Физические основы работы полупроводниковых приборов

1. Физические основы работы полупроводниковых приборов

2. Электропроводность полупроводников

• Полупроводниками называются материалы, занимающие
промежуточное положение между проводниками и
диэлектриками
• Металлические проводники имеют свободные электроны –
носители электрических зарядов (электронная
проводимость)
• Диэлектрики свободных электронов не имеют, поэтому они
не проводят тока
• Полупроводники имеют электронную, и «дырочную»
проводимости
• Эти проводимости в сильной степени зависят от
- температуры,
- освещенности,
- сжатия,
- электрического поля и других факторов

3. Электропроводность полупроводников

• Химическую связь двух соседних
атомов с образованием на одной
орбите общей пары электронов
называют ковалентной или
парноэлектронной и условно
изображают двумя линиями,
соединяющими электроны
• Например, каждый атом в
кристалле германия образует
ковалентные связи с четырьмя
соседними атомами

4. Электропроводность полупроводников

• При отсутствии примесей и температуре, близкой к
абсолютному нулю, все валентные электроны атомов в
кристалле германия взаимно связаны и свободных электронов
нет, так что германий не обладает проводимостью
• При повышении температуры или при облучении
увеличивается энергия электронов, что приводит к частичному
нарушению ковалентных связей и появлению свободных
электронов. Уже при комнатной температуре под действием
внешнего электрического поля свободные электроны
перемещаются и в кристалле возникает электрический ток
• Электропроводность, обусловленная перемещением
свободных электронов, называется электронной
проводимостью полупроводника или п-проводимостью

5. Электропроводность полупроводников

• При появлении свободных электронов в ковалентных
связях образуется свободное (вакантное) место —
«электронная дырка»
• Так как дырка возникла в месте отрыва электрона от
атома, то в области ее образования возникает
избыточный положительный заряд
• При наличии дырки какой-либо из электронов соседних
связей может занять место дырки и нормальная
ковалентная связь в этом месте восстановится, но будет
нарушена в том месте, откуда ушел электрон
• Новую дырку может занять еще какой-нибудь
электрон и т.д.

6. Электропроводность полупроводников

• Условное изображение схемы образования
и заполнения дырки:
- В установленной наклонно подставке
имеется четыре отверстия (дырки), в
которых расположено четыре шара
(электрона)
- Если шар 1 сместится вправо, то он
освободит отверстие (дырку) и упадет с
подставки, а в отверстие, которое
занимал этот шар, переместится шар 2
- Свободное отверстие (дырку) шара 2
займет шар 3, а отверстие последнего
шар 4.
• Перемещение дырок подобно
перемещению положительных зарядов и
называется дырочной электропроводностью

7. Электропроводность полупроводников

• Под действием внешнего электрического поля дырки
перемещаются в направлении сил поля, т. е.
противоположно перемещению электронов
• Проводимость, возникающая в результате
перемещении дырок, называется дырочной
проводимостью, или р-проводимостью
• Вывод:
- при электронной проводимости один свободный
электрон проходит весь путь в кристалле,
- при дырочной проводимости большое число
электронов поочередно замещают друг друга в
ковалентных связях и каждый из них проходит свой
отрезок пути

8. Электропроводность полупроводников

• В кристалле чистого полупроводника при нарушении
ковалентных связей возникает одинаковое число свободных
электронов и дырок
• Одновременно с этим происходит обратный процесс —
рекомбинация, при которой свободные электроны заполняют
дырки, образуя нормальные ковалентные связи
• При определенной температуре число свободных электронов
и дырок в единице объема полупроводника в среднем
остается постоянным
• При повышении температуры число свободных электронов и
дырок сильно возрастает и проводимость германия
значительно увеличивается, т. е полупроводники имеют
отрицательный температурный коэффициент сопротивления
• Электропроводность полупроводника при отсутствии в нем
примесей называется его собственной электропроводностью
• Свойства полупроводника в сильной степени меняются
при наличии в нем ничтожного количества примесей

9. Электропроводность полупроводников

• Донорная примесь:
- В кристаллической решетке один
атом германия замещаем атомом
пятивалентного вещества
(мышьяка, сурьмы, фосфора)
- Четыре электрона этого вещества
образуют заполненные связи с
соседними атомами германия
- Пятый электрон окажется
свободным
• Такая примесь увеличивает
электронную проводимость (nпроводимость) и называется
донорной

10. Электропроводность полупроводников

• Акцепторная примесь:
- Атом германия замещается атомом
трехвалентного вещества (индий, галий,
алюминий)
- Электроны примеси вступают в ковалентную
связь с тремя соседними атомами германия
- Связь с четвертым атомом германия будут
отсутствовать, так как у индия нет четвертого
электрона
• Восстановление всех ковалентных связей
возможно, если недостающий четвертый
электрон будет получен от ближайшего атома
германия
• На месте электрона, покинувшего атом
германия, появится дырка, которая может быть
заполнена электроном из соседнего атома
германия
• Последовательное заполнение свободной связи
эквивалентно движению дырок

11. Электропроводность полупроводников

• В полупроводниках имеются два вида носителей
заряда: электроны и дырки
• Основные носители заряда определяют собой вид
проводимости в примесном полупроводнике (дырки в
р-полупроводнике и электроны в п-полупроводнике)
• Неосновные носители заряда имеют противоположный
знак (электроны в р-полупроводнике и дырки в пполупроводнике)
• Концентрация основных носителей заряда значительно
превышает концентрацию неосновных носителей
• Электрический ток образуется одновременным
движением основных и неосновных носителей

12. Образование и свойства p-n перехода

Контактное соединение двух полупроводников, с
электронной проводимостью (п-типа) и дырочной
(р-типа).
В результате большой концентрации электронов в
полупроводнике п они будут диффузировать из
первого полупроводника во второй
Аналогично будет происходить диффузия дырок
из второго р-типа полупроводника в первый п-типа.
В тонком пограничном слое полупроводника птипа возникает положительный заряд, а в
пограничном слое полупроводника р-типа —
отрицательный заряд
Между этими слоями возникает paзность
потенциалов (потенциальный барьер) и
образуется электрическое поле напряженностью Еп,
которая препятствует диффузии электронов и
дырок из одного полупроводника в другой
На границе двух полупроводников возникает
тонкий слой, обедненный носителями зарядов
(электронов и дырок) и обладающий большим
сопротивлением
Этот слой называется запирающим или р-ппереходом

13. Образование и свойства p-n перехода

• Вследствие теплового движения в
электрическое поле р-п-перехода
попадают неосновные носители
зарядов (электроны из р-области и
дырки из п-области).
• Движение неосновных носителей
зарядов под действием сил поля р-пперехода направлено встречно
диффузионному току основных
носителей и называется дрейфовым
или тепловым током
• При отсутствии внешнего электрического
поля дрейфовый ток уравновешивается
диффузионным и суммарный ток через
р-п-переход равен нулю.

14. Образование и свойства p-n перехода

15. Образование и свойства p-n перехода

Включение р-п-перехода
Полупроводниковый диод обладает односторонней проводимостью,
т.е. является электрическим вентилем

16. Образование и свойства p-n перехода

Виды пробоя
• При достижении обратным напряжением
некоторого критического значения Uкр
обратный ток возрастает
• Этот режим называется пробоем р-пперехода
• С практической точки зрения
целесообразно различать два вида
пробоя:
- Электрический пробой не опасен для
p-n-перехода: при отключении
источника обратного напряжения
вентильные свойства электроннодырочного перехода полностью
восстанавливаются
- Тепловой пробой приводит к
разрушению кристалла и является
аварийным режимом

17. Образование и свойства p-n перехода

Электрический пробой
• Вызывается совместным действием двух факторов:
- ударной ионизацией атомов, когда под действием обратного
напряжения электроны проводимости приобретают энергию,
достаточную для отрыва других электронов при столкновении с
атомами кристалла. При этом происходит лавинообразное
увеличение количества носителей заряда и ток возрастает
- туннельным эффектом, который выражается в том, что электрон
с энергетического уровня области р проникает сквозь
потенциальный барьер без потери энергии на такой же
энергетический уровень области п. При увеличении напряжения
до Uкр вероятность таких переходов возрастает, что и приводит к
увеличению обратного тока. Туннельный эффект связан с
волновыми свойствами электрона

18. Вольтамперная характеристика p-n перехода

Тепловой пробой
• Возникает при недостаточном охлаждении кристалла
- В этом случае температура p-n-перехода повышается
- Это приводит к увеличению генерации носителей
зарядов, увеличению тока и дальнейшему
повышению температуры
- В конечном счете, кристалл разрушается
• Для борьбы с тепловым пробоем полупроводниковые
приборы снабжаются устройствами, повышающими
теплоотдачу (радиаторы)