Электронно-дырочный переход

1.

Электронно-дырочный
переход
студент 1-го курса
группы 348601
Савенок Н.А.

2.

Легирование - Добавление в состав материалов примесей для изменения (улучшения)
физических и/или химических свойств основного материала
p-полупроводники - полупроводник, в котором основными носителями заряда являются дырки
n-полупроводники - полупроводники, в котором основные носители заряда - электроны
проводимости
Дрейфовый ток - электрический ток, вызванный притягиванием частиц электрическим полем.
Дрейфовый ток вызывается электрической силой: заряженные частицы выталкиваются
электрическим полем
Диффузионный ток - это ток, который протекает в полупроводнике под воздействием
температуры, света, радиации или инжекции
Эпитаксия - ориентированный рост одного кристалла на поверхности другого (эпитаксиальные
диоды) и др
Анод - это электрод, на котором происходит окисление.
Катод - это электрод, на котором происходит восстановление.

3.

Введение
Основной принцип работы электронно-дырочного перехода (или p-n
перехода) состоит в процессе диффузии.
Диффузия - неравновесный процесс перемещения (молекул и атомов в
газах, ионов в плазме, электронов в полупроводниках и т. п.) вещества из
области с высокой концентрацией в область с низкой концентрацией,
приводящий к самопроизвольному выравниванию концентраций по всему
занимаемому объёму.

4.

Полупроводники
Полупроводниками являются кристаллические вещества (т.е. твердые тела).
Для описания “внутренности” твёрдого тела подходит зонная теория
твёрдого тела.
Согласно постулатам Бора, в изолированном атоме энергия электрона
может принимать строго дискретные значения (также говорят, что электрон
находится на одной из орбиталей).

5.

В случае, когда атомы вещества объединены химической связью,
электронные орбитали расщепляются, образуя молекулярные орбитали,
количество которых пропорционально количеству атомов. При дальнейшем
увеличении системы до макро-кристалла (кол-во атомов >1020) количество
орбиталей становится очень большим, а разница энергий электронов,
находящихся на соседних орбиталях, соответственно очень маленькой,
энергетические уровни. расщепляются до практически непрерывных
дискретных наборов — энергетических зон.

6.

Энергетическая зона — это совокупность большого количества очень близких по энергии
дискретных энергетических уровней.
Энергетические зоны делятся на три типа:
1. Зона проводимости - первая из незаполненных электронами зон (диапазонов энергии, где могут
находиться электроны) в полупроводниках и диэлектриках. Электроны из валентной зоны,
преодолев запрещённую зону, при ненулевой температуре попадают в зону проводимости и
начинают участвовать в проводимости, то есть перемещаться под действием электрического поля.
Зона с высокой энергией.
2. Валентная зона - зона, образованная валентными электронами, находящимися на внешней
оболочке атома. Зона с низкой энергией.
3. Запрещенная зона - зона — область значений энергии, которыми не может обладать электрон в
идеальном (бездефектном) кристалле.

7.

По взаимному расположению этих зон вещества делят на три большие
группы:
1. Проводники - запрещенная зона отсутствует, а две другие перекрываются,
образуя одну - зону перекрытия, в которой электрон может свободно
перемещаться, получив минимальную энергию.Таким образом, электроны
свободно движутся из точки с меньшим потенциалом в точку с большим,
образуя электрический ток. К проводникам относятся все металлы.

8.

2. Полупроводники - зоны не перекрываются и расстояние между ними (ширина запрещенной зоны)
менее 2 Эв. При абсолютном нуле (-273,15 по Цельсию или 0 по Кельвину) в зоне проводимости нет
электронов, а валентная зона полностью заполнена электронами, которые не могут изменить своё
квантовомеханическое состояние. Однако при повышении температуры за счет теплового движения
часть электронов, нарастающая при повышении температуры, «забрасывается» из валентной зоны
в зону проводимости и собственный полупроводник становится электропроводным, причём его
проводимость нарастает при увеличении температуры, так как растёт концентрация носителей
заряда - электронов в зоне проводимости и дырок в валентной зоне. У полупроводников ширина
запрещенной зоны относительно невелика, поэтому для перевода электронов из валентной зоны в
зону проводимости требуется энергия меньшая, чем для диэлектрика.
3. Диэлектрики - зоны как у полупроводников не перекрываются, а ширина запрещенной более 2 Эв,
поэтому для того, чтобы перевести электрон из валентной зоны в зону проводимости требуется
значительная энергия (температура), поэтому диэлектрики ток при невысоких температурах
практически не проводят.

9.

Влияние фотона на электропроводник
Фотоны могут иметь важное влияние на полупроводники. Полупроводники
обладают широкими запрещенными зонами энергии, что означает, что
электроны в них не могут свободно перемещаться в запрещенных зонах.
Однако фотоны могут взаимодействовать с полупроводниками и вызывать
различные эффекты. Вот несколько способов, которыми фотоны влияют на
полупроводники:

10.

1. Фотоэффект: Когда фотон поглощается полупроводником, он может
выбить электрон из валентной зоны, создавая электронно-дырочную пару.
Этот эффект играет важную роль в фотоэлектрических ячейках, где свет
преобразуется в электрическую энергию.
2. Поглощение света: Фотоны с энергией, соответствующей широкой
запрещенной зоне полупроводника, могут быть поглощены, вызывая
возбуждение электронов из валентной зоны в зону проводимости. Это может
привести к изменению электрических свойств полупроводников, таких как
проводимость или оптические свойства.

11.

3. Эмиссия света: Полупроводники также могут испускать свет при
взаимодействии с фотонами. Это явление называется люминесценцией.
Например, светодиоды и лазеры основаны на принципе
электролюминесценции, при котором электроны переходят из зоны
проводимости в валентную зону и испускают фотоны определенной энергии
в видимом диапазоне.
4. Фотопроводимость: В некоторых полупроводниках поглощение фотонов
может вызывать увеличение проводимости материала. Это явление
называется фотопроводимостью и используется, например, в фотодиодах и
фототранзисторах для обнаружения света.
5. Фотоактивация химических реакций: Некоторые полупроводники могут
служить катализаторами химических реакций под воздействием света.
Фотоны могут передавать энергию электронам в зоне проводимости, что
может ускорить химические процессы на поверхности полупроводника.

12.

Для дальнейшего продвижения в теме стоит ввести некоторые термины. В
первую очередь “дырки”:
Дырка – это отсутствие электрона в валентной зоне, которая является зоной
энергетического уровня, заполненного электронами. В валентной зоне
электроны могут образовывать связи с другими атомами в кристаллической
решётке полупроводника. Когда электрон перемещается из валентной зоны
в зону проводимости, он оставляет за собой дырку в валентной зоне. Дырка
ведет себя, как положительно заряженная частица и может перемещаться в
полупроводнике, заполняясь электронами соседних атомов.
Таким образом, электроны в полупроводнике могут перемещаться путем
заполнения дырок. Важно отметить, что концепция дырок является удобным
способом описания проводимости в полупроводниках, особенно при анализе
электронных переходов и электрических свойств материала.

13.

P- и N-полупроводники
P-проводник и n-проводник - это два типа полупроводников, отличающихся
своей проводимостью и концентрацией основных носителей заряда.
P-проводник: P-проводник (от английского "positive", что означает
"положительный") обладает избытком дырок (отсутствием электронов в
валентной зоне) и служит как "дырочный" полупроводник. Дырки могут
рассматриваться как эффективно движущиеся положительные заряды. Pпроводники могут быть получены путем легирования (внесения примеси)
основного полупроводника (как правило, кремния или германия) с примесями
из группы третьего элемента (например, бор, галлий или алюминий). Эти
примеси называются акцепторами, и они создают дополнительные дырки в
кристаллической решетке полупроводника.

14.

N-проводник: N-проводник (от английского "negative", что означает
"отрицательный") обладает избытком электронов в зоне проводимости и
служит как "электронный" полупроводник. N-проводники могут быть
получены путем легирования основного полупроводника примесями из
группы пятого элемента (например, фосфора, арсенида или антимонида).
Эти примеси называются донорами, и они вносят дополнительные
электроны в зону проводимости полупроводника.
Легирование полупроводников позволяет изменять их электрические
свойства и создавать материалы с нужными типами проводимости.
Управление типом проводимости полупроводников является ключевым
аспектом в проектировании и изготовлении полупроводниковых устройств,
таких как диоды, транзисторы и интегральные схемы

15.

Электронно-дырочный переход
1.Определение и процесс
Электронно-дырочный переход (также известный как pn-переход) - это
структура, образуемая контактированием полупроводников с различными
типами проводимости (p-типа и n-типа). При этом p-тип полупроводник
содержит избыток дырок (недостатокэлектронов), а n-тип полупроводник
содержит избыток электронов (недостаток дырок).
Электроны в n-области стремятся проникнуть в p-область, где концентрация
электронов значительно ниже. Аналогично, дырки из p-области перемещаются в nобласть. В результате встречного движения противоположных зарядов в месте
контакта таких полупроводников возникает диффузный электрический ток. Из-за
этого на границе между областями почти отсутствуют подвижные носители
электрического заряда, но при этом присутствуют ионы примеси с
некомпенсированными зарядами.

16.

Область в р-проводнике, примыкающая к границе, получает отрицательный
заряд (переносимый электронами), а пограничная область n-полупроводника
получает положительный заряд, который приносится дырками. Таким
образом на границе полупроводников образуются два слоя с
пространственными зарядами с разными знаками, которые порождают
электрическое поле. Это способствует возникновению дрейфового тока в
направлении противоположном диффузному. Между ними, про прошествии
некоторого времени, возникает динамическое равновесие, приводящее к
прекращению изменения пространственных зарядов.
Электроны и дырки, перейдя через границу раздела, оставляют после себя
противоположные заряды, которые препятствуют дальнейшему
прохождению диффузионного тока. В результате на границе
устанавливается динамическое равновесие и при замыкании n и p областей
ток в цепи не протекает.

17.

Способы создания p-n перехода
На данном этапе стоит понимать, что pn-переход не возникнет при простом
соединении образцов разных полупроводников. Для осуществления
перехода есть три основных способа:
1. Вплавление (англ. melt-in): Этот метод включает нагрев
полупроводникового материала до температуры плавления и введение
примесей (доноров или акцепторов) в расплав. Затем материал
охлаждается, и примеси интегрируются в его структуру. В результате
формируется pn-переход. Этот метод часто используется для создания
больших pn-переходов, например, в мощных диодах или тиристорах

18.

2. Диффузия: Этот метод включает нагрев полупроводникового материала и
введение примесей в виде газа, пара или пленки на его поверхность. При
нагреве примеси диффундируют в материал и интегрируются в его
структуру. Точка введения примесей и условия процесса диффузии
определяют формирование pn-перехода. Данный метод широко
используется в производстве полупроводниковых устройств, таких как диоды
и транзисторы.

19.

3. Эпитаксиальное осаждение (англ. epitaxial deposition): Этот метод
включает осаждение тонкого слоя полупроводникового материала на
подложку с использованием химических реакций или физических процессов.
В эпитаксиальном слое можно создать зону с примесями, чтобы получить
pnпереход. Обычно это достигается изменением состава осаждаемого
материала или добавлением примесей во время процесса осаждения.
Эпитаксиальное осаждение широко используется при производстве
интегральных схем и других сложных полупроводниковых устройств.

20.

Применение PN-перехода
Полупроводниковый pn-переход является основным строительным блоком множества
электронных устройств. Вот некоторые области, где применяется pnпереход:
1. Диоды: PN-переходы используются для создания диодов, которые пропускают
электрический ток только в одном направлении. Диоды широко применяются в электронике
для выпрямления переменного тока в постоянный ток, защиты от обратной полярности,
стабилизации напряжения и детектирования сигналов.
2. Транзисторы: Биполярные и полевые транзисторы, которые являются ключевыми
элементами микроэлектроники, также используют pn-переходы. Биполярные транзисторы
(например, транзисторы типа NPN или PNP) используются для усиления и коммутации
электрических сигналов, а полевые транзисторы (например, MOSFET или JFET)
используются для управления током и напряжением в электронных схемах.

21.

3. Фотодиоды: PN-переходы могут быть специально разработаны для
преобразования световой энергии в электрический сигнал. Фотодиоды
используются для обнаружения света, фотоэлектрического преобразования,
оптической связи и других приложений, где требуется чувствительность к свету.
4. Солнечные батареи: Солнечные батареи, или солнечные элементы,
используют pn-переходы для преобразования солнечного света в электрическую
энергию. При освещении фотонами света в полупроводниковом слое солнечной
батареи генерируются электрические заряды, что приводит к появлению
напряжения и тока.
5. Лазеры и светодиоды: PN-переходы применяются в полупроводниковых
лазерах и светодиодах (Light Emitting Diodes, LED). В светодиодах pn-переход
генерирует свет при прямом пропускании тока через него, а в лазерах pnпереход используется для создания и усиления когерентного света.

22.

Спасибо за внимание