Какие носители заряда являются основными в полупроводниках n типа?

8 ответов на вопрос “Какие носители заряда являются основными в полупроводниках n типа?”

  1. banditochka Ответить



    Если некоторый полупроводник одновременно легирован донорами и акцепторами, то можно получить материал любого типа в зависимости от того, какая из добавок имеет большую концентрацию.
    Расчёт параметров n и p для примесного полупроводника нужно производить с учетом условия электронейтральности, связывающего концентрации носителей заряда и концентрации примесных атомов.

    где n и p – концентрация электронов и дырок, N+д – концентрация ионизированных доноров, N-a – концентрация ионизированных акцепторов.
    Справедливость этого условия вытекает из следующих положений:
    Полупроводник, на который не действует внешнее электрическое поле, является электрически нейтральным.
    Введение донорных примесей с концентрацией и акцепторных – с концентрацией обуславливает появление добавочных электронов и дырок.
    Все донорные и акцепторные примеси ионизированы.
    Часто в практически важных случаях, когда T=Tкомн=3000K и все доноры ионизированы, а точнее когда выполняется условие

    (где gд=2 – фактор вырождения примесного уровня, что справедливо при низких температурах)
    можно считать, что

    Тогда




    C учётом этого концентрация ионизированных доноров:

    (*)
    Логарифмируем (*) и получаем выражение для положения уровня Ферми в примесном полупроводнике n-типа:

    Концентрация ионизированных акцепторов:


    Если при определённых условиях, скажем при низких температурах, некоторые атомы донорной примеси оказываются неионизированными, то концентрация ионизированных атомов этой примеси:

    NД+ является мерой числа ушедших с донорских уровней, значит:

    P(ЭД) – вероятность нахождения e– на уровне ЭД,
    {1-P(ЭД)} – вероятность того, что е– не находится на уровне ЭД,
    NД – общая концентрация атомов донорной примеси
    NДn – концентрация нейтральных атомов этой примеси
    Найдем NДn в соответствии с распределением Ферми-Дирака:

    Отсюда:

    где Pn(ЭД) – вероятность того, что е- находится на уровне ЭД,
    gД – фактор вырождения примесного уровня,
    множитель учитывает то, что на примесном уровне содержится лишь один электрон.
    Аналогично

    Отсюда

    множитель учитывает наличие двух ориентаций спина и существования двух вырожденных валентных зон (как это в кремнии)
    Отметим, что энергетический уровень будет вырожденным, если одному и тому же значению энергии соответствуют различные состояния электрона (например, отличия в магнитных спинах).
    Если полупроводник легирован донорной примесью с концентрацией Nд (см-3)

    n – концентрация e– в зоне проводимости
    p – концентрация e+ в валентной зоне
    Nд+ – концентрация ионизированных доноров

    g – фактор вырождения донорного примесного уровня. g=2, т.к. электрон на этом уровне может иметь одно из двух значений спина.
    концентрация ионизированных акцепторов

    gA – фактор вырождения акцепторного состояния.
    B Ge, Si и GaAs gA=2 из-за двухкратного вырождения валентной зоны при волновом векторе k=0.
    Таким образом







    В интервале 150 ? T ? 3000K можно считать

    a – температурный коэффициент изменения величины DЭ, [эВ/0К];
    тогда

    (*)
    Ao – некоторая постоянная


    Правая часть этого (*) уравнения зависит от T и DЭ и не зависит от концентрации носителей. Поэтому левая часть должна оставаться постоянной независимо от того является полупроводник чистым или в нём присутствуют примеси.




    A¹A0, но A – это const.

  2. Vishakar Ответить

    В полупроводниках носителями заряда являются электроны и дырки. Отношение их концентраций определяет тип проводимости полупроводника. Те носители, концентрация которых выше, называют основными носителями заряда, а носители другого типа — неосновными.
    Если концентрация электронов значительно превосходит концентрацию дырок, то такой полупроводник называют полупроводником n-типа проводимости. В этом случае основными носителями заряда являются электроны, а неосновными носителями — дырки.
    Соответственно, если концентрация дырок выше, чем электронов, то полупроводник называют полупроводником p-типа. В нем основными носителями являются дырки, а неосновными носителями — электроны.
    Вопрос
    Донорные примеси – атомы химических элементов, внедренные в кристаллическую решетку полупроводника и создающие дополнительную концентрацию электронов.Донорными примесями являются химические элементы, внедренные в полупроводник с меньшей, чем у примеси, валентностью.
    Акцепторные примеси – атомы химических элементов, внедренные в кристаллическую решетку полупроводника и создающие дополнительную концентрацию дырок.Акцепторными примесями являются химические элементы, внедренные в полупроводник с большей, чем у примеси, валентностью.
    Влияние примесей на носители заряда:
    Вывод: донорные примеси отдают лишние валентные электроны, образуя полупроводник н- типа, а акцепторные примеси создают дырки, образуя полупроводник р-типа.
    Вопрос
    Полупроводниковый диод — полупроводниковый прибор с одним электрическим переходом и двумя выводами (электродами). В отличие от других типов диодов, принцип действия полупроводникового диода основывается на явлении p-n-перехода.
    p-n-Перехо?д (n — negative — отрицательный, электронный, p — positive — положительный, дырочный), или электронно-дырочный переход — область пространства на стыке двухполупроводниковp- и n-типа, в которой происходит переход от одного типа проводимости к другому. p-n-Переход является основой для полупроводниковых диодов, триодов и других электронных элементов с нелинейной вольт-амперной характеристикой.

    Вопрос
    Выпрямитель (электрического тока) — преобразователь электрической энергии; механическое, электровакуумное, полупроводниковое или другое устройство, предназначенное для преобразования переменного входного электрического тока в постоянный выходной электрический ток.
    Выходные параметры выпрямителя:
    номинальное среднее выпрямленное напряжение U0;
    номинальный средний выпрямленный ток I0;
    коэффициент пульсаций выпрямленного напряжения Kп01;
    частота пульсаций выпрямленного напряжения Fп;
    внутреннее сопротивление выпрямителя R0;
    Коэффициентом пульсации Kп01 называется отношение амплитуды первой гармоники выпрямленного напряжения U01 к среднему значению выпрямленного напряжения U0.
    Простейшим выпрямителем является схема однофазного однополупериодного выпрямителя. Графики, поясняющие его работу при синусоидальном входном напряжении Uвх=Uвх maxsin(?t)
    Вопрос
    Очевидно, что параметры выпрямителя можно улучшить, если обеспечить протекание тока нагрузки в оба полупериода действия входного напряжения. Этого можно добиться, используя две схемы однополупериодного выпрямления, работающие синхронно и противофазно на единую нагрузку. Такое включение, однако, потребует наличия двух источников первичного напряжения, имеющих общую точку: Uвх1=Uвх maxsin(?t), Uвх2=Uвх maxsin(?t+?). Описанная схема называется однофазной двухполупериодной схемой выпрямления со средней точкой
    Существенным недостатком схемы двухполупериодного выпрямления со средней точкой является потребность в двух источниках входного напряжения. Такая потребность обусловлена тем, что один из выводов сопротивления нагрузки периодически переключается между двумя источниками напряжения, а другой вывод постоянно подключен к средней точке этих источников.

    Вопрос
    необходимость в средней точке отпадет, если и второй вывод нагрузки при помощи второй аналогичной диодной схемы будет синхронно и противофазно подключаться к неиспользуемым на соответствующем интервале времени выводам источников питания. Схемотехническая реализация такого метода представлена на рис. 3.4?9. Эта схема носит название однофазного мостового выпрямителя и является, вероятно, самой распространенной из всех схем выпрямления, предназначенных для работы с однофазными источниками переменных напряжений.
    Вопрос
    Сглаживающий фильтр — устройство для сглаживания пульсаций после выпрямления переменного тока диодным мостом. Простейшим сглаживающим фильтром являетсяэлектролитический конденсатор большой ёмкости, установленный на схеме параллельно нагрузке, соблюдая полярность конденсатора. Нередко устанавливается параллельно электролитическому конденсатору плёночный (или керамический) для переменного тока ёмкостью 0,01 микрофарады, для устранения помех сети 220.
    Сглаживающие фильтры питания предназначены для уменьшения пульсаций выпрямленного напряжения. Принцип работы простой – во время действия полуволны напряжения происходит заряд реактивных элементов (конденсатора, дросселя) от источника – диодного выпрямителя, и их разряд на нагрузку во время отсутствия, либо малого по амплитуде напряжения.
    ⇐ Предыдущая123456Следующая ⇒
    Рекомендуемые страницы:
    ©2015-2019 poisk-ru.ru
    Все права принадлежать их авторам. Данный сайт не претендует на авторства, а предоставляет бесплатное использование.
    Дата создания страницы: 2017-04-20
    Нарушение авторских прав и Нарушение персональных данных
    ?

    Обратная связь
    ТОП 5 активных страниц!
    Деталирование сборочного чертежа
    Когда производственнику особенно важно наличие гибких производственных мощностей?
    Собственные движения и пространственные скорости звезд
    Тема 11. Банковские риски и способы их оценки
    Опросник «Активность повседневной жизни»

  3. Nak Ответить

    ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПОЛУПРОВОДНИКОВ
    ПОЛУПРОВОДНИКИ
    Виды и структура полупроводников.
    К полупроводникам относятся вещества с удельной электропроводностью s в интервале 10-10< s< 104 См/см. Вещества с меньшей электропроводностью относят к диэлектрикам, с большей – к металлам. Эти границы условны, особенно между диэлектриками и полупроводниками. Главное различие между полупроводниками и металлами заключается в том, что у металлов удельное сопротивление возрастает с ростом температуры, а у полупроводников – падает.
    К полупроводникам относится большая группа веществ, но в производстве приборов используются лишь немногие, главным образом, германий Ge, кремний Si, арсенид галлия GaAs и некоторые другие.
    Структура полупроводников.
    Кристаллическая решетка.
    Применяемые в электронике полупроводники имеют, как правило, монокристаллическую структуру, т.е. во всем объеме вещества атомы размещены в узлах строго определенной единой кристаллической решетки. Кристаллическая решетка состоит из множества повторяющихся и примыкающих друг к другу элементарных ячеек той или иной формы и размера. В случае простейшей кубической решетки ребро элементарной ячейки – куба – является постоянной решетки.

    В германии и кремнии атомы образуют кубическую решетку типа алмаза, где каждый атом связан с 4-мя ближайшими соседями ковалентной связью. Для наглядности эту решетку можно представить в виде плоской модели (рис.1.1а), где двойные черточки, связывающие атомы, отображают ковалентную химическую связь, образованную двумя электронами.
    Дефекты решетки.
    Структура кристалла никогда не бывает идеальной, всегда имеются дефекты решетки и дислокации (смещения плоскостей решетки).
    Дефекты точечного типа могу иметь вид пустого узла (дефект по Шоттки), совокупности пустого узла и междуузельного атома (дефект по Френкелю) или чужеродного атома – примеси. Любой реальный кристалл содержит примеси – либо паразитные, от которых не удается избавиться при очистке, либо полезные, которые вводятся специально для получения нужных свойств кристалла. Примеси могут располагаться либо между узлами решетки (примесь внедрения), либо в самих узлах вместо основных атомов (примесь замещения).
    Поверхность кристалла.
    На поверхности кристалла часть ковалентных связей оказывается разорванной, что приводит к нарушению энергетического равновесия. Равновесие восстанавливается различными путями: может измениться расстояние между атомами в приповерхностном слое; может произойти захват – адсорбция – чужеродных атомов или молекул; может образоваться химическое соединение (например, окисел), не имеющее незаполненных связей на поверхности, и т. п. В любом случае структура тонкого приповерхностного слоя (толщиной несколько нанометров) отличается от структуры основного объема кристалла и этот слой следует рассматривать как особую область кристалла.
    Носители заряда в полупроводниках.
    В полупроводниках существуют два вида носителей заряда – электроны и дырки. В структуре на рис.1а нет свободных носителей заряда – все электроны связаны с атомами и не могут перемещаться по кристаллу, вещество не проводит электрический ток, т.е. является диэлектриком. Но такое положение существует только при абсолютном нуле температуры. С ростом температуры возрастает энергия колебательных движений атомов, и некоторая часть электронов приобретает энергию, достаточную для отрыва от атома. Оторвавшийся электрон может свободно перемещаться по кристаллической решетке. В том месте, откуда выбит электрон, образуется некомпенсированный положительный заряд, равный заряду электрона. Это и есть дырка. Она также может свободно перемещаться по кристаллу за счет перескока валентного электрона с соседних атомов, в результате дырка оказывается у соседнего атома и далее этот процесс повторяется. В результате образуется электронно-дырочная пара, как показано на рис.1б, где дырка обозначена мелким светлым кружком, электрон – темным. Этот процесс принято описывать как результат столкновения электрона с фононом. Фонон – квант энергии колебательных движений атомов кристаллической решетки. При столкновении фонон исчезает, его энергия передается электрону.
    Процесс образования электронно-дырочных пар под действием теплового движения называется термогенерацией. Наряду с термогенерацией идет и обратный процесс – рекомбинация, – когда свободный электрон соединяется с дыркой и восстанавливается валентная связь, пара носителей исчезает.
    Собственные и примесные полупроводники.
    Собственный полупроводник – беспримесный и бездефектный полупроводник с идеальной кристаллической решеткой. В собственном полупроводнике электроны и дырки всегда образуются парами и их концентрации и равны:
    ni=pi
    Здесь n и p – концентрация электронов и дырок соответственно, индексом “i” обозначают свойство, относящееся к собственному полупроводнику.
    Примесные полупроводники содержат атомы посторонних элементов, встроенные в кристаллическую решетку. Примеси специально вводят в полупроводник для изменения его электрофизических свойств (этот процесс называется легированием). В примесных полупроводникахконцентрации электронов и дырок могут отличаться на много порядков.
    Примеси бывают донорные, акцепторные и нейтральные.
    Для четырех валентных элементарных полупроводников, таких как германий и кремний, донорными примесями являются атомы пятивалентных элементов, таких как фосфор P, мышьяк As, сурьма Sb, акцепторными – атомы трехвалентных элементов: бор B, индий In, галлий Ga, алюминий Al.
    Встраиваясь в решетку, атомы пяти валентных элементов образуют четыре связи с ближайшими соседями, пятый электрон оказывается лишним. Он не участвует в образовании химической связи и слабо связан с атомом примеси, легко отрывается от него и становится свободным. Например, P®P++e- В узле решетки остается положительно заряженный ион примеси. Он жестко закреплен в решетке и не может перемещаться по кристаллу. В полупроводнике с донорной примесью основными носителями заряда являются электроны. Его называют полупроводником с электронной проводимостью или полупроводником n-типа.
    При введении трех валентного атома у него не хватает одного электрона для образования четырех связей. Недостающий электрон может быть захвачен у соседнего атома, у которого образуется дырка. Атом примеси превращается в отрицательный ион, например, In®In-+h+(h+ –дырка). В полупроводнике с акцепторной примесью основными носителями заряда являются дырки и его называют полупроводником с дырочной проводимостью или полупроводником p-типа.
    Нейтральные примеси не изменяют концентрацию носителей заряда.
    12Следующая ⇒
    Рекомендуемые страницы:
    ©2015-2019 poisk-ru.ru
    Все права принадлежать их авторам. Данный сайт не претендует на авторства, а предоставляет бесплатное использование.
    Дата создания страницы: 2016-04-11
    Нарушение авторских прав и Нарушение персональных данных
    ?

    Обратная связь
    ТОП 5 активных страниц!
    Деталирование сборочного чертежа
    Когда производственнику особенно важно наличие гибких производственных мощностей?
    Собственные движения и пространственные скорости звезд
    Тема 11. Банковские риски и способы их оценки
    Опросник «Активность повседневной жизни»

  4. Vor Ответить

    Чистые i – полупроводники практически не используют. В них специально вводят атомы других элементов (примеси) трехвалентных (алюминий, галлий, индий, бор) или пятивалентных (мышьяк, фосфор, сурьма) элементов или их соединений. При этом на 107…108 атомов i – полупроводника вводят один атом примеси. Атомы пятивалентной примеси называются донорами: они увеличивают число свободных электронов. Каждый атом такой примеси добавляет один лишний электрон. При этом лишних дырок не образуется. Примесный атом в структуре полупроводника превращается в неподвижный положительно заряженный ион. Проводимость полупроводника теперь будет определяться в основном числом свободных электронов примеси. В целом такой тип проводимости называют проводимостью n–типа, а сам полупроводник – полупроводником n–типа.
    При введении трехвалентной примеси одна из валентных связей полупроводника оказывается незаполненной, что эквивалентно образованию дырки и неподвижного отрицательно заряженного иона примеси. Таким образом, в этом случае увеличивается концентрация дырок. Примеси такого типа называются акцепторами, а проводимость, обусловленная введением акцепторной примеси, называют проводимостью р–типа. Полупроводник данного вида называют полупроводником р–типа.
    Преобладающие носители заряда в полупроводнике называются основными. Так в полупроводнике n–типа основными носителями являются электроны, а неосновными – дырки, а в полупроводнике р–типа основными носителями являются дырки, а неосновными – электроны. Как видим, в отличие от проводимости проводников, в которых ток обусловлен направленным движением только электронов, в полупроводниках ток может быть обусловлен двумя типами носителей – электронами и дырками.

  5. KrAken Ответить

    Концентрация дырок в валентной зоне определяется преимущественно концентрацией внесенной акцепторной примеси , а не дырками, возникающими при термогенерации носителей заряда за счет преодоления валентными электронами запрещенной зоны. В соответствии с этим концентрация дырок в полупроводнике p-типа существенно больше концентрации свободных электронов . Дырки в этом случае являются основными носителями заряда, а электроны – неосновными.
    Необходимая для создания полупроводников n и p-типа примесь вносится в количестве, при котором концентрация основных носителей заряда существенно (на два-три порядка) превышает концентрацию неосновных носителей заряда. В зависимости от концентрации введенной примеси удельная проводимость примесного полупроводника возрастает по сравнению с чистым полупроводником в десятки и сотни тысяч раз.
    Характерной особенностью примесных полупроводников является то, что произведение концентраций основных и неосновных носителей заряда при данной температуре является постоянной величиной и определяется соотношением

    (11)
    где собственные концентрации носителей заряда в чистом полупроводнике.
    Зависимость концентрации носителей заряда от температуры накладывает ограничения на температурный диапазон применения полупроводниковых приборов. Рабочий диапазон температур характеризуется существенным превышением в примесных полупроводниках кноцентрации основных носителей заряда над неосновными ( и ) при концентрации основных носителей заряда, близкой к концентрации внесенной примеси ( и ).
    При температурах, превышающих верхний температурный предел, число носителей заряда, создаваемых в кристалле при термогенерации за счет преодоления валентными электронами запрещенной зоны, резко возрастает. При этом может оказаться, что электрическая проводимость в полупроводнике будет определяться не концентрацией внесенной примеси, а концентрацией собственных носителей заряда. Верхний температурный предел зависит от ширины запрещенной зоны полупроводника и составляет для германия 75…85 0С, а для кремния 150…170 0С. При этом преимущество кремния над германием очевидно.
    При температуре ниже рабочего диапазона основную роль в создании тока играют основные носители заряда, уменьшение концентрации которых за счет уменьшения количества ионизированных атомов примеси вызывает уменьшение электрической проводимости. Нижний температурный предел работы полупроводниковых приборов составляет – 55… – 60 0С.
    1.2. Физические процессы в р-n-переходе
    Основным элементом большинства полупроводниковых приборов является электронно-дырочный переход (р-n-переход), представляющий собой переходный слой между двумя областями полупроводника, одна из которых имеет электронную электропроводность, а другая — дырочную.
    1.2.1. Образование p-n-перехода.
    p-n-переход в равновесном состоянии
    Равновесным называют такое состояние перехода, когда отсутствует внешнее напряжение. Представим два полупроводника: один имеет дырочную, а другой – электронную электропроводность. В дырочном полупроводнике (p-типа) присутствуют в равном количестве подвижные положительные дырки (основные носители заряда) и неподвижные отрицательные ионы (рис. 18, а). Кроме того, в малом количестве имеются неосновные носители заряда – электроны (на рис. 18 не показаны), обусловленные процессом термогенерации.
    В электронном полупроводнике (n-типа) присутствуют в равном количестве неподвижные положительно заряженные ионы и свободные отрицательно заряженные электроны (рис. 18, а). В малом количестве присутствуют неосновные носители заряда – дырки.
    Будем считать, что рассматриваемые полупроводники соединили и они стали единым кристаллом (рис. 18, б). Тогда по закону диффузии электроны из n-области будут перемещаться в p-область, рекомбинируя с дырками, а на месте ушедших из n-области электронов будут образоваться вакантные положительно заряженные области – дырки.

    Рис. 18. Физические процессы в p-n-переходе в равновесном состоянии
    Дырки, образовавшиеся в n-области, рекомбинируют с электронами этой области. Вследствие ухода основных носителей заряда из приграничных областей и их рекомбинации с носителями заряда противоположного знака концентрации основных носителей заряда ( и ) в обеих приграничных областях, суммарная ширина которых , снижаются. В результате в пограничной области образуются некомпенсированные заряды неподвижных ионов (рис. 18, в). Между этими зарядами возникает контактная разность потенциалов и электрическое поле , которое препятствует диффузии свободных носителей заряда из глубины р- и n-областей через р-n-переход. Таким образом, область некомпенсированных неподвижных зарядов со своим электрическим полем и называется р-n-переходом. p-n-переход характеризуется двумя основными параметрами:
    1) высота потенциального барьера (контактная разность потенциалов) – . Это разность потенциалов в переходе, обусловленная градиентом концентрации носителей заряда, выражается в единицах напряжения – вольтах (В). Этот параметр показан на зонной энергетической диаграмме p-n-перехода на рис. 19.

    Рис. 19. Энергетическая диаграмма p-n -перехода
    Иными словами, – энергия, которой должен обладать свободный заряд, чтобы преодолеть потенциальный барьер:

    (12)
    где k – постоянная Больцмана;
    е – заряд электрона;
    Т – температура;
    и Nd – концентрации акцепторов и доноров в дырочной
    и электронной областях соответственно;
    рр и рn – концентрации дырок в р- и n-областях соответственно;
    ni –собственная концентрация носителей заряда в нелигированном полупроводнике;
    – температурный потенциал.
    При температуре Т=27 0С =0.025 В; для германиевого перехода =0,3–0.5 В; для кремниевого перехода =0,6–0.8 В. Различие в значениях для кремния и германия объясняется меньшей концентрацией неосновных носителей заряда (при одинаковой температуре и одинаковых внесенных примесей);
    2) ширина p-n-перехода (см. рис. 18) – это приграничная область, обеднённая подвижными носителями заряда, которая располагается в p и n областях:
    ,
    (13)
    , ,
    (14)
    отсюда
    ,
    (15)
    где относительная диэлектрическая проницаемость материала полупроводника;
    ?0 – диэлектрическая постоянная свободного пространства.
    Толщина электронно-дырочных переходов имеет порядок (0,1?10) мкм. Если , то и p-n-переход называется симметричным, если , то и p-n-переход называется несимметричным, причём он в основном располагается в области полупроводника с меньшей концентрацией примеси.
    В равновесном состоянии (без внешнего напряжения) через р-n-переход движутся два встречных потока зарядов (протекают два тока). Это дрейфовый ток неосновных носителей заряда и диффузионный ток, который связан с основными носителями заряда. Так как внешнее напряжение отсутствует и тока во внешней цепи нет, то дрейфовый и диффузионный токи взаимно уравновешиваются и результирующий ток равен нулю:
    .
    (16)
    Это соотношение называют условием динамического равновесия процессов диффузии и дрейфа в изолированном (равновесном) p-n-переходе.
    1.2.2. p-n-переход при внешнем напряжении
    Внешнее напряжение нарушает динамическое равновесие токов в p-n-переходе, p-n-переход переходит в неравновесное состояние. В зависимости от полярности напряжения, приложенного к областям p-n-перехода, возможно два режима работы.
    1.Прямое смещениеp-n-перехода. p-n-переход считается смещённым в прямом направлении, если положительный полюс источника питания подсоединен к р-области, а отрицательный – к n-области (рис. 20).
    При прямом смещении напряжения и направлены встречно, результирующее напряжение на p-n-переходе убывает до величины –U . Это приводит к тому, что напряженность электрического поля убывает и возобновляется процесс диффузии основных носителей заряда. Кроме того, прямое смещение уменьшает ширину p-n-перехода, т. к. . Ток диффузии, ток основных носителей заряда, становится много больше дрейфового. Через p-n-переход протекает прямой ток:
    .
    (17)
    При протекании прямого тока основные носители заряда n-области –электроны – переходят в p-область, где становятся неосновными. В n-области вместо ушедших электронов образуются дырки, которые в этой области также являются неосновными носителями заряда. Диффузионный процесс введения основных носителей заряда в область, где они становятся неосновными, называется инжекцией, а прямой ток – диффузионным током, или током инжекции. Для компенсации неосновных носителей заряда накапливающихся в p и n-областях, во внешней цепи возникает электронный ток от источника напряжения, т. е. принцип электронейтральности сохраняется.
    Проще говоря, в p-n-переходе при прямом смещении протекает следующий процесс. Электрический ток – это упорядоченное движение свободных носителей заряда. Исторически сложилось, что за направление тока принимают направление, в котором перемещаются (или могли перемещаться) носители положительного заряда, т. е. от «+» к «–». Фактически же, в металлах носители заряда – электроны – перемещаются в противоположном направлении – от «–» к «+». Таким образом, электроны поступают в n-область перехода со стороны отрицательного полюса источника. Под действием сил электрического притяжения электроны стремятся скомпенсировать положительный заряд, образованный дырками в близлежащем к p-n-переходу p-слое полупроводника. Ширина p-n -перехода уменьшается, возобновляется процесс диффузии основных носителей заряда. Электроны из n-области начинают перемещаться в p-область, замещая дырки, а на месте ушедших из n-области электронов образуются вакантные положительно-заряженные области – дырки. Процесс носит направленный характер – электроны диффундируют через p-n-переход в сторону положительного полюса источника, а дырки – в противоположную сторону. Физически данный процесс можно сравнить с перемещением людей через болото по кочкам. Люди в данном случае выступают в роли электронов, а кочками являются дырки.

    Рис. 20. p-n-переход, смещённый в прямом направлении
    Таким образом, в цепи возникает ток, причем в области полупроводника он образуется двумя носителями заряда – электронами и дырками.
    При увеличении U ток, протекающий через полупроводник, резко возрастает:
    ,
    (18)
    где температурный потенциал;
    ток насыщения (тепловой ток), создаваемый неосновными носителями заряда.
    Ток может достигать больших величин т. к. связан с основными носителями, концентрация которых велика.
    2.Обратное смещениеp-n перехода. Возникает, когда к р-области приложен минус, а к n-области – плюс внешнего источника напряжения (рис. 21).
    Такое внешнее напряжение U включено согласно . Оно увеличивает высоту потенциального барьера до величины ; напряженность электрического поля возрастает; ширина p-n-перехода возрастает, т. к. ; процесс диффузии полностью прекращается, и через p-n- переход протекает дрейфовый ток – ток неосновных носителей заряда.
    Иными словами, при обратном смещении p-n перехода под действием электрических сил электроны, находящиеся в n-области, перемещаются от границы p-n-перехода в сторону положительного полюса источника, а дырки в p-области – в сторону отрицательного полюса. В результате диффузия основных носителей заряда прекращается и через p-n- переход протекает дрейфовый ток неосновных носителей заряда (электроны в p-области и дырки в n-области), которые в небольших количествах присутствуют в соответствующих областях (рис. 21). Физически это можно сравнить со скоплением на одной стороне болота кочек (дырок), а на другой – людей (электронов). Люди (электроны) не могут перебраться через болото (p-n-переход).

    Рис. 21. p-n-переход, смещённый в обратном направлении
    Небольшой ток, связанный с неосновными носителями заряда, которые возникают за счет термогенерации, называют тепловым током и обозначают – I0 , т. е.
    .
    (19)
    Этот ток мал по величине, т. к. связан с неосновными носителями заряда, концентрация которых мала. Таким образом, p-n-переход обладает односторонней проводимостью.
    Величина обратного тока сильно зависит от температуры окружающей среды, материала полупроводника и площади p-n-перехода. Температурная зависимость обратного тока определяется выражением
    ,
    (20)
    где номинальная температура;
    фактическая температура;
    температура удвоения теплового тока:

    Тепловой ток кремниевого перехода много меньше теплового тока перехода на основе германия (на 3-4 порядка). Это связано с материала. В этом еще одно преимущество кремния над германием. С увеличением площади перехода возрастает его объем, а следовательно, возрастает число неосновных носителей, появляющихся в результате термогенерации, и тепловой ток.
    Итак, главное свойство p-n-переходаэто его односторонняя проводимость, которая обусловливается тем, что прямой ток диода создается основными, а обратный – неосновными носителями заряда. А концентрация основных носителей заряда на несколько порядков превышает концентрацию неосновных носителей.

  6. Nightbringer Ответить

    Для получения полупроводника p-типа в кристалл 4-х валентного кремния вводят примесь акцептора (валентность 3).

    При этом три валентных электрона примеси образуют ковалентные связи с тремя из четырех соседних атомов кремния. Одна из ковалентных связей остается незавершенной, образуя вакантное энергетическое состояние. Атому примеси для заполнения вакансии требуется дополнительный электрон для образования прочной восьмиэлектронной оболочки. Этот электрон отбирается от одного любого атома кремния.
    Атом примеси, отобравший электрон из ковалентной связи решетки полупроводника, становится неподвижным отрицательным ионом. На том месте в основной решетке, откуда к атому примеси пришел электрон, образуется дырка. Она добавляется к собственным дыркам полупроводника, вызванным термогенерацией, поэтому проводимость полупроводника становится преимущественно дырочной.
    В этих условиях дырки являются основными носителями заряда, т.к. p >> n, а электроны – неосновными носителями.

    Для полупроводника n-типа справедливо следующее неравенство:
    Nn >> Pn, где N – концентрация электронов в полупроводнике n-типа;
    P – концентрация дырок в полупроводнике n-типа
    А для полупроводника p-типа:
    Pp >> Np, где P – концентрация дырок в полупроводнике р-типа;
    N – концентрация электронов в полупроводнике р-типа.
    Донорные примеси образуют примесные уровни Wд, расположенные в запрещенной зоне вблизи зоны проводимости; акцепторные примеси образуют примесные уровни , расположенные в запрещенной зоне вблизи валентной зоны. Уровень ферми в примесных полупроводниках располагается между уровнем Wд и дном зоны проводимости Wп, либо между уровнем и потолком валентной зоны Wв (см. рисунок).

    Электронно-дырочный переход (p-n переход).
    Электрический переход в полупроводниках – это граничный слой между двумя областями, физические характеристики которых существенно различаются.
    Работа большинства полупроводниковых приборов основана на использовании одного или нескольких переходов между двумя областями полупроводника с различным типом электропроводности.
    P-n переход образуется при механическом соединении полупроводников различного типа проводимости.
    В полупроводниках с областями p- и n-типов, образующими переход, можно выделить следующие пространственные области:
    – металлургический переход (контакт, граница) – воображаемая плоскость, разделяющая p- и n-области;
    – область перехода или область пространственного заряда или обедненная область – область, распространяющаяся по обе стороны металлургической границы (имеет толщину от 1 мкм до 0,1 мкм в зависимости от технологии производства);
    – нейтральные области (p- и n-области), лежащие между областью пространственного заряда и границами полупроводников n- и p-типов;
    – омические контакты – выводы, которыми заканчиваются нейтральные области.
    Одномерный чертеж электронно-дырочного перехода.
    Рассмотрим модель резкого и ступенчатого p-n перехода, в котором концентрация примесных атомов скачком изменяется от значения Nd в области n до значения Na в области p.
    Будем также считать, что переход симметричный, условие которого Nd = Na. Если же Nd ≠ Na – переход является несимметричным.
    При Nd > Nа переход обозначается ;
    При Nd < Na переход обозначается .
    Модель перехода строится на базе таких понятий, как:
    – высота потенциального барьера(контактная разность потенциалов) Uк;
    – толщина области перехода – d;
    – максимальная напряженность внутреннего электрического поля E;
    – плотность электрического заряда Q.
    Диаграмма распределения параметров в p-n переходе (симметричном)
    Nn = Pp , (Pn = Np); Nn >> Pn ; Pp >> Np представлена на чертеже.

    Диаграмма распределения параметров в p-n переходе:
    1) распределение концентрации доноров и акцепторов;
    2) распределение концентрации электронов и дырок;
    3) распределение контактной разности потенциалов;
    4) распределение напряженности поля.
    При возникновении контакта в разнотипных полупроводниках начинаются интенсивные диффузии носителей заряда. Т.к. концентрация электронов в n-области больше, чем в p-области (Nn >> Np), то часть электронов диффундирует из n-области в p-область. При этом в p-области, у металлургической границы, окажутся избыточные электроны, которые будут занимать вакантные ковалентные связи, что уменьшит в пограничном слое концентрацию дырок и создаст слой отрицательных неподвижных зарядов (ионов) акцепторов.
    Так как часть электронов из области n перешла в область p, то в пограничном слое области n уменьшится концентрация электронов, и проявятся не скомпенсированные положительные ионы атомов доноров.
    Таким образом, вокруг металлургической границы образуется двойной слой противоположных по знаку неподвижных зарядов (ионов доноров и акцепторов). Именно этот слой и называют p-n переходом или запирающим слоем; он определяет контактную разность потенциалов (потенциальный барьер), для Ge – (0,2 ? 0,3) В, для Si – (0,7 ? 0,8) В.
    Такие переходы электронов будут продолжаться до тех пор, пока электрическое поле потенциального барьера не вырастет настолько, что энергии электронов уже окажется недостаточно для преодоления этого поля.
    Потенциальный барьер создает тормозящее поле для основных носителей зарядов и препятствует перемещению электронов в p-область, дырок – в n-область.
    Для неосновных носителей зарядов (дырок в n-области и электронов в p-области) поле потенциального барьера является ускоряющим. В результате чего осуществляется переброс неосновных носителей заряда через p-n переход (ток дрейфа). Неосновные носители заряда, переходя через область перехода, нейтрализуют часть ионов обоих знаков, что приводит к понижению потенциального барьера и увеличению диффузионного тока основных носителей. Т.о. в p-n переходе устанавливается динамическое равновесие.
    Направление диффузионных токов основных носителей противоположно направлению дрейфовых токов неосновных носителей через p-n переход.
    Т.к. в изолированном полупроводнике результирующая плотность токов равна нулю, то условие динамического равновесия может быть определено:

    Значение контактной разности потенциалов определяется положением уровня Ферми в полупроводниках n- и p-типа:


    Т.к.; , имеем:

    Толщина p-n перехода для равновесного состояния может быть определена:
    ,

    где – относительная диэлектрическая проницаемость полупроводника,
    – диэлектрическая постоянная воздуха,
    – абсолютная диэлектрическая проницаемость полупроводника:
    Напряженность электрического поля E в p-n переходе определяется производной от контактной разности потенциалов, взятой по геометрической координате х:
    .
    Нарушение равновесного состояния p-n перехода может быть нарушено при подключении к омическим контактам внешнего напряжения. В зависимости от полярности и величины внешнего напряжения характер тока через p-n переход и его величина оказываются различными.

  7. Coihelm Ответить

    Механизм электрической проводимости
    Полупроводники характеризуются как свойствами проводников, так и диэлектриков. В полупроводниковых кристаллах атомы устанавливают ковалентные связи (то есть, один электрон в кристалле кремния, как и алмаза, связан двумя атомами), электронам необходим уровень внутренней энергии для высвобождения из атома (1,76·10?19 Дж против 11,2·10?19 Дж, чем и характеризуется отличие между полупроводниками и диэлектриками). Эта энергия появляется в них при повышении температуры (например, при комнатной температуре уровень энергии теплового движения атомов равняется 0,4·10?19 Дж), и отдельные атомы получают энергию для отрыва электрона от атома. С ростом температуры число свободных электронов и дырок увеличивается, поэтому в полупроводнике, не содержащем примесей, удельное сопротивление уменьшается. Условно принято считать полупроводниками элементы с энергией связи электронов меньшей чем 1,5—2 эВ. Электронно-дырочный механизм проводимости проявляется у собственных (то есть без примесей) полупроводников. Он называется собственной электрической проводимостью полупроводников.
    Во время разрыва связи между электроном и ядром появляется свободное место в электронной оболочке атома. Это обуславливает переход электрона с другого атома на атом со свободным местом. На атом, откуда перешёл электрон, входит другой электрон из другого атома и т. д. Это обуславливается ковалентными связями атомов. Таким образом, происходит перемещение положительного заряда без перемещения самого атома. Этот условный положительный заряд называют дыркой.
    В полупроводниках носителями заряда являются электроны и дырки. Отношение их концентраций определяет тип проводимости полупроводника. Те носители, концентрация которых выше, называют основными носителями заряда, а носители другого типа — неосновными.
    Если концентрация электронов значительно превосходит концентрацию дырок, то такой полупроводник называют полупроводником n-типа проводимости. В этом случае основными носителями заряда являются электроны, а неосновными носителями — дырки.
    Соответственно, если концентрация дырок выше, чем электронов, то полупроводник называют полупроводником p-типа. В нем основными носителями являются дырки, а неосновными носителями — электроны.
    Концентрация равновесных носителей заряда в полупроводнике определяется только температурой образца и концентрацией легирующих примесей. Под действием внешних воздействий (инжекция, облучение образца светом, ионизирующими частицами или ионизирующим излучением) в полупроводнике возникают неравновесные носители заряда, и полная концентрация носителей заряда увеличивается.

  8. аApostaL Ответить

    В полупроводниках носителями заряда являются электроны и дырки. Отношение их концентраций определяет тип проводимости полупроводника.
    Если значительно преобладают электроны, то такой полупроводник называется полупроводником n-типа. Электроны, в этом случае, называются основными носителями заряда, а дырки — неосновными.
    Соответственно, если преобладают дырки, то полупроводник является полупроводником p-типа, дырки — основными носителями, а электроны неосновными.
    Если положительный потенциал приложен к p-области, то потенциальный барьер понижается (прямое смещение). В этом случае с ростом приложенного напряжения экспоненциально возрастает число основных носителей, способных преодолеть барьер. Как только эти носители миновали p — n-переход, они становятся неосновными. Поэтому концентрация неосновных носителей по обе стороны перехода увеличивается (инжекция неосновных носителей). Одновременно в p- и n-областях через контакты входят равные количества основных носителей, вызывающих компенсацию зарядов инжектированных носителей. В результате возрастает скорость рекомбинации и появляется отличный от нуля ток через переход, который с ростом напряжения экспоненциально возрастает.
    Приложение отрицательного потенциала к p-области (обратное смещение) приводит к повышению потенциального барьера. Диффузия основных носителей через переход становится пренебрежимо малой. В то же время потоки неосновных носителей не изменяются (для них барьера не существует). Неосновные носители заряда втягиваются электрическим полем в p—n-переход и проходят через него в соседнюю область (экстракция неосновных носителей).

Добавить комментарий для аApostaL Отменить ответ

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *