Контакт двух полупроводников p- и n- типа. Свойства p-n перехода. Полупроводниковые приборы.
Главная
» Самолетостроение
» Физика (3 семестр)
» Контакт двух полупроводников p- и n- типа. Свойства p-n перехода. Полупроводниковые приборы.
Полупроводниковый диод
Полупроводниковый диод состоит из двух типов полупроводников — дырочного и электронного. В процессе контакта между этими областями из области с полупроводником n-типа в область с полупроводником p-типа проходят электроны, которые затем рекомбинируют с дырками. Вследствие этого возникает электрическое поле между двумя областями, что устанавливает предел деления полупроводников — так называемый p-n переход.
Связь между разницей потенциалов и концентрацией примесей выражается следующей формулой:
VT — термодинамическое напряжение, Nn — концентрация электронов, Np — концентрация дырок, ni — собственная концентрация.
В процессе подачи напряжения плюсом на p-полупроводник и минусом на n-полупроводник внешнее электрическое поле будет направлено против внутреннего электрического поля p-n перехода и при достаточном напряжении электроны преодолеют p-n переход, и в цепи диода появится электрический ток (прямая проводимость). При подаче напряжения минусом на область с полупроводником p-типа и плюсом на область с полупроводником n-типа между двумя областями возникает область, которая не имеет свободных носителей электрического тока (обратная проводимость).
Таким образом, p-n переход проявляет свойства односторонней проводимости, что обуславливается подачей напряжения с различной полярностью. Это свойство используют для выпрямления переменного тока.
Свойства p-n перехода
Так как в области р с дырочной проводимостью подвижных электронов значительно меньше, чем в области п с электронной проводимостью, то электроны из n-слоя начинают переходить в р-слой (у их границы), а дырки в то же время будут двигаться в обратном направлении. При этом электрическая нейтральность каждой области окажется нарушенной. В пограничном слое с проводимостью типа а образуется положительный объемный заряд, а в р-области, то есть по другую сторону границы,— отрицательный. Таким образом, в тонком слое полупроводника у границы раздела р- и n-областей образуются две зоны объемных разноименных электрических зарядов.
Если к полупроводнику приложить электрическое напряжение, то в зависимости от полярности этого напряжения р-n-переход проявляет совершенно различные свойства.
Когда отрицательный полюс источника подключен к n-области кристалла, а положительный — к р-области:
внешнее электрическое поле и поле р-n-перехода направлены в противоположные стороны. Поэтому электрическое поле р-n-перехода окажется в значительной степени ослабленным, и теперь уже электроны из n-области смогут проникать в р-область, а дырки из р-области в n-область. Таким образом, в цепи источник питания — полупроводник возникает ток.
Полярность приложенного напряжения, при которой через полупроводник протекает ток (как в описанном случае), получила название прямой полярности. Когда же отрицательный полюс источника питания подключен к р-области кристалла, а положительный к n-области:
электрические поля источника и р-n-перехода совпадают. Суммарное поле возрастает и в еще большей степени (чем до присоединения источника питания) будет препятствовать передвижению электрических зарядов через р-n-переход. Если рассматривать идеальный случай, то электрического тока через переход не будет. Такую полярность приложенного к кристаллу напряжения называют обратной.
Итак, с определенной долей приближения можно считать, что электрический ток через р-n-переход протекает, если полярность напряжения источника питания прямая, и, напротив, тока нет, когда полярность обратная.
Однако в реальных условиях в полупроводнике, кроме основных носителей электрических зарядов — электронов и дырок, образующихся при введении примесей, имеются, как было показано, и неосновные носители зарядов (их значительно меньше) электроны п дырки, образующиеся вследствие теплового движения атомов в кристалле.
Часть этих электронов и дырок способна проходить (дрейфовать) через р-n-переход даже при обратной полярности приложенного к полупроводнику напряжения, создавая так называемый обратный ток, который, разумеется, несравнимо меньше прямого тока. Следовательно, р-n-переход полупроводника весьма определенно проявляет свойство односторонней проводимости, что дает возможность рассматривать кристалл в качестве вентиля. Вольт-амперная характеристика р-n-перехода
показывает, что уже при сравнительно небольших прямых напряжениях сопротивление перехода падает, а прямой ток резко увеличивается.
У полупроводников обратные напряжения Uобр значительно больше прямых Uпр, а обратные токи намного слабее прямых токов, однако при некотором возросшем значении обратного напряжения наступает явление так называемого пробоя р—п-перехода и обратный ток резко возрастает (точка А). В этом режиме напряжение на диоде изменяется очень мало, даже при изменении тока через прибор в весьма широких пределах, то есть полупроводник ведет себя как стабилитрон.
Еще одна интересная особенность р-n-перехода заключается в том, что в диапазоне обратных напряжений, не превышающих напряжения пробоя, переход проявляет емкостные свойства, то есть ведет себя как конденсатор, причем емкость перехода обратно пропорциональна приложенному напряжению. Это свойство широко используется там, где возникает необходимость применения конденсаторов переменной емкости, перестраиваемых пе вручную, а автоматически — в зависимости от обратного напряжения, приложенного к р-n-переходу.
К полупроводниковым приборам относятся:
Микросхемы, полупроводниковые диоды, тиристоры, фототиристоры, транзисторы, оптоэлектронные приборы (фоторезисторы, фотодиоды, солнечные элементы, детекторы ядерных излучений, светодиоды, полупроводниковые лазеры, электролюминесцентные излучатели), терморезисторы. И всякие другие няшные штучки^_^
Друзья! Приглашаем вас к обсуждению.
Если у вас есть своё мнение, напишите нам в комментарии.
Презентация на тему: Собственные полупроводники
Равные числа электронов проводимости и дырок.
Комбинации зарядов — электронно-дырочные пары.
Внешнее электрическое поле:
движение электронов проводимости и дырок в противоположных направлениях.
Течение тока в одном и том же направлении: заряды электрона и дырки противоположны по знаку.
11
Примесные полупроводники n-типа
Допирование (легирование) — добавление примесей с целью контроля проводимости п/п.
Пять электронов во внешней оболочке мышьяка (As):
четыре — формирование ковалентных связей с атомами п/п из группы IV (С, Si, Ge), пятый — остается незадействованным.
Атомы полупроводника
Атом примеси с пятью электронами во внешней оболочке
Незадействованный электрон атома примеси
Отсутствие связи «избыточного» электрона со своим родительским атомом.
12
Примесные полупроводники n-типа
Энергетический уровень «избыточного» электрона в энергетической щели чуть ниже зоны проводимости.
Зона
проводимости
Энергетический уровень донорного атома
Валентная зона
Еg = 1 эВ Еd = 0,05 эВ
13
Примесные полупроводники n-типа
Пятивалентный атом мышьяка As (примеси) – отдача донорным атомом одного электрона п/п-ку.
Незначительная разница (обычно около 0,05 эВ) между энергией этого электрона и энергией дна зоны проводимости.
Средняя энергия электронов при комнатной температуре — около 0,025 эВ.
Зона
проводимости
Энергетический уровень донорного атома
Валентная зона
Еg = 1 эВ Еd = 0,05 эВ
Необходимость очень небольшого теплового возбуждения для перемещения электрона в зону проводимости.
П/п n-типа (п/п, легированные донорными атомами): большая часть носителей заряда – электроны, заряженные (negatively)
отрицательно.
14
Примесные полупроводники p-типа
Три электрона внешней оболочки атома In (примеси) – образование ковалентных связей с атомами полупроводника из группы IV
с формированием дырки.
Атомы полупроводника Атом примеси с тремя электронами на внешней оболочке
Дырка или дефицит электрона в связи
Возможность образования четвертой связи, если бы у примесного атома был еще один электрон на внешней оболочке.
15
Примесные полупроводники p-типа
Уровень энергии, соответствующий этой связи, в запрещенной зоне чуть выше валентной зоны.
Зона
проводимости
Энергетический уровень акцепторного атома
Валентная
зона
Еg = 1 эВ Еd = 0,05 эВ
Достаточная энергия у электрона из валентной зоны, чтобы расположиться
на этом уровне при комнатной температуре.
Появление дырки в валентной зоне.
Возможность участия дырки в создании тока при наложении электрического поля.
16
Зона
проводимости
Энергетический уровень акцепторного атома
Валентная
зона
Еg = 1 эВ Еd = 0,05 эВ
Примесные полупроводники p-типа
Принятие трехвалентным атомом примеси (акцептором) электрона из валентной зоны.
Полупроводник р-типа — полупроводник,
легированный трехвалентными (aкцепторными) примесными атомами: большая часть носителей заряда — положительно (positively) заряженные дырки.
17
Примесные полупроводники
Примесные полупроводники в целом:
проводимость вызвана наличием атомов aкцепторных или донорных примесей.
18
Сверхпроводимость
Сверхпроводники – металлы и соединения, чье электроспротивление уменьшается практически до нуля
при температурах ниже определенной критической температуры Tc.
Критические температуры для некоторых сверхпроводников
Материал
19
Сверхпроводимость
Закон Ома: R = V / I.
Пропорциональность падения напряжения V напряженности электрического поля E.
R = 0 для сверхпроводника при или ниже его критической
температуры,
поэтому в нем V = 0 и E = 0. | d | ||
|
|
| |
Закон индукции Фарадея | E | ds | dtB : |
если E = 0 везде внутри сверхпроводника, то левая сторона уравнения равна | |||
0. | d |
|
|
|
|
| |
Следовательно, | dtB | 0. |
|
Постоянство магнитного потока в сверхпроводнике. Сохранение магнитного поля в сверхпроводнике.
20
Что такое полупроводник р-типа? — Энергетическая диаграмма и проводимость
Внешний полупроводник р-типа образуется, когда в чистый полупроводник в небольшом количестве добавляется трехвалентная примесь , в результате чего в нем создается большое количество дырок. Большое количество дырок обеспечивается в полупроводниковом материале добавлением трехвалентных примесей, таких как галлий , индий и .
Такие типы примесей, которые производят полупроводник p-типа, известны как Акцепторные примеси , потому что каждый их атом создает одну дырку, которая может принять один электрон.
Содержимое:
- Диаграмма энергетических зон полупроводника р-типа
- Проводимость через полупроводник р-типа
Трехвалентная примесь типа галлия, имеющая три валентных электрона, добавляется в кристалл германия в небольшом количестве. Каждый атом примеси размещается в кристалле германия таким образом, что три его валентных электрона образуют ковалентные связи с тремя окружающими атомами германия, как показано на рисунке ниже:
В четвертых ковалентных связях только атом германия вносит один валентный электрон, а атом галлия не имеет валентных связей.
Следовательно, четвертая ковалентная связь неполная, так как у нее не хватает одного электрона. Этот недостающий электрон известен как Дыра . Таким образом, каждый атом галлия обеспечивает одно отверстие в кристалле германия.
Как крайне малое количество примеси галлия имеет большое количество атомов, следовательно, обеспечивает миллионы дырок в полупроводнике.
Диаграмма зон энергий полупроводника p-типа
Диаграмма зон энергий полупроводника p-типа показана ниже: трехвалентная примесь. Небольшое или незначительное количество свободных электронов также доступно в зоне проводимости.
Они образуются, когда тепловая энергия при комнатной температуре сообщается электронно-дырочным парам, образующим кристалл германия. Но дырок больше, чем электронов в зоне проводимости. Именно из-за преобладания дырок над электронами материал называют полупроводником р-типа.
Слово «р» означает положительный материал.
Проводимость через полупроводник p-типа
В полупроводнике p-типа большое количество дырок создается трехвалентной примесью. Когда к полупроводнику этого типа приложена разность потенциалов, как показано на рисунке ниже:
Отверстия, имеющиеся в валентной зоне, направлены к отрицательной клемме. Поскольку ток через кристалл течет по дыркам, которые являются носителями положительного заряда, этот тип проводимости известен как положительный или р-тип проводимости .
При проводимости p-типа валентные электроны переходят от одной ковалентной связи к другой.
Проводимость полупроводника n-типа почти вдвое больше, чем у полупроводника p-типа. Электроны в зоне проводимости полупроводника n-типа гораздо более подвижны, чем дырки в валентной зоне полупроводника p-типа.
Подвижность дырок низкая, так как они больше связаны с ядром.
Даже при комнатной температуре образуются электронно-дырочные пары. Эти свободные электроны, имеющиеся в незначительном количестве, также несут небольшой ток в полупроводниках р-типа.
См. также: Полупроводник n-типа
Легированные полупроводники
Легированные полупроводникиДобавление небольшого процента посторонних атомов в правильную кристаллическую решетку кремния или германия вызывает резкие изменения их электрических свойств, создавая полупроводники n-типа и p-типа.  | Индекс Концепции полупроводников | ||
| Назад |
| Индекс Концепции полупроводников | |||||||||||||||||||
|
Фосфор может быть добавлен путем диффузии
фосфиновый газ (Ph4).
