Лекция2 проводимость полупроводников виды проводимости

Вид материала

Лекция

Содержание Р — дырочный ток. Проводимость, возникающая в полупроводнике вследствие нарушения валентных связей, называется собственной прово Влияние примесей на проводимость полупроводника Свойства германия с примесями Полупроводниковые диоды Е, направление которого совпадает с направлением электрического поля контакта Е 3 — первый электрод (кристаллодержатель); 4 Статические характеристики и параметры R — сопротивление полупроводникового диода — в омах. Формула (90) и характеристика сопротивления R Эксплуатационные свойства Типы и маркировка полупроводниковых Температурный коэффициент стабилизации напряжения Динамическое сопротивление 2 — полупроводник с р — п-пе· Полупроводниковые триоды (транзисторы) Схемы включения транзисторов типов п—р—п и р—п—р Характеристики транзисторов Только следует иметь в виду, что напряжение источников питания обычно составляет: E Частотные свойства Типы, маркировка и эксплуатация Е, сопротивления нагрузки R ... Полное содержание

Подобный материал:

• «Введение в теорию полупроводников», 89.67kb.
• 1. Энергетические зоны и свободные носители заряда в твердых телах. Уровень Ферми, 21.7kb.
• Электрический ток в газах самостоятельная и несамостоятельная проводимость газов, 128.37kb.
• Полимерные системы в катализе и электрокатализе возможности и перспективы, 16.03kb.
• Программа Государственного экзамена по подготовке магистра по направлению «Физика полупроводников., 53.9kb.
• Ii. Свойства полупроводников. Полупроводниковые приборы. Общие свойства полупроводников, 14.35kb.
• Конференция посвящена 50-летию создания Института физики полупроводников им., 59.44kb.
• Рабочая программа дисциплины «физическое материаловедение полупроводников-1», 98.52kb.
• Программу составил профессор, д ф. м н. В. Д. Кулаковский Аннотация, 94.53kb.
• Авторы программы: доцент Морозов В. Б., доцент Соломатин В. С., профессор Шувалов, 87.32kb.

ЛЕКЦИЯ2


ПРОВОДИМОСТЬ ПОЛУПРОВОДНИКОВ

ВИДЫ проводимости

В современной электронике практическое применение имеют следующие полупроводники: германий, кремний, селен, окись меди и др. Вокруг ядра атома германия, содержащего 32 протона, на четырех оболочках находятся 32 электрона; расположенные на наружной оболочке 4 валентных электрона и определяют электропроводность германия. Схематически кристаллическая решетка

чистого германия представлена на рис. 69. Объединение атомов германия в кристаллическую решетку осуществляется при помощи ковалентных, или атомных, связей.

Вследствие теплового возбуждения происходит ионизация отдельных атомов кристаллической решетки, т. е. некоторые из валентных электронов становятся свободными, обусловливая электронную проводимость германия. В результате столкновений с ионами и атомами часть

свободных электронов теряет энергию. Они возвращаются в валентную зону и занимают свое место в парноэлектронных связях. Одновременно с этим появляются новые свободные электроны. Наконец, устанавливается динами-чекое равновесие между освобождающимися электронами и возвращающимися в валентную зону.

В полупроводнике наряду с электроном имеет

место так называемая дырочная проводимость. После отрыва электрона от атома остается свободное место, которое называют дыркой. Валентный электрон соседнего нейтрального атома может перейти на притягивающий его атом с дыркой и заполнить освободившуюся связь. При этом дырка как бы «переходит» к соседнему атому. Если к полупроводнику не приложено внешнее электрическое поле, то дырки, так же как и свободные электроны зоны проводимости, перемещаются беспорядочно. Если полупроводник поместить в электрическое поле, то движение дырок становится направленным. Это направленное движение дырок от одного атома к другому соответствует движению положительных зарядов через полупроводник, а следовательно, и протеканию через полупроводник тока в направлении движения дырок. Проводимость полупроводника, вызванная движением дырок, называется дырочной или проводимостью типа ρ (от латинского слова positive — положительный), в отличие от проводимости типа n (от латинского слова


negative — отрицательный), обусловленной движением электронов.

Токи, вызванные электронной и дырочной проводи-мостями, совпадают по направлению и поэтому

(87)

где I_n — электронный ток; I _Р — дырочный ток.

Проводимость, возникающая в полупроводнике вследствие нарушения валентных связей, называется собственной проводимостью.

Таким образом, проводимость полупроводника определяется как движением электронов в зоне проводимости, так и движением электронов в валентной зоне, однако принято считать, что в валентной зоне перемещаются не электроны, а дырки.

Влияние примесей на проводимость полупроводника

Чистые полупроводники редко применяются в полупроводниковой технике. Обычно используются примесные полупроводники. Введение в полупроводник атомов соответствующей примеси способствует образованию дополнительных носителей тока, что приводит к по-

вышению электропроводности иногда в десятки миллионов раз. В чистом полупроводнике«поставщиком» электронов в зону проводимости может быть валентная зона. Введение примесей в полупроводник должно способствовать переходу электронов в зону проводимости.

Существуют два вида примесей.

В примесях первого вида энергетические уровни электронов примеси располагаются в запрещенной зоне полупроводника вблизи зоны проводимости. Поэтому атомы примеси, являясь поставщиками электронов в зону проводимости, легко отдают в нее электроны, поскольку электронам при этом следует сообщить меньшую энергию

, а не , как в полупроводнике без примеси

(рис. 70, а). Примесные уровни при температуре выше абсолютного нуля отдают свои электроны в зону проводимости тем интенсивнее, чем выше температура полупроводника. Примесные уровни такого вида называются донорными уровнями, а сами примеси — донорами (do-nare — дарить, лат.).

Примесные уровни второго вида называются акцепторными, а сами примеси — акцепторами. Акцепторные уровни располагаются около валентной зоны. При абсолютном нуле температуры акцепторные уровни свободны, т. е. не заполнены. Поэтому при температуре, отличной от абсолютного нуля, на такие уровни могут перейти электроны из валентной зоны, и так как <3

, то число этих электронов будет больше, чем количество электронов, переходящих в зону проводимости (рис. 70, б). Уход электронов из валентной зоны дает возможность оставшимся здесь электронам, при наличии постороннего электрического поля, принять участие в проводимости в пределах этой зоны. При этом, как указывалось выше, дырки будут двигаться в направлении действия электрического поля.

Таким образом, электропроводность полупроводника можно увеличить путем введения до норной примеси (за счет возрастания электронов в зоне проводимости) либо путем введения акцепторной примеси (за счет возрастания числа дырок в валентной зоне).

Свойства германия с примесями

В настоящее время из полупроводниковых элементов наибольшее применение нашли германий и кремний. Германий является очень редким элементом: содержание его в земной коре составляет менее 7 -10^-4 %. Исходным продуктом для получения чистого германия является двуокись германия (GeO.,), восстанавливаемая в водороде.

Кремний, наоборот, — один из самых распространенных элементов в природе и запасы его неисчерпаемы. Однако получение чистого кремния затруднено из-за высокой температуры плавления (более 1400° С) и большой химической активности в жидком состоянии.



Если в четырехвалентный германий добавить пятивалентный мышьяк или фосфор (донорную примесь), то примесные атомы займут в кристаллической решетке места отдельных атомов германия. При этом около каждого атома примеси остается один валентный электрон, не связанный с окружающими атомами германия (рис. 71).

При температуре, отличающейся от абсолютного нуля, этот электрон может покинуть атом примеси и стать свободным, причем возникновение свободных электронов не

Рис. 71. Кристаллическая решетка германия с примесью фосфора.

Рис. 72. Кристаллическая решетка четырехвалентного германия с примесью трехвалентного индия.

личество свободных электронов в зоне проводимости остается прежним. Для того чтобы электрон от атома германия перешел к атому примеси, ему надо сообщить энергию порядка 0,1 эв, в то время как для того, чтобы электрону от примесного атома перейти в зону проводимости, надо затратить энергию в 0,72 эв. При обычной комнатной температуре большинство электронов германия переходит к примесным атомам. Германий с акцепторной примесью называется германием р-типа.

В германии и-типа много свободных электронов, они рекомбинируют с дырками и уменьшают их количество; аналогично в германии р-типа много дырок, они рекомбинируют с электронами и уменьшают их количество.

При значительной концентрации примеси проводимость полупроводника определяется основными примесными носителями. Так, в германии л-типа основными носителями являются электроны, неосновными — дырки, а в германии р-типа основными носителями являются дырки, а неосновными — электроны.

Примесные полупроводники электрически нейтральны и обладают проводимостью, определяемой видом примеси.









никает за счет избытка здесь положительных зарядов, которые являются неподвижными ионами — акцепторами. Он не уравновешивает зарядов подвижных электронов, так-как часть электронов перешла в р-область, а часть реком-бинировала с дырками, поступившими из этой области. Аналогичные явления происходят и в приконтактном слое р-области, но с зарядами противоположных знаков. В пограничной зоне образуется электрическое поле кон-

быть присоединен к n-области, а отрицательный — к р-области (рис. 74, а). Переключатель Π должен находится в положении 1. Внешнее электрическое поле вызовет перемещение дырок к отрицательному полюсу батареи, а электронов — к положительному, т. е. движение дырок и электронов будет происходить от границы n—р-пере-хода. По цепи пройдет кратковременный ток. Контактная разность потенциалов φ станет выше (рис. 74, б). Следует иметь в виду, что в цепи будет иметь место и некоторый ток, определяемый также неосновными носителями.

Если переключатель Π поставить в положение 2 (рис. 74, а), то основные носители под действием внешнего поля переместятся к границе перехода и соответственно

ЛЕКЦИЯ 3

ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ

Односторонняя проводимость электронно-дырочного перехода

Каждый, отдельно взятый полупроводник п- или р-типа обладает двусторонней проводимостью: если изменить направление электрического поля, приложенного к полупроводнику, то в нем изменится лишь направление а не величина тока.

Рассмотрим контакт двух полупроводников — одного с электронной и второго с дырочной проводимостью. При этом следует помнить, что в каждом полупроводнике имеются основные и неосновные носители тока. Распределение их в электронно-дырочном переходе показано на рис. 73. По оси ординат, в некотором масштабе, отложена концентрация N электронов и дырок на единицу объема в полупроводниках типа n и ρ; x — расстояние от границы перехода (рис. 73, а).

Пока электроны и дырки находились в соответствующих областях полупроводников, эти области были электрически нейтральны. При наличии контакта между полупроводниками с разными типами проводимости происходит диффузионное перемещение электронов из полупроводника типа n в полупроводник типа ρ и дырок из полупроводника типа ρ в полупроводник типа п. В прикон-тактном слое полупроводника типа n образуется избыточный положительный заряд, а в приконтактном слое полупроводника типа ρ — избыточный отрицательный заряд.

На рис. 73, б представлено изменение плотности зарядов q, появившихся вследствие диффузии основных носителей, с расстоянием от границы перехода х. Положительный заряд в приконтактном слое n-области воз-

тактной разности потенциалов Е_к, препятствующее дальнейшей диффузии, т. е. перемещению основных носителей (рис. 73, б). Между полупроводниками появляется контактная разность потенциалов (потенциальный барьер), и диффузия прекращается.

Если к n—р-переходу приложить внешнее электрическое поле Е, направление которого совпадает с направлением электрического поля контакта Е_к, то суммарное электрическое поле Ε_ς будет равно

E_Σ = E+E_к.

При этом положительный полюс внешней батареи должен

Рис. 73. Электронно-дырочный переход: а — концентрация электронов и дырок; б — плотность зарядов у границы перехода; в — контактная разность потенциалов.




Потенциальный барьер при этом станет меньше, и в цепи установится ток. Если величина внешнего электрического поля Ε окажется больше электрического поля в пограничной зоне Е_к, то потенциального барьера не станет. Через


Принцип действия и устройство полупроводниковых диодов


Полупроводниковый диод представляет собой прибор с одним электронно-дырочным переходом. Различают два типа полупроводниковых диодов: точечные и плоскостные.

В точечных диодах электронно-дырочный переход создается в месте контакта пластинки германия или кремния с заостренной металлической проволочкой (рис. 75, а). Для этой цели германиевый кристалл с электронной проводимостью, размером примерно 1,5x1,5x x0,5 мм, припаивают к одной из ножек прибора. Наружную поверхность кристалла тщательно полируют и формуют. Процесс формовки заключается в пропускании

Рис. 74. Проводимость электронно-дырочного перехода: а — подключение η—р-пере-хода к источнику питания; б—согласное действие Ε и E_к; в—встречное действие Ε и E_к.

полупроводник пойдет ток, величина которого будет определяться величиной приложенного напряжения (рис. 74, в).

Если напряжение от внешнего источника приложить в направлении проводимости электронно-дырочного перехода, то в цепи устанавливается ток, более чем в десятки и сотни тысяч раз превышающий обратный ток. Обратный ток не зависит от приложенного напряжения, а определяется только концентрацией неосновных носителей. Он имеет постоянный для данного полупроводника предел, и поэтому называется током насыщения.

Таким образом, электронно-дырочный переход обладает односторонней (униполярной) проводимостью.

через такой собранный точечный диод сравнительно мощных, но коротких импульсов тока. При этом происходит сплавление кончика бериллиевой или вольфрамовой пружинки с полупроводником, меняется тип проводимости в слое полупроводника, прилегающем к пружине, и создается механическая прочность контакта.

В плоскостных диодах (рис. 75, б) электронно-дырочный переход образуется в месте контакта



Рис. 75. Конструкции диодов: а — точечных; б — плоскостных.

/ — вольфрамовая пружинка; 2 — германиевый кристалл; 3 — первый электрод (кристаллодержатель); 4 — второй электрод; 6 — керамическая втулка.

пластинки германия (обычно с примесью сурьмы) с п-проводимостыо и вплавленного в него кусочка индия. Атомы индия при температуре около 500° С, диффундируя в η-германий, создают в прилегающей небольшой области акцепторную примесь с р-проводимостью.

К кристаллу германия, в котором создан р—n-переход, припаивают токопроводящие провода. Всю конструкцию помещают в стеклянный или металлический корпус. В плоскостном кремниевом диоде p—n-переход получается вплавлением алюминия в n-кремний.

СТАТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ И ПАРАМЕТРЫ

ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ДИОДОВ

Вольт-амперная характеристика полупроводникового диода представлена на рис. 76. С увеличением напряжения в направлении проводимости диода (так называемое прямое напряжение) прямой ток через прибор резко увеличивается. При противоположной полярности приложенного напряжения (так называемое обратное напряжение)

возникает ток насыщения I₀ — обратный ток через n—ρ- . переход, практически не зависящий от величины обратного напряжения.

Вольт-амперная характеристика полупроводникового диода аналитически выражается следующей формулой:



(88)

где I — ток, протекающий через диод; q —заряд электрона; к—постоянная Больцмана; I₀ —ток насыщения (обратный ток); Τ—абсолютная температура. При комнатной температуре

примерно равно 40 1/в, и фор-

Рис. 76. Вольт-амперная характеристика полупроводникового диода.

Из формулы (89) следует, что при положительном (прямом) напряжении, приложенном к n—р-переходу, начиная с напряжения порядка 0,04—0,05 в, экспоненциальный член много больше единицы, и ток через n — р-переход с увеличением напряжения резко возрастет.

Наоборот, при отрицательных (обратных) напряже-

ниях, экспоненциальный член будет много

меньше единицы, им можно пренебречь и считать, что ток, проходящий через полупроводниковый диод, т. е. обратный ток, равен току, проходящему через n — р-переход при отсутствии внешнего напряжения.

Если обратное напряжение превысит допустимое максимальное напряжение U_{обр макс}, то наступит перегрев и разрушение диода. Чем больше протяженность отрицательной ветви вольт-амперной характеристики, тем большей способностью выдерживать без пробоя обратное напряжение обладает диод.

Пробой наступает вследствие того, что под действием сильного электрического поля электроны освобождаются от ковалентных связей, увеличивают свою энергию и,

двигаясь с повышенными скоростями внутри полупроводника, ионизируют его нейтральные атомы. Появляются новые свободные электроны и дырки, что приводит к лавинообразному увеличению обратного тока, а следовательно, и к перегреву η — р-перехода.

Сопротивление п— р-перехода переменному току в данной точке вольт-амперной характеристики определяется ее наклоном и может быть определено дифференцированием выражения (88):

(90)



откуда



При комнатной температуре можно считать, что



где I и I₀ — в миллиамперах, R — сопротивление полупроводникового диода — в омах.

Формула (90) и характеристика сопротивления R, представленная пунктиром на рис. 76, показывают, что с увеличением тока сопротивление перехода падает и составляет величину порядка единиц или даже десятых долей ома. При обратном напряжении, когда I —> I₀, сопротивление n — р-перехода имеет величину порядка десятков и сотен тысяч ом.

Анализ вольт-амперной характеристики полупровод-пикового диода показывает, что он является нелинейным элементом, его сопротивление меняется в зависимости от величины и знака приложенного напряжения. Эти свойства полупроводникового диода позволяют его использовать для выпрямления переменного тока, преобразования частоты, ограничения амплитуд и т. д.

Для оценки электрических свойств полупроводниковых точечных диодов пользуются следующими параметрами:

1. Прямой ток — ток, протекающий через диод, когда к нему приложено постоянное прямое напряжение в один вольт.
   
2. Обратный ток — ток, протекающий через диод, когда к нему приложено наибольшее постоянное допустимое обратное напряжение.
   
3. Обратное пробивное напряжение — напряжение, при котором диод выходит из строя.
   
4. Допустимая амплитуда обратного напряжения — наибольшая амплитуда обратного напряжения, которая может быть приложена к прибору в обратном направлении в течение продолжительного времени, не вызывая пробоя.
   
5. Среднее значение выпрямленного тока — постоянная составляющая выпрямленного тока диода, которая может протекать через диод долгое время, не вызывая его перегрева.
   

Для оценки электрических свойств полупроводниковых плоскостных диодов пользуются следующими параметрами:

1. Подводимое переменное напряжение — максимальное действующее значение переменного синусоидального напряжения в вольтах, которое можно подавать на вход диода в течение продолжительного времени без пробоя.
   
2. Прямое падение напряжения — среднее значение напряжения на диоде при максимально допустимом выпрямленном токе. Оно характеризует внутреннее сопротивление прибора при прохождении через него прямого тока и обычно составляет величину порядка десятых долей вольта.
   
3. Выпрямленный ток — постоянная составляющая тока диода, которая при длительном протекании через диод не вызывает его перегрева, измеряется в миллиамперах или в амперах.
   
4. Обратный ток — среднее значение обратного тока диода, когда к нему приложено допустимое обратное переменное напряжение. Он характеризует внутреннее сопротивление диода в обратном направлении.
   

Основные особенности вольт-амперной характеристики полупроводникового диода по сравнению с соответствующей характеристикой вакуумного диода заключается в следующем:

1. При изменении знака приложенного напряжения в полупроводниковом диоде меняется направление тока, протекающего через прибор, а в вакуумном диоде оно остается неизменным.
   
2. При отсутствии внешнего приложенного напряжения в полупроводниковом диоде отсутствует ток, а через вакуумный диод протекает небольшой начальный ток.
   

3. При отрицательных (обратных) напряжениях через полупроводниковый диод протекает обратный ток порядка единиц и десятков микроампер, а в вакуумном диоде ток практически отсутствует.

В отличие от точечных полупроводниковых диодов, у которых большинство параметров измеряется на постоянном токе, все параметры плоскостных полупроводниковых диодов измеряют обычно на переменном токе с частотой 50 гц.