n +-n виникають при виготовленні омічний контактів донапівпровідників.
Малюнок 1.18 Енергетична діаграма pi переходу.
Проміжне положення між p +-p-або n +-n-і pn переходом займаютьp-i і n-i переходи. Такі переходи утворюються між двома пластинами, одинз яких має електронну або дірковий електропровідність, а інша --власну.
На рис 1.18 показані енергетична діаграма і зміна концентраційна кордоні двох напівпровідників з p-і i-областями. Внаслідок різниціконцентрацій носіїв зарядів в p-і i-областях відбувається Инжекция дірокз p-області у i-область і електронів з i-області у p-область. Внаслідокмалої величини інжекційно складовою електронного струму потенційнийбар'єр на межі переходу створюється нерухомими негативними іонамиакцепторів р-області і надлишковими дірками i-області, дифундує в неїз p-області. Оскільки>>, глибина поширення замикаючогошару в i-області значно більше, ніж в р-області.
1.4.3 Контакт металу з напівпровідником
Властивості контакту металу з напівпровідником залежать від роботи виходуелектронів з металу (W0м) і з напівпровідника (W0n або W0p). Електронипереходять з матеріалу з меншою роботою виходу в матеріал з більшоюроботою виходу. При контакті металу з електронним напівпровідником привиконанні умови W0n збіднений шар володіє підвищеним опором, що можезмінюватися під впливом зовнішнього напруги. Отже, такийконтакт має нелінійну характеристику і є випрямляються. Перенесеннязарядів у цих контактах здійснюється основними носіями, і в нихвідсутні явища інжекції, накопичення та розсмоктування зарядів. Такимчином, випрямляються контакти метал-п
