Полупроводниковые приборы. Электрические переходы. Лекция 4

1. Тема: ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ПРИБОРЫ. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПЕРЕХОДЫ

ОЯЭ
22_ЛК_4/ 1
Тема: ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ПРИБОРЫ.
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПЕРЕХОДЫ
1. Основные понятия. Классификация полупроводниковых
приборов.
2. Физические основы полупроводниковых приборов.
3. Электронно-дырочный переход.

2.

ОЯЭ
ЛК 4 / 2
1. Основные понятия. Классификация ПП приборов
Электронные приборы –
ЭП не подлежат сборке, разборке, ремонту.
ПП-прибор частный случай электронного прибора.
Основные задачи электронного прибора как
преобразователя информационных сигналов это:
усиление, генерирование, передача, накопление и
хранение сигналов, а также выделение их на фоне шумов.

3.

ОЯЭ
ЛК 4 / 3
ПП можно классифицировать по их назначению, виду сигнала,
основным электрическим параметрам, конструктивнотехнологическим признакам, роду рабочей среды и т.д
По назначению:
• Усилительные (по I, U, P …)
• Генераторные (НЧ, СВЧ сигналов)
• Преобразовательные (световой энергии (фотонов) в
электрический сигнал и наоборот)
• Переключательные (тиристоры)
• Индикаторные и т.д.

4.

ОЯЭ
ЛК 4 / 4
По виду сигнала и способу обработки информации:
• Электропреобразовательные (самая большая группа приборов,
это: диоды, транзисторы, тиристоры, газоразрядные,
электровакуумные приборы)
• электросветовые (светодиоды, лазеры, ЭЛТ)
• фотоэлектрические (фотодиоды, фототранзисторы,
фототиристоры, солнечные батареи)
• термоэлектрические (полупроводниковые диоды, транзисторы,
термисторы)
• акустоэлектрические (линии задержки на поверхностных
акустических волнах, акустоэлектрические усилители)
• Механоэлектрические (преобразуют механический сигнал в
электрический)

5.

ОЯЭ
По виду рабочей среды:
Полупроводниковые
Электровакуумные
Газоразрядные
Хемотронные (рабочая среда – жидкость)
Новая область техники – оптоэлектроника
ЛК 4 / 5

6.

ОЯЭ
По диапазону рабочих частот:
• Низкочастотные
• Высокочастотные
• сверхвысокочастотные
По мощности:
• Маломощные
• Средней мощности
• Мощные
ЛК 4 / 6

7.

ОЯЭ
ЛК 4 / 7
Режимы и параметры ПП
Понятие режима ПП прибора включает в себя совокупность
условий, определяющих его работу. Любой режим определяется
совокупностью параметров.
Режимы бывают: номинальный (типовой) – оптимальные условия
работы ЭП; предельно допустимый режим работы.
Различают режимы:
• Электрический (величины I, U)
• Механический
• Климатический
Каждый из указанных режимов характеризуется своими
параметрами.

8.

ОЯЭ
Освоение диапазона сверхвысоких частот (СВЧ)
Новые приборы:
клистроны,
магнетроны,
лампы бегущей волны (ЛБВ),
лампы обратной волны (ЛОВ),
лавинно-пролётные диоды,
диоды Ганна и др.
22_ЛК_4/ 8

9.

ОЯЭ
ЛК 4 / 9
2. Физические основы полупроводниковых приборов
Основные свойства полупроводников, резко отличающие их от
проводников, следующие:
• характер и степень зависимости электропроводности от
температуры;
• сильное влияние малых количеств примесей на
электропроводность полупроводников;
• чувствительность электропроводности к различного рода
излучениям.

10.

ОЯЭ
ЛК 4 / 10
Для создания современных полупроводниковых приборов в
качестве исходного материала применяют:
элементарные полупроводники: германий Ge, кремний Si, селен
Se, теллур Те;
соединения AIIIBV (элементы третьей и пятой группы таблицы
Менделеева), арсенид галлия GaAs, арсенид индия InAs, фосфид
галлия GaP, карбид кремния SiC и др.
Основные параметры при Т=300 К.

11.

ОЯЭ
Параметр
ЛК 4 / 11
Ge
Si
GaAs
Число атомов в 1 см3
4,42*1022
5,0*1022
4,42*1022
Атомный вес
72,60
28,09
144,63
Плотность, г*см-3
5,3267
3,328
5,32
Относительная диэлектрическая
проницаемость
16
11,9
13,1
Поле пробоя, В*см-1
105
3*105
4*105
Ширина запрещенной зоны, эВ
0,72
1,12
1,424
Собственная концентрация
носителей, см-3
2,4*1013
1,45*1010
1,79*106
Собственное удельное
сопротивление, Ом*см
47
2,3*105
108
Температура плавления, 0С
937
1415
1238

12.

ОЯЭ
Изученные понятия.
Валентные электроны
Разрешенные энергетические зоны
Запрещенная зона
Электроны проводимости
Зона проводимости
Валентная зона
Энергетическая диаграмма
Генерация
Рекомбинация
Свободные и примесные полупроводники (типы)
22_ЛК_4/ 12

13.

ОЯЭ
Дрейфовый ток
Диффузионнный ток
22_ЛК_4/ 13

14.

ОЯЭ
ЛК 4 / 14
3. Электронно-дырочный переход
Принцип действия большинства ПП-х приборов основан на
физических явлениях, происходящих в области контакта твердых
тел.
На практике используются контакты:
• Полупроводник-полупроводник
• Металл-полупроводник
• Металл-диэлектрик-полупроводник
Переход между ПП-ами n-типа и p-типа называют электроннодырочным или р-п-переходом.
Такой переход получают путем легирования примесями части
монокристалла.

15.

ОЯЭ
ЛК 4 / 15

16.

ОЯЭ
ЛК 4 / 16
Электронно-дырочный переход в состоянии равновесия
Рассмотрим р-п-переход при следующих условиях:
• Концентрация доноров NД и Nа изменяется скачком на границе
раздела (рис.а)
• Концентрация дырок в p-области (PP) значительно превышает их
концентрацию в n-области (Pn), т.е. PP >> Pn и аналогично для
электронов nn >> nP (рис.б)
Из-за разных концентраций электронов и дырок в p и n
областях на границе раздела ПП-ов возникает градиент
концентраций подвижных носителей зарядов (дырок и электронов):
dn
,
dx
dp
dx

17.

ЛК 4 / 17
ОЯЭ
Вследствие этого заряды будут диффундировать из области с
большей концентрацией в область с меньшей концентрацией, что
приведет к появлению диффузионного тока электронов и дырок,
плотность которого равна:
jn диф
где
dn
q Dn
dx
j p диф
dp
q D p
dx
q – заряд электрона
Dn и Dp – коэф-ты диффузий электронов и дырок

18.

ОЯЭ
ЛК 1 / 18
Диффузионное электрическое поле напряженностью Eдиф.
Этому полю соответствует разность потенциалов Uк между n- и
p- областями, называемая контактной .
Этот слой обеднен основными носителями и поэтому имеет
низкую электропроводность.

19.

ОЯЭ
ЛК 1 / 19
Движение неосновных носителей образует дрейфовый ток,
направленный навстречу диффузионному, т.е.
jдр + jдиф =0
Прямое включение р-п-перехода
Внешнее напряжение подключено плюсом к р- области, а
минусом к п-области.
Т.к. сопротивление р-п-перехода значительно выше
сопротивления р- и п- областей, то можно считать, что
приложенное напряжение полностью падает на переходе.

20.

ОЯЭ
22_ЛК_4/ 20
Напряженность результирующего поля падает.
Ток дрейфа при этом постоянен, т.к. он определяется
количеством неосновных носителей на границе. А это кол-во
зависит только от концентрации примесей.
При | UK | = | Uпр | толщина р-п-перехода стремится к нулю, и при
дальнейшем увеличении Uпр запирающий слой исчезает.
Вследствие этого электроны и дырки (основные носители заряда)
начинают свободно диффундировать в смежные области
полупроводника.
Через переход протекает ток, который наз-ся прямым.

21.

ОЯЭ
22_ЛК_4/ 21
Обратное включение р-п-перехода
Внешнее напряжение подключено плюсом к п- области, а
минусом к р –области и совпадает по знаку с контактной разностью
потенциалов.
Создаваемое внешним напряжением электрическое поле
совпадает по направлению с внутренним полем перехода,
увеличивая высоту потенциального барьера до UК + Uобр
Результирующая напряженность электрического поля в переходе
будет выше, что приводит к увеличению дрейфового тока
jдр >> jдиф
Направление результирующего тока противоположно
направлению прямого тока, поэтому он называется обратным
током, а напряжение вызывающее обратный ток – обратным
напряжением.

22.

ОЯЭ
22_ЛК_4/ 22
Т.о. р-п-переход обладает несимметричной проводимостью:
проводимость в прямом направлении значительно превышает
проводимость р-п-перехода в обратном направлении, что нашло
широкое применение при изготовлении ПП-х приборов.
ВАХ р-п-перехода
ВАХ представляет собой график зависимости тока во внешней
цепи р-п-перехода от значения и полярности напряжения,
прикладываемого к нему.
Эта зависимость может быть получена экспериментально или
рассчитана аналитически.
ВАХ на доске.
I I 0 (e
qU
kT
1)
kT
T
q
U
I I 0 (e T 1)