69010

Біполярні напівпровідникові структури з одним п/н переходом

Лекция

Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

Сили притягання протонів ядра атома та електронів орбіти урівноважуються силами їх відштовхування. Отже для існування ковалентного зв’язку необхідна пара валентних електронів спільних для двох сусідніх атомів. Однак енергетичні зовнішні впливи на н п призводять до відриву деяких валентних...

Украинкский

2014-09-28

211.5 KB

0 чел.

Тема 1. Біполярні напівпровідникові структури з одним п/н переходом

2. Загальні відомості про напівпровідники

2.1. Визначення напівпровідників

Основними матеріалами напівпровідникових приладів є напівпровідники, які легуються домішками для утворення п/н переходів. Для розуміння роботи напівпровідникових приладів треба знати властивості напівпровідників.

Напівпровідники (н/п) - це речовини, питомий опір ρ (електрична провідність ) яких знаходиться між питомим опором (електричною провідністю) провідників та діелектриків (табл.2.1).

,         ,

де R - опір,

    S - площа поперечного перерізу,

    l - довжина напівпровідника.

                                                                                                           Таблиця 2.1

Речовини 

ρ, Омм

, см/м

Провідники 

<10 -4

>10 4

Напівпровідники 

10 -4...10 10

10 4...10 -10

Діелектрики 

>10 10

<10 -10

Існує велика кількість різних н/п. Серед них хімічні елементи, хімічні з'єднання, органічні речовини.

В електроніці частіше всього застосовують германій Ge, силіцій Si, арсенід галію AsGa.

Властивістю н/п є суттєвий вплив на їх електричну провідність концентрації домішок та зовнішніх впливів (світла, радіації, температури).

Наприклад, при зростанні температури на 1°С провідність н/п не зменшується, як у провіднику, а зростає на 5...6%.

Властивості н/п реалізують у електронних приладах (діодах, транзисторах, тиристорах, інтегральних мікросхемах тощо).

2.2. Структура напівпровідників

Напівпровідники мають монокристалічну структуру, де в кожному вузлі їх кристалічних ґратів розміщений атом, який знаходиться на однаковій відстані від сусідніх атомів.

Кожний атом електрично нейтральний, але існують сили, які утримують його у вузлах ґрат. Вони виникають завдяки ковалентному зв 'язку.

Суть ковалентного зв'язку можна пояснити на прикладі об'єднання двох атомів гідрогену Н у молекулу Н2 (рис 2.1). 

Рис. 2.1. Утворення ковалентного зв'язку

Валентні електрони атомів утворюють спільну електронну орбіту молекули. Сили притягання протонів ядра атома та електронів орбіти урівноважуються силами їх відштовхування.

Отже, для існування ковалентного зв'язку необхідна пара валентних електронів, спільних для двох сусідніх атомів.

У германію і силіцію, які є чотиривалентними елементами, на зовнішній орбіті обертається по 4 валентні електрони, тому кожний атом утворює чотири ковалентні зв'язки з чотирма найближчими атомами (рис. 2.2).

Рис. 2.2. Кристалічні грати напівпровідника

Щільність розміщення атомів у ґратах силіцію - 510 22 атомів/см3 , германію -4,810 22 атомів/см3.

У ідеальних кристалічних ґратах при відсутності зовнішніх впливів всі електрони зв'язані зі своїми атомами, і тому така структура струму не проводить.

Однак, енергетичні зовнішні впливи на н/п призводять до відриву деяких валентних електронів від своїх атомів та переміщенню їх по кристалічних ґратах. Це електрони провідності.

При розриві ковалентного зв'язку і виходу електрона з атома, у кристалічних ґратах утворюється незаповнений зв'язок - дірка, який є нескомпенсованим позитивним зарядом з зарядом електрона е. На цей незаповнений зв'язок приходять валентні електрони з сусідніх атомів, а дірка перемішується далі по ґратах.

2.3. Енергетична діаграма напівпровідника

Кожний електрон у напівпровіднику має визначену енергію, від якої залежать його властивості.

Це відноситься як до електронів провідності, так і до валентних електронів.

Тому процеси в н/п зручно аналізувати енергетичними діаграмами.

Електрони н/п можуть займати тільки визначені енергетичні рівні, які об’єднуються в дискретні спектри енергії.

Спектр енергій електронів провідності утворює зону провідності, а спектр валентних електронів - валентну зону (рис. 2.3). 

Рис. 2.3. Енергетична діаграма напівпровідника

Валентна зона (ВЗ) - це зона дискретних енергетичних рівнів валентних електронів.

Зона провідності (ЗП) - це зона енергій електронів провідності.

Між ними знаходиться зона заборони (33), в якій електрони знаходитись не можуть. 

Мінімальний рівень енергії електронів зони провідності називають дном діаграми (Wд), а максимальний рівень валентної зони - стелею діаграми (Wс).

Ширина зони заборони ΔW=WдWс визначає мінімальну енергію, необхідну для звільнення валентного електрона, тобто енергію іонізації атома н/п (роботу виходу електрона). У германію – ΔW=0,78 еВ, у силіцію -   ΔW=1,12 еВ, у арсеніду галію – ΔW=1,41 еВ.

2.4. Генерація та рекомбінація зарядів

Процес переходу електрону із валентної зони в зону провідності призводить до появи в ній незаповненого енергетичного стану, який відповідає дірці. У результаті утворюється пара електрон - дірка. Цей процес називається генерацією зарядів.

При зустрічі електрони та дірки можуть з'єднуватися та зникати. Цей процес називається рекомбінацією зарядів.

Швидкість генерації υген носіїв заряду, тобто кількість появи електронно-діркових пар, визначається властивістю н/п і його температурою.

Швидкість рекомбінації υрек носіїв заряду, тобто кількість зниклих електронно-діркових пар за одиницю часу визначається ще додатково й концентрацією електронів та дірок, тому що, чим більша концентрація носіїв, тим вища вірогідність їх зустрічей.

Проміжок часу з моменту генерації заряду до його рекомбінації називається часом життя τ, а відстань, пройдена за час життя - дифузійною довжиною L.

,

де     - коефіцієнт дифузії, де

μ  - рухомість носія заряду;

k  - стала Больцмана;

Т - температура;

е – заряд електрона.

2.5. Власні та домішкові напівпровідники

2.5.1. Власні напівпровідники

Якщо н/п має в вузлах кристалічних ґрат тільки свої атоми, то він є власним. Його параметри позначаються індексом i (intrinsic - присутній).

Кількість дірок у ідеальному власному н/п дорівнює кількості вільних електронів (концентрація електронів і дірок однакова).

,     .

У силіцію концентрація вільних носіїв на три порядки менша, ніж у германію, завдяки більш високій енергії іонізації.

Концентрація носіїв у власному н/п встановлюється як результат динамічної рівноваги двох процесів: генерації та рекомбінації

υген = υрек.

У електронних напівпровідникових приладах частіше застосовують домішкові н/п.

2.5.2. Домішкові напівпровідники

Основною структурою напівпровідникових приладів є п/н перехід, який формується двома областями н- та п- напівпровідниками. Отримують ці області легуванням напівпровідників домішками.

У домішкових н/п частина атомів в кристалічних ґратках основної речовини основної речовини (наприклад, силіцію) замінена атомами іншої речовини - домішками.

Ті домішки, які збільшують концентрацію вільних електронів у н/п називають донорними (n-типу), а ті, що збільшують концентрацію дірок, називають акцепторними (p-типу).

До донорних домішок відносяться 5-валентні атоми: арсену As, стибію Sb, фосфору Р.

До акцепторних домішок відносяться 3-валентні атоми: індію In, галію Ga, алюмінію А1, бору В.

Концентрація атомів домішок (N=1016...1018 атомів/см3) значно більша концентрації атомів основного н/п, тому домішки визначають тип електропровідності н/п. Крім того, атоми домішок мають меншу енергію іонізації, ніж атоми основного н/п (ΔW=0,01 eB).

Напівпровідники з донорною домішкою

При наявності 5-валентної домішки чотири валентних електрони домішкового атома 1 (рис. 2.4) спільно з чотирма електронами сусідніх атомів н/п З утворюють ковалентні зв'язки, п'ятий валентний електрон атома домішки 2 стає зайвим. Енергія зв'язку його зі своїм атомом ΔWn набагато менша енергії ΔW, необхідної для звільнення валентного електрона н/п. Завдяки чому п'ятий електрон відривається від свого атома. При цьому утворюються такі носії заряду: електрон провідності і нерухомий позитивний заряд - іон домішки. Таким чином донорні домішки утворюють вільні електрони. 

Рис. 2.4. Ковалентні зв'язки в донорному напівпровіднику

Визначимо концентрацію електронів пn, та дірок рр у напівпровіднику з донорною домішкою.

Нехай концентрація донорної домішки буде Nд. Оскільки домішка має невелику енергію іонізації (ΔW=0,01 eB), то всі домішкові атоми іонізуються. Крім того, іонізується і частина атомів основної речовини (їх концентрацію позначимо).

Тоді загальна концентрація електронів провідності в н/п з донорною домішкою буде

.

, тому nnNд, тобто концентрація електронів н/п визначатися концентрацією домішки.

Оскільки   швидкість   рекомбінації   носіїв   заряду   в   н/п   пропорційна

концентрації  електронів   і  дірок   ,  то  при  динамічній  рівновазі

буде

.

Звідси можна знайти концентрацію дірок у донорному н/п:

,      .

Тобто вона значно менша, ніж у власного н/п, завдяки більшій ступені рекомбінації.

Тому в н/п з донорними домішками електронів буде більше і вони будуть основними носіями, а дірок менше, вони будуть неосновними. Такий н/п називається ще електронним н/п або п-типу (negative - негативний).

Введення донорних домішок призводить до появи на енергетичній діаграмі локальних рівнів (ЛР) поблизу зони провідності (рис. 2.5). 

Рис. 2.5. Енергетична діаграма н/п з донорною домішкою

ЛР свідчать про те, що, оскільки п'яті електрони донорної домішки слабо зв'язані з її атомами, то для їх відриву і переходу в зону провідності необхідна значно менша енергія, ніж для відриву електронів від чотиривалентних атомів основного напівпровідника.

Електрони атомів донорної домішки переходять у зону провідності, а самі атоми перетворюються в позитивні нерухомі іони.

Таким чином, у донорному н/п будуть існувати рухомі носії заряду (електрони та дірки) і нерухомі - позитивні іони донорних домішок.

Напівпровідники з акцепторною домішкою

При введенні 3-валентної домішки домішковий атом віддає три свої валентні електрони для утворення ковалентних зв'язків із трьома атомами н/п (рис 2.6). 

Рис. 2.6. Ковалентні зв'язки в акцепторному н/п

Зв'язок з четвертим атомом н/п буде незаповненим. Однак на нього легко будуть переходити валентні електрони з сусідніх зв'язків. При цьому домішковий атом із приєднаним зайвим електроном утворює в кристалічних ґратах нерухомий негативний заряд. У результаті в гратках виникає дірка, здатна переміщуватись у кристалічних ґратах. Такі домішки, які приєднують електрони (акцепторні), ще називаються дірковими.

Визначимо концентрації дірок рр та електронів пр такого н/п.

Оскільки концентрація електронів домішки Na значно більша, ніж концентрація атомів основного напівпровідника, то концентрація дірок буде 

,

де  - концентрація дірок, обумовлена іонізацією атомів основного (власного) н/п.

Оскільки , то , тобто концентрація дірок визначається концентрацією атомів донорної домішки.

Концентрація електронів знаходиться із співвідношення

і буде 

,

де np<<ni  (ni - концентрація електронів власного н/п).

Таким чином, концентрація електронів буде значно меншою, ніж у власному н/п завдяки більшому ступеню рекомбінації.

Тут електрони будуть неосновними носіями, а дірки - основними.

Н/п з акцепторною домішкою називають з дірковою електропровідністю або р-типу (positive - позитивний).

Атоми акцепторної домішки захоплюють вільні електрони основного н/п і утворюють діркову провідність, а самі стають негативними іонами.

Локальний рівень енергії акцепторів (ЛР) розміщений поблизу ВЗ і навіть при невеликих енергіях (∆W=0,01...0,03 еВ) електрони переходять на нього, утворюючи в н/п дірки (рис.2.7). 

Рис. 2.7. Енергетична діаграма н/п з акцепторною домішкою

Таким чином, у акцепторному н/п будуть існувати такі носії зарядів:

-    рухомі (електрони і дірки);

-    нерухомі (негативні іони акцепторів).

Висновок:  На  енергетичних  діаграмах  донорні   і   акцепторні  домішки утворюють локальні енергетичні рівні, які лежать у зоні заборони. Рівні донорів знаходяться біля дна ЗП з їх енергією іонізації  ΔWД, а рівні акцепторів - у стелі валентної зони з їх енергією іонізації ΔWС.

2.6. Струми в напівпровіднику

Як відомо, струм - це направлене переміщення носіїв заряду.

У власному н/п електрони і дірки знаходяться в стані хаотичного теплового руху, і струму немає. Він з'являється при дії зовнішньої напруги або наявності концентрації зарядів.

У н/п розрізняють дрейфовий і дифузійний струми.

Струм, який виникає при наявності зовнішнього електричного поля, називається дрейфовим, а при наявності області з різною концентрацією носіїв заряду - дифузійним.

Струм у н/п складається з двох складових: електронної In (рух електронів) і діркової Iр (рух дірок)

I = In + Ip.

2.6.1. Дрейфовий струм

Густина    електронної    складової    дрейфового    струму    визначається формулою

,

де  е - заряд електрона (е = 1,610 -19 Кл);

    п - концентрація електронів;

    μn - рухомість електронів;

    Е - напруженість електричного поля.

Для діркової складової:

,

де  p - концентрація дірок;

     μp - рухомість дірок.

Рухомість електронів μn характеризує здатність їх переміщуватись під дією електричного поля Е.

При русі електрони стикаються з атомами кристалічних ґрат і зупиняються або рекомбінують. З урахуванням цього їх рух визначається:

- середнім часом вільного пробігу (часом життя) n cep;

- середньою швидкістю υсер.

Середня швидкість залежить від рухомості електронів і напруженості електричного поля

,

де         або     ,

тn  - маса електрона.

Рухомість електронів μn залежить від температури Т, рівня електричного поля Е і концентрації домішок.

Із підвищенням температури Т рухомість електронів μn зменшується завдяки збільшенню теплових коливань.

При великих  полях рухомість електронів зменшується завдяки збільшенню ефективності взаємодії електронів з ґратами напівпровідника (рис. 2.8). 

Рис. 2.8. Залежність швидкості руху електронів від електричного поля Е

Рухомість електронів зменшується із зростанням концентрації домішок.

Рухомість дірок  визначається середньою швидкістю дірок  під дією електричного поля Е. Вона значно нижча рухомості електронів. Крім  того,   із зростанням температури вона знижується швидше, ніж рухомість електронів.

Загальна густина дрейфового струму буде

.

У той же час густина струму за законом Ома в диференційній формі дорівнює

,

де - ідеальна електропровідність н/п.

Звідси виходе що

.

Питома електропровідність  залежить від температури та концентрації домішок (рис. 2.9). 

Рис. 2.9. Залежність питомої електропровідності від температури та концентрації домішок

При температурах <100°С, коли ймовірність іонізації власних атомів мала, концентрація електронів і дірок визначається концентрацією домішки і слабо залежить від температури.

Із зростанням температури питома електрична провідність зменшується завдяки зменшенню рухомості носіїв.

При достатньо високій температурі збільшується іонізація власних атомів н/п, тому концентрація рухомих носіїв і провідність н/п різко зростають.

Висновок: Питома електрична провідність н/п залежить від концентрації електронів і дірок, їх рухомості, типу н/п та температури.

2.6.2. Дифузійний струм

Виникає між областями н/п з різною концентрацією електронів (дірок) завдяки тому, що вірогідність зіткнення електронів (дірок) один з одним більше там, де вище їх концентрація. Тому за законами фізики носії заряду будуть намагатися перейти з області більших зіткнень у область менших зіткнень, тобто переміщуватися з області більших концентрацій у область менших концентрацій. У результаті дифузії в н/п з'являється електричний струм. Це дифузійний струм. Він намагається вирівняти концентрацію.

Густина дифузійного струму пропорційна відношенню зміни концентрацій електронів (Δn) або дірок (Δp) до зміни відстані Δх, тобто градієнту (періоду) концентрації

,

.

Тоді густини дифузійних струмів будуть

                                                      ,                                                 (2.1)

                                                      ,                                                (2.2)

де Dn і Dp - коефіцієнти дифузії відповідно електронів і дірок.

Дифузійний струм електронів, як і струм дірок, рухається в бік зменшення концентрації, а також, як і струм дірок, повинен бути негативним. Однак у відповідності з прийнятим у техніці умовним напрямком електричного струму, дифузійний струм електронів вважається таким, що тече в бік збільшення концентрації електронів, тобто назустріч потоку електронів, тому й записується зі знаком „+" (1).

Загальна густина дифузійного струму в н/п буде

.

У загальному випадку в н/п може існувати й електричний струм, й градієнт концентрації носіїв. Тоді струм, що протікає в н/п, буде мати як дрейфову, так і дифузійну складові

,

,

,

а струм I = JS,

де S - площа перерізу н/п. 

9


H

 H

 H2

 4

 4

 4

 4

 4

 4

4

 4

 4

 4

- чотиривалентні атоми у вузлах ґраток

- їх електрони

Wд

Wс

ΔW

ЗЗ

ЗП

ВЗ

ЗП

Енергетичні зони спектр

 5

 4

 3

1

 2

ВЗ

ЗП

ЗЗ

ЛР

Wд

Wп

Wс

 4

 3

WС

Wp

WД

ЛР

ВЗ

ЗП

ЗЗ

0,01        1         10       100

107

105

106

υ см/с

Е кВ/см

102

10

1

10-1

10-2

-50                100                   200     

σ Смсм

T oC

1019

1018

1016

1015

104

ЗЗ

ВЗ


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

63871. Социальная солидарность в эпоху перемен 43 KB
  Социальная солидарность sociаl solidаrity интеграция и ее степень или тип проявляемые обществом либо группой. Французский философ и социолог Эмиль Дюркгейм выделил что социальная солидарность это то что скрепляет и сплачивает индивидов в единое целое.
63872. Проблема толерантности в общеобразовательных учреждениях начального общего образования 59.5 KB
  Проблема толерантности в общеобразовательных учреждениях начального общего образования Развитие толерантности является объективной потребностью современного общества. В педагогических теориях толерантность оценивается как: отсутствие или ослабление реагирования на какой либо неблагоприятный фактор...
63873. Тенденции института семьи в трансформационном аспекте: внебрачная рождаемость 18.73 KB
  Появляются новые тенденции такие как например снижение количества ранних браков; рост числа разводов; увеличение среднего возраста женщины вступления в брак; увеличение среднего возраста матери при рождении первого ребенка; а так же увеличение количества детей которые рождаются вне брака.
63874. Феномен социального отчуждения 43.5 KB
  Доминирующей формой социального отчуждения становится отчуждение техническое обусловленной ростом места техники в жизни современного человека. Отчуждение это процесс в котором от людей отделяются результаты их деятельности сама деятельность а также те силы которые эту деятельность...
63875. Жизненные ориентации горожан 18.56 KB
  Для каждой личности характерен свой уникальный способ жизни способ ее организации оценивания и осмысления. В процессе своей жизни личность выступает в качестве то субъекта общения то субъекта деятельности являясь при этом субъектом своей жизни объединяющим...
63876. Язык заголовка кинотекста 45.5 KB
  Главным инструментом исследователей языка является текст потому что непосредственно текст представляет собой сферу функционирования языковых единиц и в тексте слово получает свое основное значение и осмысление. Гальперин характеризует текст как произведение речетворческого процесса...
63877. Проблемы профилактики игровой компьютерной зависимости среди детей и подростков 17.22 KB
  За последние двадцать лет информационное пространство в нашей стране приобрело новый формат. С появлением такого типа игр резко возросло число подростков и молодых людей проводящих 10 и более часов за игрой в компьютер.
63878. Проблема межпоколенческой преемственности как основы социокультурного единства современного российского общества 43.5 KB
  Актуальность проблемы социокультурного единства российского общества обуславливается прежде всего кардинальными изменениями происходившими и протекающими ныне во всех сферах жизни россиян. Социальные и культурные ценности вместе с социумом претерпевают активную...
63879. К вопросу о возможности всемирной культуры в контексте работы И. Валлерстайна «Анализ мировых систем и ситуация в современном мире» 21.48 KB
  Иммануэль Валлерстайн в своей книге Анализ мировых систем и ситуация в современном мире затрагивает тему всемирной культуры и задается вопросом: возможна ли она При различном употреблении этого термина культура это то что некоторые люди чувствуют или делают в отличие от других которые чувствуют или делают...