261.09K

Category:

physics

Электрический ток в полупроводниках. Лекция №9

1.

Лекция № 9
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК В
ПОЛУПРОВОДНИКАХ
66
1

2.

ВОПРОСЫ
26. Полупроводники. Температурная
зависимость сопротивления
полупроводников. Собственная и
примесная проводимость в
полупроводниках.
66
2

3.

27. Контакт двух полупроводников с
различным типом проводимости (p-n
переход). Полупроводниковые
диоды и триоды. Принцип работы
диода. Прямое и обратное
включение. ВАХ диода.
66
3

5.

26. Полупроводники.
Температурная зависимость
сопротивления полупроводников.
Собственная и примесная
проводимость в полупроводниках.
66
5

6.

У полупроводников размеры
запрещённой зоны больше, чем у
металлов, но меньше, чем у
диэлектриков
(у полупроводников и у диэлектриков
валентная зона заполняется
полностью).
66
6

Следовательно, для перевода
электрона в зону проводимости
нужно больше энергии.
Энергии теплового движения
электронов достаточно, чтобы
несколько штук попали в зону
проводимости. Такие кристаллы
называются полупроводниками.
Если тепловая энергия много
меньше запрещённой зоны, то это
диэлектрик.
66
7

8.

66
8

9.

Итак, при Т = 0 К все электроны у
полупроводника находятся в
валентной зоне.
При комнатной температуре часть
электронов
(10–10 от общего числа) переходят в
зону проводимости.
Эти электроны становятся
электронами проводимости.
66
9

10.

На освободившееся место может
переместиться другой электрон,
значит вакансия окажется в другом
месте. Такое перемещение вакансии
равносильно движению
положительного заряда.
Такую квазичастицу называют
дыркой.
66
10

11.

66
11

12.

В чистых полупроводниках число
дырок равно числу электронов
проводимости.
Проводимость называют
собственной, сами кристаллы –
собственными полупроводниками.
Уровень Ферми находится
посередине запрещённой зоны.
66
12

13.

Концентрация носителей тока
nn = np = n exp(– W/2kT),
nn, np – концентрация электронов и
дырок,
W – ширина запрещённой зоны,
n – постоянная, некоторая начальная
концентрация.
66
13

14.

nn, np
66
Т
14

15.

Примесная проводимость в
полупроводниках.
В полупроводнике (германий Ge,
кремний Si и многие химические
соединения, например, арсенид
галлия, арсенид индия и др.) каждый
атом обладает 4 валентными
связями, у каждого атома 4 соседа.
66
15

16.

В собственных полупроводниках при
температуре абсолютного нуля
(Т = 0 К) валентная зона заполнена
электронами полностью, а зона
проводимости пуста.
Валентная зона отделена от зоны
проводимости запрещенной зоной.
66
16

17.

66
17

18.

Если добавить примесный атом с
валентностью 5 (P фосфор, As
мышьяк, Sb сурьма), то один
валентный электрон оказывается
лишним, он не идёт на связь,
теряется, а атом примеси становится
положительно заряженным.
Такие примеси называют донорными
атомами, полупроводник n – типа, а
проводимость электронная.
66
18

19.

66
19

20.

66
20

21.

Если ввести 3-х валентные атомы
(B бор, Al алюминий, Ga галлий, In
индий), то, наоборот, одна связь
оказывается пустой, образуется
дырка.
Такие атомы называют акцепторами,
полупроводники – p-типа, а
проводимость дырочная.
66
21

22.

66
22

23.

66
23

24.

Чтобы повысить проводимость
чистого кремния в 1000 раз нужно
добавить бора в количестве 10-5
атомных частей.
Зависимость концентрации
электронов донорного
происхождения или дырок
акцепторного происхождения:
n = const · exp(- Wd,a /2kT),
66
24

25.

Wd,a – размер запрещённой зоны
для донорных и акцепторных
примесей в полупроводнике.
Если Wd,a << kT << W, то все
доноры и акцепторы ионизированы.
66
25

26.

66
26

27.

27. Контакт двух полупроводников с
различным типом проводимости
(p-n переход).
Полупроводниковые диоды и
триоды.
Принцип работы диода.
Прямое и обратное включение.
ВАХ диода.
66
27

28.

В простейшей модели квантовой
теории электроны, находящиеся на
валентном уровне, в металлах,
рассматриваются как идеальный
ферми-газ в потенциальном ящике с
плоским дном.
Потенциал точки нахождения
электрона положителен, но
потенциальная энергия электрона
отрицательна
WP0 = (-e)(+φ) < 0.
66
28

29.

φ
AВ = eφ
WP0
WF
66
29

30.

При Т = 0 К все энергетические
состояния равномерно заполнены
попарно электронами с
противоположным направлением
спинов в каждом состоянии, начиная
от дна потенциальной ямы, вплоть
до максимальной энергии Ферми,
66
30

31.

АВ – работа выхода электрона из
металла, отсчитываемая от уровня
Ферми, последнего энергетического
уровня, занятого электронами, а не
от дна потенциальной ямы, как в
классической теории.
Работа выхода – минимальная
энергия, которую необходимо
затратить для удаления электрона
из металла в вакуум.
66
31

32.

Если электрон находится на самом
нижнем уровне, то eφ = WP0,
если на уровне Ферми, то
eφ = WP0 – WF,
φ – потенциал выхода.
Эти выводы для T = 0 К.
66
32

33.

Если добавить избыточный
отрицательный заряд металлу, то
увеличим энергию, уменьшим
потенциал.
Если добавить положительный, то
наоборот, уменьшаем энергию,
увеличиваем потенциал.
66
33

34.

WP = 0
φ=0 W
P0
WP0
«Поверхность атома»
66
34

35.

Контактная разность потенциалов
Если привести в соприкосновение
два разных металла, между ними
возникает разность потенциалов,
называемая контактной.
66
35

36.

До соприкосновения
1
WP1
2
eφ1
eφ2
WF1
WP2
WF2
66
36

37.

После соприкосновения
1
WP = 0
WP1
2
eU12
eφ2
eφ1
WP2
WF1
WF2
eU'12
66
37

38.

При eφ1 > eφ2, электроны с более
высоких уровней будут переходить
на более низкий, из 1-го во 2-й.
66
38

39.

Условие равновесия – равенство
полных энергий, соответствующих
уровню Ферми.
При этом условии уровни Ферми
обоих металлов на одинаковой
высоте.
66
39

40.

При этом, потенциал на поверхности
первого металла будет выше, чем на
поверхности второго на
eφ 2 eφ1
U12
φ 2 φ1
e
– контактная разность потенциалов
(внешняя).
66
40

41.

WF 1 WF 2
U12
e
– внутренняя разность потенциалов.
Контактная разность потенциалов
имеет место и на границе между
металлом и полупроводником, а
также на границе между двумя
полупроводниками.
66
41

42.

Диод – тонкий слой на границе
между двумя областями одного и
того же кристалла, отличающимися
типом примесной проводимости или
устройство, в котором величина
проводимости зависит от
направления электрического тока
(в одном направлении ток идёт, в
другом направлении нет).
66
42

43.

66
43

44.

Для получения n-р перехода
используют метод плавления,
эпитаксиальный метод, метод
ионного легирования.
В образец чистого полупроводника,
например, германия, вводят две
примеси – донорную (мышьяк) и
акцепторную (индий).
66
44

45.

В результате в одной половине
образца возникает полупроводник
n-типа (электронная проводимость),
а в другой – полупроводник р-типа
(дырочная проводимость).
Концентрация носителей в
собственном полупроводнике
составляет 1019 м 3;
концентрация неосновных носителей
составляет 1016 м 3.
66
45

46.

Из-за большого различия в
концентрации основных и
неосновных носителей при Т 0 К
возникают диффузионные потоки:
электронов из
полупроводника n-типа в
полупроводник р-типа и дырок из
полупроводника р-типа в
полупроводник n-типа.
66
46

47.

При этом область
полупроводника n-типа вблизи
контакта, заряжается положительно,
а область полупроводника р-типа
вблизи контакта заряжается
отрицательно.
На границе возникает двойной слой
из электронов и дырок –
запирающий слой.
66
47

48.

66
48

49.

Электрическое поле в этом
запирающем слое направлено так,
что противодействует дальнейшему
переходу через слой основных
носителей тока.
66
49

50.

Происходит понижение уровня
Ферми в полупроводнике n-типа и
повышение его в
полупроводнике р-типа.
Процесс перехода электронов из
полупроводника n-типа и дырок из
полупроводника р-типа будет
происходить до тех пор пока уровни
Ферми не сравняются, и затем
устанавливается динамическое
равновесие.
66
50

51.

66
51

52.

Поток электронов из n (слева) в р
(справа) уравновешивается потоком
электронов из р (справа) в n (слева).
Аналогичный процесс происходит и с
дырками. Таким образом, уход
электронов из приконтактного слоя
полупроводника n-типа приводит к
возникновению в этом слое
объемного положительного заряда
ионизированных атомов донорной
примеси.
66
52

53.

Аналогично в полупроводнике p-типа
образуется объёмный
отрицательный заряд
ионизированных атомов акцепторной
примеси.
Между этими слоями возникает
контактная разность потенциалов,
создающая в n-p переходе
потенциальный барьер
рn = WFn – WFp,
66
53

54.

Этот барьер препятствует переходу
электронов из
полупроводника n-типа в
полупроводник р-типа и дырок из
полупроводника р-типа в
полупроводник n-типа.
Таким образом, в состоянии
равновесия ток через n-p переход
отсутствует.
66
54

55.

Приложим к n-p переходу внешнюю
разность потенциалов U, подключив
к р-области положительный полюс
источника напряжения,
а к n-области – отрицательный.
Внешняя разность потенциалов
вызовет понижение потенциального
барьера для основных носителей.
Ширина контактного слоя
уменьшится.
66
55

56.

Под действием электрического поля
поток электронов из n- в р-область и
поток дырок из р- в n-область
увеличится, что приведет к
возникновению прямого тока за счет
движения основных носителей.
В то же время ток не основных
носителей останется неизменным,
так как концентрация их не зависит
от потенциального барьера n-p
перехода.
66
56

57.

66
57

58.

Если приложить к n-p переходу
внешнюю разность потенциалов U в
обратном направлении, подключив к
р-области отрицательный полюс
источника напряжения, а к n-области
– положительный, то под действием
этой разности потенциалов
потенциальный барьер n-p перехода
повысится,
66
58