Помощничек
Главная | Обратная связь


Археология
Архитектура
Астрономия
Аудит
Биология
Ботаника
Бухгалтерский учёт
Войное дело
Генетика
География
Геология
Дизайн
Искусство
История
Кино
Кулинария
Культура
Литература
Математика
Медицина
Металлургия
Мифология
Музыка
Психология
Религия
Спорт
Строительство
Техника
Транспорт
Туризм
Усадьба
Физика
Фотография
Химия
Экология
Электричество
Электроника
Энергетика

Образование электронно-дырочного перехода



В полупроводниках различают два вида токов.

1. Ток проводимости. Ток проводимости возникает в полу­проводниках за счет перемещения электрических зарядов под действием электрического поля.

2. Ток диффузии. Током диффузии называется перемеще­ние электрических зарядов за счет разности концентраций этих зарядов.

Электронно-дырочным переходом называют контакт между полупроводниками, обладающими соответственно электронной и дырочной проводимостью. Такой переход сокращенно называют р—n -переходом. Рассмотрим явления на переходе.

До соединения оба полупроводника были электрически нейтральны. После соединения, за счет разности концентраций, возникает диффузия электронов в р-область, где они рекомбинируют с основными носителями, и дырок в n-область. В результате этого р-область зарядится отрицательно, а n-область положительно и между ними возникнет электрическое поле . Участок соприкосновения будет обеднен свободными носителями. Этот участок получил название запорного слоя. Возникшее электрическое поле прекратит дальнейшую диффузию зарядов, и на переходе возникнет равновесие.

Установившееся равновесие—динамиче­ское. За счет температуры в запорном слое все время генери­руются пары, которые под действием электрического поля со­здают ток проводимости, направленный от п к р- области. Ток проводимости уменьшает величину электрического поля (по­тенциальный барьер), что приводит к поддержанию тока диффузии, направленного от р к n-области. Таким образом, через р—n- переход все время проходят два тока — ток диффу­зии и ток проводимости, равные по величине и обратные по направлению. Величина тока проводимости определяется тем­пературой и изменяется по закону экспоненты. Для практиче­ских расчетов можно считать, что ток проводимости увеличи­вается в два раза при изменении температуры на 10°.

Прямым р-n переходом называется переход, подключен­ный к источнику напряжения. Причем р - область подключена к плюсу, а n-область к минусу источника. В результате такого подключения внешнее поле источника накладывается на внутреннее поле перехода и потенциальный барьер уменьшается. Так как ток проводимости зависит только от темпе­ратуры, то он остается постоянным. Ток диффузии увеличива­ется, и результирующий ток через переход равен их разности и имеет направление тока диффузии. Увеличение тока диффузии происходит потому, что через переход могут диффундировать только те дырки, энергия ко­торых больше величины потенциального барьера. Распределе­ние дырок по энергетическим уровням описывается распреде­лением Максвелла, а следовательно, при уменьшении вели­чины потенциального барьера ток диффузии увеличивается по экспоненте.

Обратным переходом называется переход, образованный при подключении р-области к минусу источника, а n-области к его плюсу. В этом случае потенциальный барьер увеличивается.

При отсутствии внешнего электрического поля дырки переме­щаются хаотически. Если же приложить к кристаллу разность по­тенциалов, то под действием созданного электрического поля движение дырок и электронов становится упорядоченным и в кри­сталле возникает электрический ток. Таким образом, проводи­мость полупроводника обусловлена перемещением как отрица­тельно заряженных электронов, так и положительно заряженных дырок. Соответственно различают два типа проводимости — элек­тронную, или проводимость n-типа, и дырочную, или проводи­мость р-типа.

Для создания полупроводниковых элементов широко приме­няют примесные полупроводники. С четырехвалентным германием и кремнием используют пятивалентные примеси (мышьяк, сурьму, фосфор) и трехвалентные примеси (бор, алюминий, индий, гал­лий).

В случае пятивалентной примеси четыре валентных электрона примесного атома совместно с четырьмя электронами соседних атомов основного вещества образуют ковалентные свя­зи, а пятый валентный электрон оказывается «лишним». В резуль­тате даже при комнатной температуре «лишние» электроны легко освобождаются от своих атомов, переходя в зону проводимости. В таких полупроводниках электропроводность обеспечивается глав­ным образом избытком свободных электронов. Их называют полу­проводниками n-типа, а примеси — донорными.

За счет тепловой энергии в полупроводнике n-типа могут об­разоваться и отдельные дырки при генерации пар «свободный электрон — дырка». Поэтому электроны в полупроводнике n-ти-па называют основными, а дырки — неосновными носителями зарядов.

При введении трехвалентной примеси в одной из ковалентных связей примесного атома и атома основного полу­проводника отсутствует электрон, т.е. образуется дырка. Разре­шенные энергетические уровни валентных зон примеси и основного полупроводника находятся рядом. Электрон валентной зоныатома основного полупроводника легко захватывается трехвалентным атомом примеси, в результате чего дырка образуется уже в атоме основного полупроводника и перемещается, таким об­разом, по кристаллической решетке. Дырки в таких полупровод­никах становятся основными носителями зарядов, создавая эффект перемещения положительных зарядов. Трехвалентные примеси называют акцепторными, а полупроводники с такой при­месью — полупроводниками р-типа. Неосновными носителями в этом случае выступает небольшое количество свободных электро­нов, образовавшихся в результате тепловой генерации пар «сво­бодный электрон — дырка».

Тонкий слой полупроводника между двумя областями, одна из которых представляет полупроводник p-типа, а другая n-типа, на­зывают p-n-переходом. Концентрации основных носителей заряда в р- и n-областях могут быть равны или существенно различаться. В первом случае p-n-переход называют симметричным, во втором — несимметричным. Чаще используют несимметричные переходы.

Пусть концентрация акцепторной примеси в p-области боль­ше, чем концентрация донорной примеси в n-области.Соответственно и концентрация дырок в р-области будет больше, чем концентрация электронов в n-области.

За счет диффузии дырки из p-области и электроны из «-облас­ти стремятся равномерно распределиться по всему объему. Если бы электроны и дырки были нейтральными, то диффузия в конеч­ном итоге привела бы к полному выравниванию их концентраций по всему объему кристалла. Однако этого не происходит. Дырки, переходя из р-области в n-область, рекомбинируют с частью элек­тронов, принадлежащих атомам донорной примеси. В результате оставшиеся без электронов положительно заряженные ионы до­норной примеси образуют приграничный слой с положительным зарядом. В то же время уход этих дырок из р-области приводит к тому, что атомы акцепторной примеси, захватившие соседний электрон, образуют нескомпенсированный отрицательный заряд ионов в приграничной области.

Аналогично происходит диффузионное перемещение электронов, приво­дящее к тому же эффекту. В результате на границе, разделяющей n-область и p-область, образуется узкий, в доли микрона, пригра­ничный слой, одна сторона которого заряжена отрицательно (p-область), а другая — положительно (n-область).

Разность потенциалов, образованную приграничными заряда­ми, называют контактной разностью потенциаловили потенциальным барьером, преодолеть который носители не в состоянии. Дырки, подошедшие к границе со стороны n-области, отталкиваются назад положительным зарядом, а электроны, подо­шедшие из р-области, — отрицательным зарядом. Таким обра­зом, образуется p-n-переход, представляющий собой слой полупроводника с пониженным содержанием носителей — так называемый обедненный слой, который имеет относительно вы­сокое электрическое сопротивление.

Свойства p-n-структуры изменяются, если к ней приложить внешнее напряжение. Если внешнее напряжение противополож­но по знаку контактной разности потенциалов, по­тенциальный барьер сужается, через него начинает течь ток. С увеличением внешнего напряжения ток возрастает неогра­ниченно, так как создается основными носителями, концентра­ция которых постоянно восполняется источником внешнего напряжения.

Полярность внешнего напряжения, приводящая к снижению потенциального барьера, называется прямой, открывающей, а созданный ею ток — прямым, При подаче такого напряжения p-n-переход открыт.

Если к p-n-структуре приложить напряжение обратной полярности, эффект будет противоположным. Под действи­ем электрического поля источника дырки p-области смещаются к отрицательному потенциалу внешнего напряжения, а электроны n-области — к положительному потенциалу. Таким образом, ос­новные носители зарядов отодвигаются внешним полем от грани­цы, увеличивая ширину p-n-перехода, который оказывается почти свободным от носителей заряда. Электрическое сопротивление p-n-перехода при этом возрастает. Такая полярность внешнего на­пряжения называется обратной, запирающей. При подаче такого напряжения p-n-переход закрыт.

Тем не менее при обратном напряжении наблюдается протека­ние небольшого тока Iобр. Этот ток в отличие от прямого определяет­ся носителями не примесной, а собственной проводимости, образующейся в результате генерации пар «свободный электрон — дырка» под воздействием температуры. Значение обратного тока практически не зави­сит от внешнего напряжения. Это объясняется тем, что в единицу времени количество генерируемых пар «электрон — дырка» при неизменной температуре остается постоянным, и даже при Uобр в доли вольт все носители участвуют в создании обратного тока.

При подаче обратного напряжения p-n-переход уподобляется конденсатору, пластинами которого являются p- и n-области, раз­деленные диэлектриком. Роль диэлектрика выполняет пригра­ничная область, почти свободная от носителей заряда. Эту емкость р-n-перехода называют барьерной. Она тем больше, чем меньше ширина p-n-перехода и чем больше его площадь.

 

 




Поиск по сайту:

©2015-2020 studopedya.ru Все права принадлежат авторам размещенных материалов.