Шпаргалка - Полупроводниковые приборы - файл n1.doc

приобрести
Шпаргалка - Полупроводниковые приборы
скачать (2086 kb.)
Доступные файлы (1):
n1.doc2086kb.05.06.2012 08:49скачать

n1.doc

  1   2   3

1. Электроника. Электронные приборы. Физические явления в электронных приборах. Классификация электронных приборов.

Электроника – наука, занимающаяся разработкой электронных приборов, изучением электронных явлений и взаимодействий. В электронике можно выделить несколько раздело: вакуумная электроника (электронная эмиссия; термоэлектронная эмиссия; автоэлектронная эмиссия – туннельное проникновение электронов через поверхностный потенциальный барьер, который возникает под действием внешнего поля; фотоэлектронная эмиссия; вторичная электронная эмиссия – под действием потока заряженных частиц), твердотельная электроника (свойства твердых тел, п/п ,диэлектриков; влияние примесей на свойства этих тел; воздействие фотонов; поверхностные явления), акустоэлектрониа (эффект, который возникает при взаимодействии акустических волн с электронами), оптоэлектроника (взаимодействие фотона и электрона), триоэлектроника (изучение электрических явлений при низких t), квантовая электроника (изучение явлений ,которые позволяют разработать усилители и генераторы электромагнитных поле на основе вынужденных колебаний атомов, молекул твердых тел). Электронные приборы – устройства, работа которых основана на использовании электронных явлений и взаимодействий. Электронные приборы предназначены для преобразования электромагнитной энергии, для передачи, обработки, хранения информации. Классификация. 1. по рабочей среде электронного прибора (вакуумные, газоразрядные, хемотонные, твердотельные); 2. по виду преобразования энергии (электропреобразователи, электросветовые, фотоэлектрические, термоэлектрические; 3. по виду преобразования сигнала (выпрямительные, усилительные, генераторные, смесительные, переключатели); 4. по диапазону рабочих частот (низкочастотные, среднечастотные, высокочастотные, сверхвысокочастотные); 5. по мощности (маломощные, средней мощности, мощные, сверхмощные); 5. по конструктивным признакам, и т.д.

2. Электропроводность твердых тел. Классификация твердых тел по проводимости. Влияние температуры, наличия примеси, освещенности на электропроводность п/п.

Все твердые тела по их способности проводить электрический ток делятся на 3 широких класса: проводники (металлы), п/п и диэлектрики (изоляторы).



Удельная электропроводность ? – величина обратная удельному электрическому сопротивлению ? = 1/?, размерность которой См/м. Такая классификация твердых тел по их способности проводить электрический ток относится ко времени первых опытов с электричеством и достаточно примитивна. При глубоком и систематическом изучении принципов электропроводности п/п было обнаружено, что их электропроводность отличается от электропроводности проводников на только количественно, но и качественно; было обнаружено, что п/п имеют больше общих свойств с диэлектриками. Влияние температуры. Электропроводность п/п резко возрастает даже при небольшом увеличении t (до 5…6% на 1°C). Электропроводность металлов с ростом t падает, причем незначительно (доли процента на 1 °C). Влияние примеси. Ничтожное введение примеси в п/п в размере 0,001% может в 104 увеличить его электропроводность. Практически не влияет на электропроводность проводников. Влияние освещенности. Свет, ионизирующие излучения, энергетические воздействия приводят к увеличению электропроводности п/п. Практически не влияет на электропроводность проводников.

Таким образом п/п – это вещество, удельная проводимость которого существенно зависит от внешних факторов.


3. П/п с собственной электропроводностью. Энергетическая зонная диаграмма собственных п/п. Уровень Ферми. Концентрация носителей заряда в собственных п/п. Генерация и рекомбинация.

Собственные п/п – такой п/п материал, у которого отсутствуют примеси других материалов. Классический п/п материалы Ge и Si. Для п/п хар. явл. то, что сравн. небольшие энергетические воздействия приводят к увел. энергии электронов внешней оболочки атома и их отрыву от атомов. Такие e-ны обладают возможностью свободно перемещаться по объему п/п и наз. e-ми проводимости, при отрыве e-на от атома в месте разрыва появл. “дырка”. Отсутствие e-ны в вал. связи равносильно появл. в данном месте пол. заряда, который и предписывают дырке. Электроны и дырки являются свободными носителями заряда. Процесс появления свободных носителей заряда – генерация. При прекращении внешнего воздействия на п/п происходит рекомбинация – исчезновение свободных носителей заряда. На концентрацию собственных носителей заряда в собственных п/п влияет ширина запрещенной зоны п/п (чем больше ширина, тем меньше концентрация) и t (с ростом t концентрация растет).

В основе описания электропроводности твердых тел лежит квантовая теория энергетического спектра электронов в веществах. Согласно законам квантовой механики электроны в изолированных атомах могут находиться только в определенных энергетических состояниях, характеризуемых дискретным рядом значений энергии, называемых энергетическими уровнями. Причем согласно принципу Паули на каждом энергетическом уровне может находиться два электрона с разными спинами. Заполнение электронами разрешенных энергетических уровней происходит согласно распределению Ферми – Дирака, начиная с нижних уровней. Различают заполненные разрешенные зоны и свободные разрешенные зоны. Валентной зоной называется верхняя из заполненных разрешенных зон. Зона проводимости – свободная разрешенная зона над валентной. Для металлов не существует таких понятий как зона проводимости и валентная зона. Ширина запрещенной зоны – энергетический интервал между дном зоны проводимости Ec и потолком валентной зоны Ev: Eg = Ec ? Ev.
Зонная энергетическая диаграмма собственных п/п:



функция ФермиДирака, описывающая вероятность fD(E) нахождения свободного электрона в энергетическом состоянии E , имеет следующий вид



где E f – энергия Ферми или уровень Ферми, уровень энергии которой

электрон может обладать с вероятностью fD(E f )=1/2.

4. Дрейфовый ток в п/п. Подвижность носителей заряда. Влияние напряженности электрического поля на подвижность.

Дрейфовый ток – направленное перемещение носителей заряда, обусловленное наличием электрического поля. Плотность электронного дрейфового тока определяется выражением

, а плотность дырочного дрейфового тока

, где q =1,6022?10?19 Кл – элементарный электрический заряд; n, p – концентрация электронов и дырок соответственно; vn , vp – средняя скорость дрейфа электронов и дырок; ? n , ? p – подвижность электронов и дырок; E – напряженность электрического поля. Подвижность носителей заряда есть коэффициент пропорциональности между средней скоростью дрейфа и напряженностью электрического поля. Физический смысл данного параметра следует из выражения . Таким образом подвижность – средняя скорость носителей в электрическом поле с единичной напряженностью. Размерность подвижности м2/В*с.

Подвижность зависит от типа полупроводника, концентрации примеси, температуры, напряженности поля:

1. с ростом температуры подвижность уменьшается;

2. при значениях концентрации примеси больше 1015 …1016 см?3 подвижность начинает падать;

3. в слабых полях подвижность постоянна, при напряженности поля выше критической подвижность обратно пропорциональна напряженности;

4. подвижность электронов выше подвижности дырок.

Суммарная плотность дрейфового тока определяется выражением ,которое представляет собой закон Ома в дифференциальной форме.


5. Диффузионный ток в п/п. Коэффициент диффузии. Время жизни и диффузионная длина неравновесных носителей заряда. Уравнение Эйнштейна.

Диффузионный ток – направленное перемещение носителей заряда, обусловленное их неравномерным распределением в объеме полупроводника. Данный механизм перемещения зарядов соответствует общим законам теплового движения, согласно которым диффузия микрочастиц происходит из области с их большей концентрацией в область с меньшей концентрацией, причем плотность диффузионного тока пропорциональна градиенту концентрации носителей заряда. Для одномерного случая, когда концентрация носителей заряда изменяется вдоль одной координаты, например x, плотность диффузионного дырочного тока описывается выражением

, а электронного выражением , где Dn , Dp – коэффициенты диффузии электронов и дырок; dn dx , dp dx – градиенты концентрации электронов и дырок. Коэффициент диффузии – коэффициент пропорциональности между плотностью тока и градиентом концентрации. Размерность м2/с. При диффузионном перемещении избыточных (неравновесных) носителей их концентрация будет уменьшаться по мере удаления от точки с

максимальным значением концентрации, по причине их рекомбинации. Параметром диффузионного движения, описывающим рекомбинацию носителей, является диффузионная длина L , равная расстоянию, на протяжении которого концентрация избыточных носителей уменьшается в e (основание натурального логарифма) раз по сравнению с максимальным

значением концентрации. Диффузионная длина дырок и электронов определяется выражениями

, где ? p , ? n – время жизни дырок и электронов соответственно. Время жизни – промежуток времени между генерацией носителя заряда и его рекомбинацией. Тогда диффузионную длину можно определить, как среднее расстояние, которое носитель проходит за время его жизни. Параметры дрейфового и диффузионного движения связаны между собой соотношениями Эйнштейна

, где - тепловой потенциал микрочастицы;

6. П/п с электронной электропроводностью. Энергетическая зонная диаграмма. Концентрация носителей в п/п n-типа.

Примесными полупроводниками называются полупроводники, в некоторых узлах кристаллической решетки которых находятся атомы, отличные от атомов основного вещества. Причем валентность примесных атомов должна быть отличной. Если валентность атомов примеси выше валентности основных атомов, то такая примесь называется донорной примесью, а сам полупроводник

донорным полупроводником или полупроводником n-типа. Атомы примеси являются поставщиками (донорами) свободных (подвижных) электронов. Атом примеси, отдавший один электрон, превращается в неподвижный положительно заряженный ион. На зонной энергетической диаграмме донорного полупроводника данная ситуация моделируется дополнительным донорным уровнем (ДУ) с

энергией Ed , который располагается в запрещенной зоне вблизи дна зоны проводимости.
Чтобы попасть в зону проводимости, электронам на ДУ необходимо получить гораздо меньше энергии, чем электронам в валентной зоне. Эта энергия – энергия ионизации донорной примеси ?Ed = Ec ? Ed .

Поэтому такие переходы электронов с ДУ происходят при меньших температурах, чем переходы из валентной зоны. При ионизации донорной примеси появляется электрон проводимости, но при этом не

образуется вакантного места в валентной зоне (дырки). Таким образом,

увеличивая концентрацию донорной примеси ND , можно увеличивать

концентрацию свободных электронов в донорном полупроводнике nn, не

изменяя при этом концентрацию дырок pn . Если концентрация атомов

примеси будет значительно выше концентрации носителей в собственном

полупроводнике ND >> ni , то можно считать, что электропроводность

обеспечивается только электронами, что и отражает название – полупроводник n-типа. Электроны в донорном полупроводнике являются основными носителями заряда, а дырки – неосновными.

7. П/п с дырочной электропроводностью. Энергетическая зонная диаграмма. Концентрация носителей в п/п p-типа.

Примесными полупроводниками называются полупроводники, в некоторых узлах кристаллической решетки которых находятся атомы, отличные от атомов основного вещества. Причем валентность примесных атомов должна быть отличной. Если валентность атомов примеси ниже валентности основных атомов, то такая примесь называется акцепторной примесью, а сам полупроводник акцепторным полупроводником или полупроводником p-типа. Атомы примеси захватывают свободные электроны, т.е. являются акцепторами. Атом примеси, принявший один электрон, превращается в неподвижный отрицательно заряженный ион. На зонной энергетической диаграмме акцепторного полупроводника данная ситуация моделируется дополнительным акцепторным уровнем (АУ) с энергией Ea , который располагается в запрещенной зоне вблизи потолка валентной зоны. Уровень Ферми в акцепторном полупроводнике расположен между потолком валентной зоны и АУ.

Чтобы попасть на АУ, электронам валентной зоны необходимо получить

гораздо меньше энергии, чем для их попадания в зону проводимости. Эта

энергия – энергия ионизации акцепторной примеси ?Ea = Ea ? Ev .

Поэтому такие переходы электронов на АУ происходят при меньших температурах, чем переходы в зону проводимости. При ионизации акцепторной примеси появляется дырка, но при этом не появляется

электрон в зоне проводимости. Таким образом, увеличивая концентрацию акцепторной примеси NA , можно увеличивать концентрацию дырок в

акцепторном полупроводнике pp , не изменяя при этом в нем концентрацию электронов np . Если концентрация атомов примеси будет значительно выше концентрации носителей в собственном полупроводнике NA >> ni , то можно считать, что электропроводность обеспечивается только за счет дырок, что и отражает название – полупроводник p-типа. Дырки в акцепторном полупроводнике являются основными носителями заряда, а электроны – неосновными.

8. Электронно-дырочный переход в состоянии динамического равновесия. Контактная разность потенциалов, толщина. Зонная энергетическая диаграмма.

Электронно-дырочный переход (p-n–переход) – область или переходной слой, возникающий вблизи границы, разделяющей области полупроводника с различным типом проводимости. Он обеднён подвижными носителями заряда, поэтому второе его название – обедненный слой. Состояние устойчивого равновесия (равновесное состояние) – отсутствие различных энергетических воздействий на кристалл полупроводника, при этом сохраняется неизменной температура, отсутствуют электрическое поле и воздействие светового и ионизирующих излучений. Формирование области с особыми свойствами вблизи границы, разделяющей области полупроводника p– и n–типа, обусловлено

следующими процессами. Поскольку справедливы следующие выражения nn >> np и pp >> pn возникает диффузионный ток с плотностью Jdif.

Происходит диффузия электронов из n-области в p-

область и дырок из p-области в n-область. Это приводит к появлению в n-области положительного объемного заряда, обусловленного нескомпенсированными положительно заряженными атомами донорной примеси, и в p-области отрицательного объемного заряда, обусловленного

нескомпенсированными отрицательно заряженными атомами акцепторной примеси. Наличие разноименных объемных зарядов в областях приводит к возникновению электрического поля с напряженностью Eins и возникновению дрейфового тока

плотностью Jdr . Возникшее внутреннее электрической поле

возвращает электроны из p- области в n-область, а дырки из

n-области в p-область. Диффузионный и дрейфовый

токи направлены встречно и в состоянии равновесия равны по

абсолютному значению, т.е. суммарный ток через поперечное

сечение перехода равен нулю J? = Jdr + Jdif = 0. В результате процессов диффузии и дрейфа возникает так называемый обедненный слой толщиной ? . Он обеднен

подвижными носителями заряда. Второе название – барьерный слой, т.к. в нем существует потенциальный барьер для основных носителей заряда, который они в равновесном состоянии не могут преодолеть. Потенциальный барьер – следствие контактной разности потенциалов U j , возникшей в структуре.

В состоянии равновесия уровень Ферми один и тот же для всей структуры. Поэтому происходит искривление энергетических уровней вблизи границы, разделяющей области полупроводника с различным типом проводимости. Показан потенциальный

барьер величиной qU j , существующий в переходе для основных носителей, обусловленный наличием внутреннего электрического поля. Для неосновных носителей (электронов p-области и

дырок n-области) барьера нет, под действием поля эти носители свободно проходят в противоположную область.


9. Процессы в p-n-переходе при подаче прямого напряжения. Явление енжекции. Зонная энергетическая диаграмма.

Подключение источника постоянного напряжения к p-n-переходу при прямом смещении. В этом случае вектор

напряженности внешнего электрического поля Eext направлен встречно вектору напряженности внутреннего электрического поля Eins , за счет чего происходит частичная компенсация встроенного поля. Результирующее поле

определяется разницей между внутренним полем и внешним

E? = Eins ? Eext и имеет тоже направление, что и встроенное поле. Разность потенциалов между областями перехода уменьшается на величину приложенного прямого напряжения U frw U? dif =U j ?U frw. Подвижные носители заряда слабее выталкиваются меньшим полем из приграничной области, что приводит к уменьшению толщины p-n-перехода

.

При этом уменьшается величина потенциального барьера, который существует в p-n-переходе для основных носителей заряда, до значения q(U j ?U frw). Появляются основные носители, имеющие энергию, достаточную для преодоления меньшего по величине барьера. Это приводит к увеличению

диффузионного тока Jdif , который начинает превышать дрейфовый ток Jdr . С ростом прямого напряжения на переходе U frw величина барьера будет уменьшаться, и будет расти число основных носителей способных преодолеть барьер, т.е. прямой ток через переход I frw будет расти. Толщина

перехода с ростом U frw будет уменьшаться. Поскольку прямой ток перехода обусловлен основными носителями заряда, а их количество значительное, то прямой ток может иметь большие значения, причем сильно зависит от прямого напряжения. Явление, которое происходит при прямом смещении перехода, а именно диффузионный перенос носителей заряда из области, где они являются основными в ту область, где они становятся неосновными, называется инжекцией.

При прямом включении происходит искривление уровня Ферми.

10. Процессы в p-n-переходе при подаче обратного напряжения. Явление экстракции. Зонная энергетическая диаграмма.

Обратным смещением p-n-перехода называют такое приложение внешнего напряжения, при котором происходит увеличение потенциального барьера p-n-перехода.

Подключение источника постоянного напряжения к p-n-переходу при обратном смещении. В этом случае вектор

напряженности внешнего электрического поля Eext сонаправлен с вектором напряженности внутреннего электрического поля Eins , за счет чего происходит увеличение поля в p-n-переходе. Результирующее поле определяется суммой внутреннего и внешнего полей E? = Eins + Eext

и имеет тоже направление, что и встроенное поле. Разность потенциалов между областями перехода увеличивается на

величину приложенного обратного напряжения Ubcw

U? dif =U j +Ubcw. Большее по величине поле сильнее выталкивает подвижные носители заряда из приграничной области, что приводит к увеличению толщины p-n- перехода.

. При этом увеличивается величина потенциального барьера, который существует в p-n-переходе для основных носителей заряда, до значения q(U j +Ubcw). Основные носители не имеют энергии достаточной для преодоления барьера большей величины. Это приводит к уменьшению диффузионного тока Jdif .

Поэтому дрейфовый ток Jdr будет преобладать над диффузионным. Неосновные носители заряда – электроны p- области и дырки n-области – увеличившимся полем перехода будут забрасываться в

противоположенную область. С ростом обратного напряжения на переходе Ubcw будет расти электрическое поле перехода, будет расти величина барьера, но число неосновных носителей в областях практически не будет изменяться, поэтому обратный ток через переход Ibcw практически не будет изменяться. Явление, которое происходит при обратном смещении p-n-перехода, а именно дрейфовый перенос носителей заряда из области, где они являются неосновными в ту область, где они становятся основными, называется экстракцией.

11. ВАХ идеального и реального p-n-переходов. Объемное сопротивление p-n-перехода. Отличие ВАХ p-n-переходов из различных материалов (Ge, Si, CaAs).

ВАХ p-n-перехода представляет собой зависимость тока через p-n-переход от величины и полярности приложенного напряжения. Аналитически ВАХ представляется зависимостью

I0 – обратный ток насыщения p–n перехода, который определяется физическими свойствами полупроводника и имеет небольшую величину. По своей физической природе он представляет собой ток экстракции, следовательно, величина его очень мала.

Реальная характеристика p-n-перехода отличается от теоретической. Эти различия обусловлены термогенерацией носителей в запираю-щем слое перехода, падением напряжения на сопротивлениях областей полу-проводника, а также явлением пробоя при обратном напряжении.

Для реального p-n-перехода

где rs – Объемное сопротивление p и n областей p-n-перехода.

Отличие ВАХ для разных материалов.



Значение обратного тока германиевых p-n-переходов на 2-3 порядка больше, чем у кремниевых, при одинаковой площади перехода. Это объясняется различной шириной запрещенной зоны. Отличие в пороговом напряжении определяется потенциальным барьером.

12. Сопротивление p-n-перехода постоянному току и дифференциальное сопротивление: физический смысл, геометрическая интерпретация.

Rдиф – дифференциальное сопротивление (сопротивление, которое оказывает p–n переход протекаемому переменному току) при прямом смещении. Выражение для Rдиф получаем:

Геометрической интерпретацией дифференциального сопротивления является котангенс угла наклона ? касательной, проведенной к графику ВАХ в рабочей точке. Физический смысл параметра "дифференциальное сопротивление" – сопротивление переменному току.


Рабочая точка (режим покоя) характеризуется или значением постоянного напряжения или значением постоянного тока, поскольку между ними существует однозначная связь.

R0=Rст – сопротивление постоянному току (сопротивление p–n перехода в данной рабочей точке) и определяется




Геометрической интерпретацией статического сопротивления является котангенс угла наклона прямой ? , соединяющей начало координат и рабочую точку диода на графике ВАХ. Физический смысл – сопротивление постоянному току.

13. Влияние t на прямую и обратную ветви ВАХ p-n-перехода.

влияние t на прямую и обратную ветвь описывается разными параметрами.

ТКН=∆Uпр/∆T при Iпр постоянном. Для большинства p-n-переходов можно считать

ТКН? - 2мВ/°C.

, т.е. при увеличении t на 10 °C обратный ток Ge возрастает в 2 раза, а в Si в 2,5 раза.

14. Виды пробоя в p-n-переходе. Влияние t на величину напряжения пробоя.

Резкое возрастание обратного тока p–n перехода при достижении обратным напряжением определенного критического значения называют пробоем р–n перехода.

Различают 2 вида пробоя: электрический и тепловой.

При электрическом пробое количество носителей в переходе возрастает под действием сильного электрического поля и ударной ионизации атомов решетки. Различают следующие разновидности электрического пробоя: лавинный, туннельный и поверхностный. Лавинный вид пробоя возникает у слаболегированных полупроводниках, в относительно широких р–n переходах (прямая 1). Суть лавинного пробоя заключается в лавинном размножении носителей заряда в сильном электрическом поле под действием ударной ионизации. Неосновные носители заряда, движущиеся через p-n-переход, ускоряются полем так, что могут при столкновении с решеткой кристалла разорвать валентную связь. Появляется новая пара электрон-дырка, которая ускоряется полем и в свою очередь вызывает ионизацию следующего атома. При лавинной ионизации ток в цепи ограничен только внешним сопротивлением. Количественной оценкой лавинного процесса является коэффициент лавинного умножения носителей М, показывающий во сколько раз ток, протекающий через p-n-переход, превышает обратный ток. .

, где b – коэффициент, зависящий от материала п/п. С повышением t уменьшается длина свободного пробега носителей и энергия, которую может достичь носитель; а следовательно увеличивается напряжение лавинного пробоя. При лавинном пробое падение напряжения на p-n-переходе остается постоянным. Туннельный вид пробоя возникает в сильнолегированных п/п, в относительно узких p-n-переходах (прямая 2). При относительно небольших обратных напряжениях напряженность эл. поля достигает большой величины. Это приводит к искривлению энергетических зон п/п так, что энергия электронов валентной зоны п/п p-типа становится такой же, как и энергия свободных электронов зоны проводимости n-типа. Это вызывает переход электронов «по горизонтали» из области p а область n, минуя запрещенную зону. Во внешней цепи протекает туннельный ток. С повышением t увеличивается энергия носителей заряда, растет и вероятность туннельного перехода, а напряжение пробоя падает. Поверхностный вид пробоя обусловлен изменением электрического поля на поверхности p-n-перехода за счет скопления значительного количества зарядов на поверхности п/п. По своей природе поверхностный пробой может быть лавинным, туннельным, тепловым. Для защиты от поверхностного пробоя применяют диэлектрические покрытия. Тепловой пробой возникает вследствие разогрева перехода проходящим через него током при недостаточном теплоотводе (прямая 3). Нагрев может происходить за счет протекания большого обратного тока через p-n-переход, или за счет внешнего источника тепла. При нагреве перехода происходит генерация электронно-дырочных пар и увеличение обратного тока через переход. Характерной особенностью теплового пробоя является наличие участка ВАХ с отрицательным дифференциальным сопротивлением. Если при электрическом виде пробоя нарушается тепловое равновесие перехода, то электрический пробой переходит в тепловой. Если p-n-переход сохраняет свои свойства после пробоя при уменьшении обратного напряжения, то такой пробой называют обратимым. К обратимому пробою относятся лавинный и туннельный. Если пробой приводит к выводу p-n-перехода из строя, то его называют необратимым. Необратимы пробой бывает 2 видов: тепловой и поверхностный.
  1   2   3


Учебный материал
© nashaucheba.ru
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации