Физические основы и конструкция полупроводниковых приборов

Материалом для вентилей служит монокристаллический полупроводник - главным образом кремний. Если полупроводниковый материал получает энергию в виде тепла, световых квантов или на него действуют электрические поля, в нем возникают подвижные свободные электроны (имеющие отрицательный заряд) и дырки, т.е. атомы кристаллической решетки полупроводника, имеющие дефицит (отсутствие) электрона (положительный заряд), благодаря этому возникает незначительная собственная электрическая проводимость полупроводника. За счет добавки небольшого количества примесных атомов (легирования донорными или акцепторными примесями) в полупроводниковом материале образуются зоны, в которых концентрация электронов или дырок сильно увеличена (соответственно n-зоне или p-зоне). При легировании элементов 4 группы периодической таблицы Менделеева - германия и кремния 3-х валентной примесью получают полупроводник     p-типа, а при легировании 5-ти валентной примесью получают полупроводник n-типа. В каждой из зон концентрация подвижных носителей заряда противоположной полярности снижается за счет воссоединения электронов и дырок (процесс рекомбинации). Подвижные носители заряда, имеющиеся в каждой зоне в большем количестве, называются основными (например, электроны в n-зоне), имеющиеся в меньшем количестве - не основными (например, дырки в n-зоне). Разность концентраций основных и не основных носителей в легированном полупроводнике составляет несколько порядков.

Эти зоны в целом электрически нейтральны, так как каждому свободному электрону соответствует неподвижный положительно заряженный атом примеси (донорный ион), а каждой свободной дырке - неподвижный отрицательно заряженный атом примеси (акцепторный ион). Через границу разделов полупроводниковых зон электроны из-за разности концентрации диффундируют из n-зоны в p-зону и дырки - из p-зоны в n-зону (рис. 2.1, а).

Вследствие этого результирующий заряд донорных и акцепторных ионов по обе стороны границы раздела зон уже не нейтрализуется подвижными носителями заряда и       в р-зоне возникает отрицательный объемный заряд, а в n-зоне - положительный. Между обеими зонами возникает разность потенциалов DU, и в прилегающих к границе слоях действует электрическое поле, ограничивающее диффузию основных носителей и способствующее прохождению через p- n переход неосновных носителей. В результате устанавливается равновесие, при котором отсутствует обмен носителями заряда между зонами. Область действия электрического поля практически свободна от подвижных носителей заряда. Слой объемного заряда, расположенный по обе стороны границы раздела, называется запирающим, сопротивление его велико.

Если положительный полюс внешнего источника напряжения подключить к p-зоне, а отрицательный - к n-зоне, то от источника напряжения в p-зону через p- n переход будут поступать электроны, а в n-зону - дырки. Поэтому слой объемного заряда сократится, разность потенциалов между зонами уменьшится, запирающий слой будет заполняться носителями заряда и через него потечет ток (прямой ток) (рис. 2.1, б) при относительно небольшом прямом напряжении на переходе.

Если же соединить положительный полюс источника напряжения с n-зоной, а отрицательный - с p-зоной, то электроны в n-зоне устремятся к положительному, а дырки в p-зоне - к отрицательному электроду. Слой объемного заряда расширяется, а DU возрастает в соответствии с приложенным напряжением, называемым обратным (рис. 2.1, в). Через        р- n переход будет протекать обратный ток, определяемый не основными носителями.

 

Рис. 2.1. p - n переход в различных режимах работы

а - при отсутствии внешнего напряжения; б - при наличии отпирающего (прямого) напряжения от внешнего источника; в - при наличии запирающего (обратного) напряжения от внешнего источника; r - объемный заряд; U - напряжение на границе раздела; DU - потенциальный барьер на p -n переходе; X - текущая координата от границы раздела П; W - ширина запирающего слоя (слоя объемного заряда)

 

⇐ Предыдущая12345678910Следующая ⇒

Поделиться: