шпора_электроника 2.0 (Шпоры по Созинову)

У проводников запрещенная зона отсутствует и валентная зона непосредственно примыкает к зоне проводимости.

Валентная зона – энергетич. зона хар-щая электроны, находящиеся на внешних слоях атома.

Зона проводимости – энергет. зона хар-ная для свободных электронов.

У диэлектриков ширина запрещенной зоны более 3 эВ(электрон вольт).

У ПП(полупроводников) ширина запр. зоны меньше 3 эВ. Строение кристалической решотки германия(или кремния)

При потере общей электронной пары одного электрона на его месте образуется вакансия (дырка), считается, что дырка положительно заряжена.

n_i – концентрация электронов = р_i – концентрация дырок = Ae ^{-(Wз/(kT))}

А – постоянная хар-щая материал ПП

Wз – ширина запрещенной зоны

k – постоянная больцмана

Т – температура в кельвинах

Проводимость ПП сильно зависит от температуры окруж. среды.

У кремния Wз = 1,12 эВ, у германия – 0,72эВ.

Предельная рабочая температура: кремн.=150 С, герм.=85 С.

На практике широко используются ПП с “n” или “p” типом проводимости.

ПП “n”-типа

Это ПП с преобладанием электронной проводимости. Для этого добавляют: мышьяк, фосфор (5 электронов на валентной орбите – донорная примесь).

Для ПП “n”-типа основными носителями являются электроны, не основными «дырки». При приложении внешнего воздействия 5-й волентный электрон отходит от орбиты и образуется положительный ион. В следствие ионизации атома мышьяка в объеме ПП организуется объемный положительный заряд.

Энергетич. диограмма ПП “n”-типа

Для ПП “n”-типа сохраняется пропорция Nn>>Pn : концентрация электр. в ПП “n”-типа гораздо больше чем в ПП “р”-типа.

Примесные проводники “р”

ПП “р”-типа образуются путем добавления акцепторных примесей (индий, алюминий).

Эл-н покидая общую к-валентную пару в сосодней с индием связи, занимает свободный энергетич. уровень во внешней оболочке атома индия, при этом к-вал. связь не образуется. Атом индия, приобретая лишний эл. преврашается в отрицательный ион. На месте выхода эл. из общей к-вал. пары в соседней с индием связи образуется «дырочка», таким образом формеруется дырочная проводимость в ПП.

Основным носителем в ПП “р”-типа являются дырки, а не основным – эл.

Рр>>Np

В объеме ПП “р”-типа в следствии образования отрицательных ионов образуется объемный отрицательный заряд.

Энергетич. диаграмма ПП “р”-типа

В ПП “п” и “р”-типа основные носители образуются в результате внедрения примеси, а неосновные – в результате термогенерации зарядов.

Примесь вносится до достижения концентрации отвечающей соотношению: Рр/Np=2..3

Nn/Pn=2..3

При этом удельная проводимость ПП возростает в 10-100.000 раз.

Характерной особенностью ПП рассматриваемых типов является соотношение:

Nn*Pn= Рр*Np=А²e ^{-(Wз/(kT))}

При привышении “t” нарушается условия Рр>>Np и Nn>>Pn в следствии увеличения числа носителей заряда под действием термогенерации. То есть основную роль начинают играть собственные носители заряда. В следствие термогенерации носителей заряда примесной ПП вырождается в собственный.

Время жизни носителей зарядов.

Временной интервал между моментом образования свободного эл. И его рекомбинацией с вакансией называется – «время жизни».

Допустим в примесном ПП под внешним воздействием создана концентрация носителей заряда: в ПП “n”-типа – N₀=Nn+n(0); P₀=Pn+p(0);

n(0) – организованные носители заряда созданные внешним воздействием.

(Nn/n(0))>>(Pn/p(0)) ; n(0) p(0);

Внешние воздействие приводит к относительному увеличению не основных носителей зарядов, при неизменной концентрации основных.

Процесс уменьшения концентрации не основных носителей заряда подчиняется экспоненциальному закону:

p(t)= p(0)*e^-t/τ(p)

τ_p – время жизни

При значительной концентрац. Неосновных носителей зарядов постоянная времени – τ- соответствует времени в течении которого концентрация зарядов уменьшится в “e” раз. Обычно значение τ составляет 10^-5 – 10^-7 с. для уменьшения постоянной времени в ПП добавляют специальные примеси (золото, никель), создающих энергетич. зоны в запрещенной зоне, это так называемые «ловушки», обеспечивающие более быструю рекомбинацию в следствии большей вероятности встречи эл. И дырки.

Дрейфовое и дифузионное движение носит. зарядов.

В отсутсвие электр. поля в кристале и одинаковой концентрации носителей заряда в объеме ПП эл-ны и дырки находятся в хаотическом движении, распределенном по всем направлениям. В следствии этого электро ток в кристале = 0. Электр. поле и неравномерность распределения носителей концентрированного заряда является факторами создающими упорядоченное движение носителей зарядов, т.е. обуславливающими электр. ток в кристале.

Направленное движение носит-й зарядов под действием внешнего электр. поля называют дрейфовым, а под воздействием разницы концентрации носит. зарядов – дифузией.

В зависимости от характера движения носителей заряда различают соответственно дрейфовые и дифузионные составляющие тока в ПП, а в зависимости от типа носителя заряда – эл. и дырочные составляющие тока.

I=І_диф+І_дрейф

І_диф=І_{диф n} + І_{диф p} = (qD_n*(dn/dx)) – (qD_p*(dp/dx));

I_дрейф=I_{дрейф n} + I_{дрейф p} = qnμ_nE+qpμ_pE

q – заряд єл.

n,p – концентрация дырок и эл.

μ_n, μ_p – подвижность носителей зарядов

D_n, D_р – коэф. Дифузии

Е – напряженность поля

dn/dx, dр/dx – градиент поля

D_n = μ_n φ _т

φ _т = кТ/q – тепловой потенциал

ПП-вые диоды. ВАХ ПП-го диода.

Диодами назыв. Двухэлектродные элементы электро цепи, обладающие односторонней проводимостью тока.

ПП-вый диод состоит из ПП-вой структуры сочитающей в себе 2 слоя, один из которых обладает дырочной, а другой электронной проводимостью.

Принцип действия ПП-го диода основывается на специфике протекания процесса на границе раздела “n” и “р” обл. так наз. эл.-дырочный переход (р-n – переход).

Электрич. Процессы в р-n – переходе в отсутствии внешнего напряжения.

Наличие объемного заряда является главной особенностью р-n – перехода. Объемный заряд возникает при создании р-n – перехода. Благодаря тому, что концентрация акцепторной примеси гораздо больше концентрации донорной, равенство объемных зарядов слева и спрова от р-n – перехода достигается большей концентрацией зарядов в “n” – обл.

Равенство 0 тока через р-n – переход, в отсутствии внешнего напряжения соответствует уменьшению его дифузионной составляющей до величины дрейфовой составляющей. Равенство дрейфовой и дифуз. составл. (І_диф =І_дрейф) достигается путем установления потенциального барьера в р-n – переходе (контактная разность потенциалов). Высота потенциального барьера зависит от t⁰, поскольку от t⁰ зависит тепловой потенциал (φ _т)

Электро процессы в р-n – переходе при наличие внешнего напряжения.

Прямая ветвь ВАХ ПП диода.

Уменьшение потенциального барьера в основном за счет уменьшения объемного заряда в “n” – обл., облегчает переход основных носителей заряда под действием дифузии через границу раздела соседних областей, что приводит к увеличению дифуз. составл. Тока через р-n – переход. Указанное явление носит название инжекции носителей заряда через р-n – переход. В месте с тем дрейфовый ток через р-n – переход, создаваемый токами неосновных носителей заряда остается неизменным.

I_пр=I_а=I_диф-I_дрейф

Дифуз. составляющая тока возростает за счет снижения потенциального барьера. Большая величина потенц. барьера является одной из причин большого падения напряжения в кремневых диодах, по сравнению с германиевыми. В несиметрич. р-n – переходе (N_а>>N_д ) так через р-n – переход определяется в основном дифузией дырок из “р” – обл. . “р”- слой осушествляющий эмиссию дырок через “р” слой назив. эмитером. Поскольку основой для получения р-n – структуры являются в основном ПП “n”-типа то “n”- слой назыв. базой.

Создаваемый в базовом слое положительный заряд компенсируется за счет рекомбинации дырок из “р”-обл. с электронами идущими от отрицательного полюса источника питания. Этот процесс непрерывен, т.е. создается электрический ток.

Ток в р-n – переходе определяется дифузией основных носителей, а ток в объеме базы или эмитера определяется дрейфом основных носителей.

Процесс в р-n – переходе при приложении обратного напряж.

Обратная ветвь ВАХ

При подключении обратного напряжения потенциальный барьер возростает, при этом увеличивается объемный заряд и его ширина. Возросший потенц. барьер затрудняет дифузию основных носителей через р-n – переход, следовательно дифузион. ток уменьшается. Дрейфовый ток обусловленый концентрацией не основных носителей зарядов можно считать неизменным однако он будет привышать дифузион. ток. Ток через р-n – переход будет равен:

I_обр=I_в=I_дрейф-I_диф

При небольших обратных напряжениях (участок 0-1 обратной ветви ВАХ) увеличение обратного тока наблюдается за счет уменьшения дифуз. составляющей. После точки 1 обратной ветви ВАХ высота потенциального барьера такова, что инжекция основных носителей не происходит, в связи с этим дифуз. ток=0. обратный ток диода связан с концентрацией не основных носителей и площадью р-n – перехода. Поскольку у маломощных приборов площадь р-n – перехода незначительная, а у мощных – значительная, следовательно и обратный ток у мощных диодов – больше. Поскольку концентр. не основных носителей является функцией температуры то обратный ток назыв. тепловым. Кроме того концентр. не основных носит. связана с шириной запрещенной зоны. Поскольку ширина запрещ. зоны у кремния больше чем у германия - то и обратный ток кремния меньше обратного тока германия. Кроме того кремн. структуры применимы при более высоких обратных напряжениях, чем германиевого.

Полная ВАХ диода.