Таким образом, в полупроводнике носителями заряда являются электроны и дырки.

⇐ ПредыдущаяСтр 2 из 5Следующая ⇒

Итак, в валентной зоне перемещение электронов вызывает перемещение в противоположном направлении дырок. При отсутствии внешнего электрического поля электроны, a следовательно и дырки движутся хаотически. Под воздействием внешнего электрического поля движение электронов станет упорядоченным, при этом электроны будут перемещаться против направления электрического поля, а дырки – по направлению поля.

Электропроводность собственного полупроводника, возникающая за счет нарушения валентных связей, называется собственной.

Процесс образования пары электрон–проводимости дырка проводимости называется генерацией пары носителей заряда.

Процесс воссоединения электрона и дырки называется рекомбинацией.

Среднее время существования пары носителей заряда называется временем их жизни.

Среднее расстояние, которое проходит носитель заряда за время жизни, называется диффузионной длиной носителя заряда (Lp–для дырок, Ln–для электронов).

В проводниках с собственной проводимостью уровень Ферми лежит посредине запрещенной зоны (см. рис.7-2).

А	Б
Wg донорный уровень энергии	Wa акцепторный уровень энергии
DWg энергия ионизации донора	DWa энергия ионизации акцептора

Рис.7- 2 Расположение уровня Ферми

Примесная проводимость. Если некоторые атомы полупроводника заменить в узлах кристаллической решетки атомами, валентность которых отличается на единицу от валентности основных атомов, возникает тип проводимости, называемый примесным. Примеси, валентность атомов которых выше валентности основных атомов, называются донорными (или донорами), в этом случае электропроводность будет обусловлена в основном электронами их называют основными носителями заряда, а дырки – не основными.

Энергетический уровень свободных электронов будет находиться в запрещенной зоне у дна зоны проводимости. Он называется донорным уровнем. Уровень Ферми сместится от середины запрещенной зоны к дну зоны проводимости (см. рис.7-3А).

Рис. 7-3 Акцепторные и донорные уровни

Примеси, валентность атомов которых ниже валентности основных атомов, называются акцепторными (акцепторами). В этом случае электропроводность будет обусловлена в основном дырками, которые называются основными носителями заряда, а электроны – неосновными.

Энергетический уровень свободных дырок будет находиться в запрещенной зоне у потолка валентной зоны, он называется акцепторным уровнем. Уровень Ферми сместится к потолку валентной зоны (см. рис.7-3Б).

Электронно-дырочный переход и его свойства.

При контакте двух полупроводников с разным типом примесной проводимости (п – и р– типа) на границе раздела образуется область, которую называют электронно–дырочным переходом или р–п переходом.

Свойства р–п перехода положены в основу принципа действия подавляющего большинства полупроводниковых приборов. Контакт p-n перехода осуществляется сложными технологическими приемами. Как только произойдет соприкосновение, в каждой области нарушается равенство концентраций ионов примесей и свободных зарядов. Так как в области р концентрация дырок Рр значительно выше концентрации дырок Рn в области n. (Рр> > Рn), а концентрация электронов Рn в области n значительно ниже концентрации их в области р, происходит диффузия дырок в область n–типа и электронов в область р– типа.

Вследствие ухода дырки из области p в ней образуется не скомпенсированный отрицательный заряд иона акцепторной примеси, а при уходе электрона из области n в ней образуется положительный заряд иона донорной примеси.

Часть электронов и дырок, попавших в смежную область может рекомбинировать, что также нарушает равновесие концентраций между свободными носителями заряда и неподвижными ионами примеси.

В результате около границы раздела областей создается объемный двойной слой, обедненный основными носителями заряда. Он обдает большим удельным сопротивлением. Его называют запирающий слоем или р–п переходом. Объемные заряды имеют разные знаки и создают электрическое поле р–п перехода.

Напряженность этого поля, направлена в сторону от положительно заряженного слоя к отрицательно заряженному слою (см. рис. 7-4). Для основных носителей каждой области оно является тормозящим, поэтому будет препятствовать дальнейшему диффузионному перемещению через р–п переход основных носителей. Электрическое поле наряду с напряженностью Е характеризуется потенциалом. Разность потенциалов в р–п переходе называют контактной. Величину контактной разности потенциалов называют высотой потенциального барьера. ( )

Рис. 7-4 Электрическое поле p-n перехода

С точки зрения зонной теории твердого тела потенциальный барьер ( ) образуется следующим образом: при контакте полупроводников р- и n–типа образуется единая система, в которой уровень Ферми является общим для областей р– и n–типа (см. рис.12-5).

-

-

Рис.7-5 Величина потенциального барьера pn-перехода

На границе раздела уровень Ферми проходит через середину запрещенной зоны. Так как в области р–типа уровень Ферми находится недалеко от потолка валентной зоны, а в области n–типа недалеко от дна зоны проводимости, энергетические зоны смещаются относительно друг друга, и в области р-n перехода образуется потенциальный барьер, высота которого будет равна:

Dj = DW/q, (12.2)

где D W – минимальная энергия (эВ), которую нужно сообщить электрону (или дырке), чтобы они могли перейти в смежную область; q – заряд электрона.

Таким образом, все энергетические уровни области р–типа подняты над энергетическими уровнями области n–типа на высоту, численно равную

DW = q^∙Dj_k

Токи р-n перехода.

Выше было рассмотрено диффузионное перемещение через р–п переход дырок и электронов. Этот поток носителей представляет собой диффузионный ток:

I диф = Ipp + Inn, (12.3)

где Ipp– ток, образованный дырками области р–типа;

I nn – ток, образованный электронами области n-типа.

Поле р–п перехода, являясь тормозящим для основных носителей, а для неосновных носителей ускоряющее. Под воздействием его не основные носители перемещаются в смежную область. Их поток представляет собой дрейфовый ток:

I др =I pn + Inp, (12.4)

где I рn, –ток, образованный дырками области n–типа;

I np–ток, образованный электронами области р–типа.

В отсутствии внешнего электрического поля

I_диф = I_др (12.5)

Для случая равновесия обозначим I диф =I од, а Iдр =Io и тогда

Ioд = Iо (12.6)

Следует заметить, что диффузионный и дрейфовый токи направлены в противоположные стороны, поэтому результирующий ток через р–п переход равен 0.

В условиях динамического равновесия через р–п переход переходят только те свободные носители, энергия которых выше высоты потенциального барьера.

Влияние внешнего напряжения на р–п переход.

Прямое включение – источник напряжения подключен знаком «плюс» к области р–типа и «минусом» к области n–типа. Обратное включение противоположно прямому. При прямом включении электрическое поле источника напряженностью E_np направленo навстречу контактному полю Е и результирующая напряженность будет равна Е₁= Е – E_np.

Уменьшение напряженности поля вызовет уменьшение высоты потенциального барьера на величину прямого напряжения источника Uпр= +U (см.рис.12-5 и 12-6):

Dj₁ = Dj – Uпр (12.7)

Уменьшение высоты потенциального барьера приводит к увеличению числа основных носителей через р-n переход, т.е. к увеличению диффузионного тока:

I диф = Iод ^. (12.8)

Так как Iод = Iо, то можно записать

I диф = I_o (12.9)

На величину дрейфового тока изменение высоты потенциального барьера не влияет, он остается таким же, как и в условиях равновесия. Поэтому результирующий ток через р–п переход, называемый прямым, c учетом (12.9) будет равен:

Iпр= Iдиф –Iо = Io ( ) (12.10)

Рис.7-6 Прямое и обратное включение pn-перехода

При прямом включении уменьшается ширина р-n перехода.

Обратное включение р-n перехода (см. рис.12-6 б)) Рассуждая аналогично можно заключить, что в этом случае результирующий ток, называемый обратным, будет равен:

Iоб = Io ( ) … (12.11)

При некотором значении обратного напряжения диффузионный ток станет равен нулю, через р–п переход будет протекать только дрейфовый ток. Его величина незначительна, т.к. концентрация не основных носителей мала. Поскольку ток, образованный движением не основных носителей зависит от тепловой генерации пар носителей, его называют также тепловым. Тепловой ток называют также током насыщения, так как это предельное значение обратного тока при возрастании обратного напряжения.

При обратном включении ширина р–п перехода увеличивается.

Вольтамперная характеристика р–п перехода. Это зависимость тока проходящего через р-п переход от приложенного к нему напряжению I = ¦(U) (см. рис.7-7.)

Рис. 7-7 Вольтамперная характеристика диода

Уравнение зависимости I от U имеет вид:

I = Iо( ) (12.13)

Если р–п перевод включен в прямом направлении, то напряжение со знаком плюс, если в обратном – со знаком минус.

Режим работы полупроводникового выпрямительного диода определяются его характеристикой.

Вольтамперная характеристика (ВАХ) - это зависимость электрического тока, протекающего через диод от напряжения, приложенного к диоду. Прямой ток резко растет при небольших положительных напряжениях (U_npB). Но этот ток не должен превышать максимального значения, т.к. в противном случае произойдет перегрев диода и он выйдет из строя. Максимальное обратное напряжение определяется конструкцией диода и находится в интервале 10В ÷ 10кВ.

⇐ Предыдущая 123 4 5 Следующая ⇒
Поделиться:

Последнее изменение этой страницы: 2017-05-05; Просмотров: 932; Нарушение авторского права страницы