9616

Теоретичні відомості до лабораторних робіт Т1 та Т2 Фізика твердого тіла

Лабораторная работа

Физика

Теоретичні відомості до лабораторних робіт Т1 та Т2 Фізика твердого тіла Напівпровідникові прилади можна розподілити на дві групи: прилади з точковими контактами та прилади з площинним контактами. Ми обмежимось розглядом площинних діодів та тр...

Украинкский

2013-03-14

225.5 KB

2 чел.

Теоретичні відомості 

до лабораторних робіт Т1 та Т2

Фізика твердого тіла

Напівпровідникові прилади можна розподілити на дві групи: прилади з точковими контактами та прилади з площинним контактами. Ми обмежимось розглядом площинних діодів та трансформаторів.

Основним елементом площинних приладів є так-званий p–n-перехід. Він являє собою тонкий шар на межі між двома областями одного і того ж кристалу, які відрізняються типом провідності домішок. Для виготовлення такого переходу беруть, наприклад, монокристал з дуже чистого германія з електронним механізмом провідності(що обумовлено мізерними залишками домішок). У вирізану з кристала тонку пластинку вставляють з одного боку кусочок індію. Під час цієї операції, яка здійснюється у вакуумі або в атмосфері інертного газу, атоми індію дифундують в германій на певну глибину. В тій області, в яку проникають атоми індію, провідність германію стає дірковою. На межі цієї області виникає p-n перехід.

На рис. 1 показаний розподіл концентрації домішок в напрямку, перпендикулярному до граничного шару. В p-області основними носіями струму є дірки, які утворилися в результаті захвату електронів атомами домішок (акцептори стають при цьому від’ємними іонами); окрім того, в даній області міститься ще й невелика кількість неосновних носіїв – електронів, які виникають внаслідок переміщення тепловим рухом електронів із валентної зони безпосередньо в зону провідності (цей процес дещо збільшує кількість дірок). В nобласті основні носії струму – електрони, які віддані донорами в зону провідності (донори при цьому перетворюються в позитивні іони); перехід електронів із валентної зони в зону провідності, яке відбувається за рахунок теплового руху, приводить до утворення певної кількості дірок – неосновних носіїв цієї області.

Дифундуючи у зустрічних напрямках через шар на межі, дірки та електрони рекомбінують один з одним. Тому p–n-перехід є дуже збідненим носіями току і набуває великого опору. Одночасно на межі між областями виникає подвійний електричний шар, утворений від’ємними  іонами акцепторної домішки, заряд яких тепер не компенсується дірками, і позитивними іонами донорської домішки, заряд яких тепер не компенсується електронами (рис. 2: кола – іони, чорні крапки – електрони, білі крапки – дірки). Електричне поле в цьому шарі направлено так, що протидіє подальшому переходу через шар основних носіїв. Рівновага досягається при такій висоті потенціального бар’єру, при якій рівні Фермі обох областей розміщуються на однаковій висоті (рис. 3). Вигинання енергетичних зон в областях переходу обумовлено тим, що потенціал p-області в стані рівноваги нижче, ніж потенціал n-області; відповідно, потенціальна енергія електрона в pобласті більша ніж в n-області. Нижня межа валентної зони дає хід потенціальній енергії електрона W в напрямку, перпендикулярному до переходу (див. неперервну криву на рис. 4,а). Оскільки заряд дірок протилежний заряду електронів, їх потенційна енергія W більше там, де менше W, і навпаки (див. пунктирну криву на рис. 4,а).

Рівновага між p- і n-областями є рухомою. Деякій кількості основних носіїв вдається подолати потенціальний бар’єр, внаслідок чого через перехід протікає невеликий струм іосн (рис.173,а). Цей струм компенсується обумовленим неосновними носіями зустрічного струму інеосн. Неосновних носіїв дуже мало, але вони легко проникають через границю областей, “скочуючись” з потенціального бар’єру. Величина інеосн бар’єру визначається кількістю неосновних носіїв, що народжуються щосекунди, і від висоти потенціального бар’єру майже не залежить. Величина іосн, навпаки, сильно залежить від висоти бар’єру. Рівновага встановлюється якраз при такій висоті потенціального бар’єру, при якій обидва струми іосн та інеосн компенсують один одного.

Подамо на кристал зовнішню напругу такого напрямку, щоб “+” був підключений до p-області, а “-” був підключений до n-області (така напруга називається прямою). Це призведе до зростання потенціалу (тобто, зростанню W та зменшенню W) p-області та зниженню потенціалу (тобто, зменшенню W та збільшенню W) n-області (рис. 4,б). Внаслідок чого, висота потенціального бар’єру зменшиться і струм іосн зросте. Струм же інеосн практично не зміниться (він, як відмічалось, від висоти бар’єра майже не залежить). Отже, результуючий струм стане відмінним від нуля. Зниження потенціального бар’єру пропорційне прикладеному струму (воно дорівнює eU). При зменшенні висоти бар’єра струм основних носіїв, а отже й результуючий струм, швидко зростає. Таким чином, в напрямку від p-області до n-області p-n-перехід пропускає струм, сила якого швидко наростає при збільшенні прикладеної напруги. Цей напрямок називається прямим (або пропускним, або прохідним).

Електричне поле, що виникає в кристалі при прямій напрузі, “притискує” основні носії до межі між областями, внаслідок чого ширина прохідного шару, збідненого носіями, зменшується. Відповідно, зменшується й опір переходу, при чому тим сильніше, чим більше напруга. Таким чином, вольт-амперна характеристика в пропускній області не є прямою (рис. 5).

Тепер подамо напругу га кристал такого напрямку, щоб “+” було підключено до n-області, а “-” було підключено до p-області (така напруга називається зворотною). Зворотня напруга приводить до підвищення потенціального бар’єру й відповідному зменшенню струму основних носіїв іосн (Рис 4,в). Результуючий струм, що виникає при цьому (що називають зворотнім) достатньо швидко досягає насичення (тобто, перестає залежати від U, рис. 5) та стає рівним інеосн. Таким чином, в напрямку від n-області до pобласті (який називається зворотнім або запираючим) pn-перехід пропускає слабкий струм, цілком обумовлений неосновними носіями. Лише при дуже великій зворотній напрузі сила струму починає різко зростати, що обумовлено електричним пробоєм переходу. Кожен pn-перехід характеризується своїм граничним значенням зворотної напруги, яке він здатен витримати без пошкодження .

Поле, що виникає в кристалі при поданні зворотної напруги, “відтягує” основні носії від межі між областями, що призводить до зростання ширини прохідного шару, збідненого носіями. Відповідно збільшується і опір переходу. Отже, pn-перехід має в зворотному напрямку значно більший опір, ніж в прямому.

З вище сказаного випливає, що pn-перехід може бути використаний для випрямлення змінного струму. На рис. 6 наведено графік струму, що протікає через  перехід, в тому випадку, якщо приведена напруга змінюється за гармонічним законом. В цьому випадку ширина шару, збідненого носіями, й опір переходу пульсують, змінюючись в такт зі зміною напруги.

Германієві випрямлячі можуть витримувати зворотню напругу до 1000 В. При напрузі в 1 В щільність струму в прямому напрямку сягає 100 А/см2, в зворотному – не більше кількох мікроампер. Ще більш високу зворотню напругу допускають кремнієві випрямлячі. Вони також витримують більш високу робочу температуру (до 180 С замість приблизно 100 С для германія). Значно гірші параметри мають широко розповсюджені селенові випрямлячі. Допустима зворотня напруга складає для них не більше 50 В, найбільша щільність прямого струму до 50 мА/см2. З’єднуючи послідовно N випрямляючих елементів (селенових шайб), можна отримати випрямляч, що витримує Nкратну зворотню напругу.

Напівпровідниковий тріод, або транзистор, являє з собою кристал з двома pnпереходами. В залежності від порядку, в якому чергуються області з різними типами провідності, розрізняють: pnp та npn-транзистори. Середня частина транзистора (в залежності від типу транзистора має  n або p провідність) називається його базою. Прилягаючі до бази з обох боків області з іншим, ніж у неї, типом провідності утворюють емітер і колектор.

Розглянемо коротко принцип роботи транзистора типу pnp (рис. 7). Для його виготовлення беруть пластинку з дуже чистого германію з електронною провідністю і з обох боків вплавляють в неї індій. Концентрація носіїв в емітері і колекторі, тобто в дірковій області, має бути більша, ніж концентрація в межах бази, тобто в електронній області. На рис. 8,а наведені криві потенціальної енергії – електронів (неперервна лінія) і дірок (пунктирна лінія).

На перехід емітер – база подається напруга в прохідному напрямку (рис. 7), а на перехід база – колектор подається більша напруга в запираючому напрямку. Це призводить до зниження потенціального бар’єру на першому переході і підвищення бар’єру на другому (рис. 8,б). Протікання струму в колі емітера супроводжується проникненням дірок до області бази (зустрічний потік електронів дуже малий внаслідок того, що їх концентрація незначна). Проникнувши до бази, дірки дифундують в напрямку до колектора. Якщо товщина бази невелика, майже всі дірки, не встигнувши рекомбінувати, будуть досягати колектора. В ньому вони підхоплюються полем і збільшують струм, що протікає в запираючому напрямку в колі колектора.

Будь-яка зміна струму в колі емітера призводить до зміни кількості дірок, що проникають в колектор, та, відповідно до майже такої ж зміни струму в колі колектора. Вочевидь, що зміна струму в колі колектора не перевищує зміни струму в колі емітера, так що, здавалось би, описаний пристрій під’єднання зі спільною базою не має жодної користі. Однак необхідно врахувати, що перехід має в запираючому напрямку значно більший опір, ніж в прохідному. Тому при однакових змінах струмів зміна напруги в колі колектора буде в багато разів більшою, ніж в колі емітера. Історично обумовлено, що схема під’єднання зі  спільною базою з’явилась раніше, ніж інші більш популярні в теперішній час схеми зі спільним емітером або спільним колектором. Схема зі спільною базою використовується на підвищених частотах, де вона має переваги над іншими схемами. Якщо розглянути струм, що тече в колі бази, можна побачити, що цей струм на кілька порядків менший за струм кола колектора, або емітера. Використовуючи струм бази як керуючий струм отримаємо підсилення струму у схемах зі спільним емітером або спільним колектором. Отже, транзистор може підсилювати струм, напругу та потужності. Підвищена потужність, що знімається з приладу з’являється за рахунок джерела струму, яке включено до кола колектора.

Германієві транзистори дають підсилення (по струму, напрузі та по потужності), що сягає 10 000.