загрузка...
загрузка...
На головну

Власна і домішкова провідність (електронна і діркова провідність) вольтамперная характеристика n - p переходу

Дивіться також:
  1. Cудебнік 1550 г. Загальна характеристика, система і джерела
  2. I. Клімат. Коротка характеристика.
  3. I. Загальна характеристика античного мистецтва.
  4. I. Товарознавча характеристика овочевої продукції
  5. II. Коротка характеристика хімічної зброї та вогнища хімічного ураження.
  6. II. «Короткий зображення процесів і судових тяжеб» (1715 г.) - загальна характеристика правового документа. Місце і значення документа в розвитку російської держави і права.
  7. IV. ХАРАКТЕРИСТИКА ПРОФЕСІЙНОЇ ДІЯЛЬНОСТІ ВИПУСКНИКІВ
  8. Австралія. Загальна фізико-географічна характеристика.
  9. Агрохімічна характеристика грунтів господарства
  10. Акредитації та її характеристика
  11. Антична філософія: Загальна характеристика: основні періоди, проблеми

Тема 5.1 Електрофізичні властивості напівпровідників

Залежно від величини питомої електричного опору р всі матеріали можна розділити на провідники електричного струму (р = 10-6... 10-4 Ом см), напівпровідники (р = 10-3... 10-10 Ом см) і діелектрики (р = 1011... 1015 Ом см). Напівпровідникові матеріали, серед яких найбільш широко застосовують германій, кремній і арсенід галію, мають тверду кристалічну структуру з гратами типу алмазу або графіту. До напівпровідників відносять також селен, телур, деякі сульфіди, оксиди і карбіди.

На відміну від провідників у напівпровідників і діелектриків питомий опір при нагріванні зменшується; опір напівпровідників при температурі поблизу абсолютного нуля наближається до опору діелектриків, в той час як опір провідників при цих же умовах стає дуже малим (явище надпровідності). Додавання домішки в напівпровідник призводить на відміну від провідників до зменшення його питомої опору. Вплив зовнішнього електричного поля, опромінення світлом або іонізованими частинками також значно змінює питомий опір напівпровідників, що не типово для провідників.

В основі принципу дії напівпровідникових приладів лежать електричні властивості електронно-діркового, або р-п-переходу, утвореного на кордоні двох областей напів- провідника різного типу провідності.

Розглянемо деякий обсяг монокристаллической ідеальної (без порушення структури) решітки кремнію, яка замінена елементарної геометричною фігурою і представлена на рис. 7.1, а у вигляді площинний решітки.

У процесі формування кристалічної решітки атоми кремнію, розташовані в вузлах решітки, пов'язані між собою за допомогою чотирьох валентних електронів. подвійні лінії між вузлами решітки умовно зображують парно-валентну або ковалентний зв'язок між кожною парою електронів, одночасно належать двом атомам. При цьому енергія, якою володіє електрон в зв'язаному стані, строго визначена.

Сукупність енергетичних рівнів валентних електронів ідеальної монокристаллической структури утворює на енергетичній діаграмі (рис. 7.1, 6) валентну зону. При температурі абсолютного нуля всі валентні електрони в ідеальному кристалі беруть участь в міжатомних зв'язках і заповнюють всі енергетичні рівні у валентній зоні, а зона провідності залишається вільною.

Між валентною зоною і зоною провідності знаходиться заборонена зона шириною

ДЕ = Ес - Е?, де Ес - енергія електрона нижньої межі зони провідності; Е? - енергія електрона верхньої межі валентної зони. Для кремнію ДЕ = 1,12 еВ. для перекладу електрона з валентної зони в зону провідності йому необхідно повідомити додаткову енергію, що перевищує енергію забороненої зони.

Наприклад, при температурі вище абсолютного нуля частина електронів розриває ковалентні зв'язки і переходить в зону провідності, звільняючи енергетичні рівні у валентній зоні. Вакантний енергетичний рівень в валентної зоні називають діркою провідності і приписують їй позитивний заряд, рівний по величині заряду електрона.

Процес утворення пари «електрон провідності-дірка провідності» називають генерацією пари носіїв

(Див. Рис. 7.1, 6).

Електрони в зоні провідності і дірки у валентній зоні під дією теплової енергії здійснюють хаотичний тепловий рух протягом деякого часу, званого часом життя носіїв зарядів. Після закінчення цього часу відбувається процес захоплення електронів валентної зони дірками зони провідності, званий рекомбинацией.

При наявності джерела зовнішнього напруги, прикладеного до кристалічній структурі, рух електронів і дірок в ній набуває деяку спрямованість, т. Е. Кристал може проводити електричний струм. Провідність кристала тим вище, чим інтенсивніше протікає процес генерації пар «електрон-дірка», і визначається рухом носіїв заряду обох видів. Бездомішкові напівпровідники називають напівпровідниками з власною провідністю. Власна провідність їх невелика і не може бути використана для створення напівпровідникових приладів.

Електронна (п-типу) і діркова (р-типу) провідності обумовлені рухом в напівпровіднику тільки електронів. При електронної провідності знаходяться на енергетичних рівнях зони провідності електрони рухаються в напрямку, протилежному напрямку електричного поля. Введення поряд з негативним електроном фіктивного позитивного заряду «дірка» з відмінностями в них рухливості. Рухливість електрона набагато більше рухливості дірки, яка, як і позитивний електричний заряд, рухається у напрямку електричного поля.

На практиці набули поширення домішкові напівпровідники, які отримують шляхом додавання в кристал напівпровідника атомів елементів III або У групи таблиці Менделєєва. Провідність домішкових напівпровідників набагато вище, ніж власна провідність.

Дві суміжні області монокристалічного напівпровідника, одна з яких має електронну, а інша - дірковий провідність, утворюють електронно-доручених або р-п-перехід. Він є основою більшості напівпровідникових приладів. Переходи р-п-типу бувають точечньтмі і плоскостньтмі. Точкові р-п-переходи застосовують лише в малопотужних високочастотних діодів і приладах надвисокочастотного діапазону. Площинні р-п-переходи є основою сучасних діодів, транзисторів і тиристорів.

Розглянемо процеси в площинному р-п-переході, вважаючи, що на кордоні розділу шарів р- і п-типів відсутні спотворення кристалічної структури, включення інших хімічних елементів і зовнішнє електричне поле.

Концентрації неосновних носіїв - дірок в п-області і електронів в р-області - набагато менше концентрації основних носіїв. Внаслідок цього на кордоні розділу областей різного типу провідності виникає перепад (градієнт) концентрації дірок і електронів, що викликає диффузионное переміщення електронів з п-області в р-область і дірок в протилежному напрямку (рис. 7.4, а).

Через дифузії в Пріконтактние шарі п-області концентрація електронів стає менше рівноважної, а концентрація дірок - більше рівноважної. Тому в Пріконтактние шарі п-області виникає позитивний об'ємний заряд. Аналогічно в Пріконтактние шарі р-області виникає негативний об'ємний заряд.

Область напівпровідника, що охоплює Пріконтактние шари, збіднені основними носіями заряду, називають областю об'ємного заряду р-п-переходу. Освіта на р-п-переході просторово розділених позитивного і негативного зарядів призводить до виникнення електричного поля, вектор напруженості Е0 якого спрямований від позитивного заряду до негативного (рис. 7.4, а) і перешкоджає подальшій дифузії зарядів. У ранновесном стані, коли зовнішній вплив на р-п-перехід відсутній, електронний і дірковий струми через перехід дорівнюють нулю. Розподіл електричного поля визначає потенціал на р-п-переході, який зазвичай називають контактною різницею потенціалів р-п-переходу, або потенційним бар'єром переходу висотою щ (рис. 7.4, 6).

Область об'ємного заряду р-п-переходу в рівноважному стані збіднена основними носіями. Опір цій галузі (замикаючого шару) набагато більше опорів електронейтральних шарів р- і п-областей напівпровідника. Тому якщо прикласти зовнішнє напруга до напівпровідника з р-п-переходом, можна вважати, що воно практично все буде докладено до області об'ємного заряду переходу.

Для включення р-п-переходу в зовнішній ланцюг його постачають двома зовнішніми висновками. При підключенні джерела позитивним полюсом до п-області, а негативним - до р-області напівпровідника виходить негативний зсув переходу. Прикладена до переходу напруга (I в цьому випадку називають зворотною напругою (рис. 7.4, в).

Полярності зворотної напруги UR і контактної різниці потенціалів ? збігаються. Тому потенційний бар'єр зростає і стає рівним ? = ?к + UR (Рис. 7.4, г). Результуюче електричне поле Е в переході буде більше поля Ео, яке існувало на переході в рівноважному стані і збігається з ним у напрямку. Замикаючий шар збільшується. При цьому швидко зменшується до нуля дифузний струм основних носіїв зарядів (електронів з п-області і дірок з р-області).

Однак неосновні носії зарядів - дірки з п-області, що потрапляють завдяки тепловому руху в область об'ємного заряду переходу, переносяться електричним полем переходу в р-область. Аналогічно електрони з р-області, що потрапляють в область об'ємного заряду переходу, переносяться в п-область. Ці не основні носії і обумовлюють протікання через перехід зворотного струму IR. Оскільки концентрація неосновних носіїв в р- і п-областях незначна, зворотний струм через перехід при його негативному зміщенні дуже малий. Уже при негативних зсувах UR = 0,05 ... 0,075 В зворотний струм досягає значення струму насичення.

подальше збільшення зворотної напруги практично не впливає на зворотний струм, обумовлений лише рухом неосновних носіїв заряду. Однак при значних зворотних напругах відбувається пробій р-п-переходу і струм, що протікає через нього, різко зростає. Це обумовлено тим, що переносяться через перехід під дією електричного поля неосновні носії заряду набувають енергії, достатньої для ударної іонізації атомів напівпровідника. У структурі починається лавиноподібне розмноження носіїв заряду, що призводить до різкого збільшення зворотного струму через перехід при практично незмінному зворотній напрузі, званому напругою пробою. Такий пробій називають лавинним.

Розрізняють теплової та електричний пробій. При електричному пробої вентильні властивості р-п-переходу повністю відновлюються при зменшенні прикладеного до нього напруги.

У той же час під впливом великого зворотного напруги перехід, який має малу теплоємність, сильно нагрівається. В результаті цього посилюється процес генерації електронно-діркових пар, що приводить до подальшого збільшення струму і температури переходу і, як наслідок, до необоротного руйнування р-п-переходу. Такий пробій називають тепловим.

При позитивному зміщенні переходу зовнішнє джерело підключають позитивним полюсом до р-області, а негативним - до п-області напівпровідника (рис. 7.4, д). Прикладена напруга UF в такому випадку називають прямим напругою, а його полярність протилежна полярності контактної різниці потенціалів р (рис. 7.4, е). Потенційний бар'єр зменшується і стає рівним ? = ?к - UF . Результуюче електричне поле Е в області об'ємного заряду стає менше поля Ео, що утворився в області переходу в рівноважному стані. дифузійні струми електронів і дірок через перехід зростають через зменшення практично до нуля потенційного бар'єру на переході. Через перехід починає протікати прямий струм.

При позитивному зміщенні напівпровідника електрони з п-області під дією дифузії безперервно надходять в р-область, де вони є неосновними носіями. дірки з р-області таюке безперервно надходять в п-область. Процес внесення неосновних носіїв заряду в ту чи іншу область напівпровідника називають ІНЖЕК цією. Залежність струму через електронно-дірковий перехід від прикладеної до нього напруги називають вольт-амперної характеристикою (ВАХ) переходу, графік якої представлений на рис. 7.5.

З графіка випливає, що при позитивному зсуві, коли струм через перехід експоненціально зростає із зростанням напруги, перехід має високу провідність. При негативному зміщенні, коли зворотний струм швидко досягає значення струму насичення, перехід володіє дуже низькою провідністю. При напрузі зовнішнього джерела, що дорівнює нулю, струм, що протікає через перехід, також дорівнює нулю. Внаслідок різко вираженою нелінійності ВАХ р-п-переходи широко використовують в якості ключових елементів в вентилях різного типу, т. Е. В напівпровідникових приладах, що мають практично два стану - проводить (вентиль відкритий) і непроводящее (вентиль закритий).

література:

1. Жаворонков М. А., Кузін А. В. Електротехніка та електроніка. Москва,

Асад! А, 2005.

2. Касаткін А. С., Нємцов М. В. Електротехніка. Москва, Вища школа, 2003

3. Петленко Б. І. Електротехніка та електроніка. Москва,

Асад! А, 2004.

4. Шихінов А. Я. Електротехніка. Москва, Вища школа, 2001.

5. Берікашвілі В. Ш., Черепанов А. К. Електронна техніка. Москва,

Асад! А, 2005.

6. Трофімова Т. І., Курс фізики. Москва, Вища школа, 2003

ЕЛЕКТРОННІ ПРИЛАДИ І ПРИСТРОЇ «-- попередня | наступна --» стабілітрони
загрузка...
© om.net.ua