PDF-лекции, страница 6

При приложении к проводнику разности потенциалов возникает поле, котороедействует в проводнике. Дрейф в сторону приложенного поля представляется такимобразомВ среднем скорость небольшая.– средняя скорость дрейфа.eτ= µ – время свободного пробега (между столкновениями).2mНи ускорения, ни время свободного пробега мы не знаем. В твердом теле играет роль немасса электрона, а эффективная масса электрона.Подвижность электрона/Подвижность дыркиПодвижность электронов и дырок для каждого вещества – табличная величина.Плотность дрейфового токаЭлектронная составляющая дрейфового тока:Аналогично получается дырочная составляющая дрейфового тока.

Мы знаемконцентрацию, подвижность для данного вещества – мы можем рассчитать ток.Общий ток:Диффузионный токОпределяет специфические свойства п/п. Если есть где-то избыточная концентрацияэлектронов или дырок, то они начинают двигаться в сторону уменьшения gradконцентрации. Значит, течет ток. Откуда берется дрейфовый ток? Например, можно простонаправить на полупроводник пучок электронов.Электронная компонента диффузионного тока/ дырочная компонента диффузионного тока:D – коэффициент диффузии.dn/dx– grad концентрации (мы рассматриваем одномерныйслучай). В сторону уменьшения grad всегда течет ток, знак + , потому, что говорим обэлектронах, а ток направлен противоположно движению электронов.Коэффициент диффузии электронов/дырокК изменению концентрации также приводит рекомбинация неравновесных носителей.р – концентрация дырокpn – концентрация дырок в п/п n-типа, т.е.

концентрация не основных носителей заряда.Рекомбинация основных носителей заряда роли не играет потому, что она происходит вовсем п/п. Рекомбинация не избыточных носителей заряда также никакой роли не играет.Генерация неравновесных носителей.Генерация может быть обусловлена самыми разными процессами.Эти четыре процесса так или иначе вмещают в себя все процессы, которые могутидти в полупроводнике.Уравнение непрерывности (ЗСЗ в дифференциальной форме)Разность между числом частиц, входящих в некий объем и выходящих из этогообъема, = числу частиц, которые там возникли.ЗСЗ:G – функция, которая описывает генерацию.R – функция, которая описывает рекомбинацию.Делим все на ∆x , переходим к пределуУравнение непрерывности для электронов:Аналогично уравнение непрерывности для дырокУравнение непрерывности (ЗСЗ) в общем виде:Электронно-дырочные переходы и их характеристикиРассмотрим случайИз-за того, что концентрация электронов и дырок разная, электроны потекут вдырочную область, дырки – в электронную.

Это будет продолжаться до тех пор покавнутреннее поле не начнет препятствовать диффузионному движению. Пусть, дляопределенности, NA > ND. Акцепторная примесь более концентрированная, чем донорная.Если 2 тела привести в соприкосновение, то уровень Ферми у них будет общий.В п/п образовался потенциальный барьер. Заряды сами не могут двигаться.

Потенциальныйбарьер действует для основных носителей заряда. Для не основных носителей заряда он недействует.Высота потенциального барьераТоже самое для уровня Ферми для электронного п/п:Высота потенциального барьераni – концентрация примеси – известна -> высоту потенциального барьера можно посчитать.Учитывая, чтоПолучим другую запись:Приложим внешнее напряжение. У нас внутреннее поле соответствует потенциальномубарьеру.Если приложить внешнее поле противоположно внутреннему полю, то высотапотенциального барьера будет снижаться, и при определенной величине внешнего поляпотенциальный барьер может исчезнуть.Наоборот, если внешнее поле приложить в том же направлении, как и внутреннее, товысота потенциального барьера возрастет.Поле может оказаться таким большим, что уровень Ферми окажется внутри валентнойзоны.

Свойство p-n перехода изменится. При достаточно большом напряжении электронымогут туннелировать.Электрический ток получился не симметричный.Вольт - амперная характеристика p-n переходов(зависимость протекающего тока от приложенного напряжения)Приложим небольшое внешнее напряжение U такое, что в результате высотапотенциального барьера изменится на U. Будем считать, что положительное значение Uбудет соответствовать уменьшению высоты потенциального барьера.Приложенное поле меняет величину потенциального барьера.Концентрация основных носителей заряда не может измениться в следствии приложенногонапряжения, она обусловлена только концентрацией примеси. При приложении внешнегополя меняется только концентрация не основных носителей заряда.Связь между концентрацией не основных носителей после приложения поля спервоначальной концентрациейЕсли мы приложим к p-n переходу внешнее поле в прямом направлении, то npрастет по сравнению с np0.

Т.е. концентрация не основных носителей экспоненциальнорастет. Имеет место инжекция носителей заряда из области с одной проводимостью вобласть с другой проводимостью. Т.е. основные носители заряда инжектируются в область,где они являются не основными.Где Lp/n – диффузионная длина дырок/электронов.Диффузионный ток:Общий ток:– вольт – амперная характеристика p-n переходагдеИзобразим ее графическиВ одном направлении, какое бы мы напряжение не прикладывали, ток мизерный.для кремниевых диодов.Вольт – амперная характеристика не симметричная.Есть зависимость тока от напряжения -> можно говорить о каком-то сопротивлении.Закон Ома тривиален. Здесь зависимость между током и напряжением сложная.Дифференциальное сопротивление p-n переходаНа прямой ветви eU >> kTДифференциальное сопротивление p-n перехода диода зависит от тока, который протекает.Чем больше ток, тем меньше сопротивление, и наоборот.Если течет большой ток, то там большой уровень инжекции основных зарядов, исопротивление соответственно маленькое, а если ток маленький, значит, и напряжениемаленькое приложено к p-n переходу, это значит потенциальный барьер не снят исопротивление току большое.Реальная вольт – амперная характеристика отличается от идеальной.ДиодМы предположили, что диод состоит только из p-n перехода.

Как правило концентрацияпримесей не симметрична: одна из областей сильно легирована, другая слабо. Та котораяслабо легирована называется базой, та, которая сильно легирована называется эмиттером.На самом деле сопротивление может быть довольно значительным, и достигать десяткиОм.Ширина запирающего слояГрафик распределения концентрации зарядаМы можем решить уравнение Пуассона–дифференциальное уравнение второго порядка.Первое граничное условиеВторое граничное условиеШирина запирающего слояМы можем приложить внешнее напряжение к потенциальному барьеру.

Вместо∆ ϕ 0 будет ∆ ϕ 0 – U, и соответсвенно будет новая ширина запирающего слоя ->изменится заряд. При изменении напряжения меняется заряд, т.е. потенциальный барьеробладает емкостью. Называется эта емкость – барьерная емкость p-n перехода.Заряд, который сосредоточен в запирающем слоеПо определению–дифференциальная емкость. Максимальное значение барьерной емкости вблизи нулевогоприложенного напряжения.Барьерная емкость играет роль только когда напряжение приложено в обратномнаправлении, т.е. когда запирающий слой большой.

Если мы приложим напряжение впрямом направлении, барьерной емкости не будет потому, что запирающий слой исчезнет.Но если приложить напряжение в прямом направлении, то там будет инжекция носителейзаряда. Уровень инжекции напрямую связан с приложенным напряжением. Опять жезависимость заряда от напряжения – емкость, но емкость другого рода. Называетсядиффузионная емкость.Связана с избыточной концентрацией не основного заряда при инжекции.Избыточный зарядЕдиничкой пренебрежем.Чем больше приложено напряжение, тем больше инжекция, тем больше диффузионнаяемкость.К чему приводит наличие емкостей? Если мы подключаем постоянное напряжениеразницы практически никакой. Но если мы подаем резкий перепад?Эквивалентная схема п/п диода по переменному токуRутRдиффер –дифференциальное сопротивление.

Меняется в зависимости от напряжения.Сопротивление толстых областей диода – R1. Одна из емкостей играет роль при прямомвключении диода, другая – при обратном. Когда мы хотим передать сигнал, содержащийвысокочастотную компоненту. Скажем, последовательность очень коротких импульсов.Если мы разложим эту последовательность в ряд Фурье там окажется массавысокочастотных компонент.

Например прямоугольный импульс. Весь этот импульс идетна то, чтобы зарядить емкость – барьерную или диффузионную. Фактически у нас навыходе ничего не будет. Поэтому эти емкости играют очень отрицательную роль.Rут – сопротивление утечки (часть тока пойдет просто по корпусу и т.д.). Когданизковольтный низкочастотный сигнал проблем не возникает. Когда сигналвысоковольтный, он пойдет через сопротивление утечки, когда высокочастотный – череземкости.П/п диоды бывают разных типов, разных назначений. Рассмотрим диоды, которыеполучаются на основе контакта металла с п/п.Контакта металла с п/пТакой контакт можно использовать для того, чтобы передавать сигнал с малымсопротивлением.Структура взаимодействующих металла и полупроводникаПолупроводник n типа.W – работа выхода.Приведем их в соприкосновение.

В п/п n типа электронов не так много как вметалле. Куда пойдут электроны, из п/п в металл или из металла в п/п? Когда мы приведемих в соприкосновение, электроны пойдут из металла в п/п. Как и в случае контакта двух п/пуровень Ферми должен выровняться.1) случай омического контакта. Уровень Ферми в п/п ниже, чем в металле (или работавыхода в п/п больше, чем в металле).Работа выхода в п/п больше, чем в металле. Значит, при соприкосновении металла с п/п,электроны пойдут из металла в п/п.2)В п/п вблизи уровня Ферми есть электроны. Заполнение на этом уровне больше, чемв металле.

Работа выхода в п/п меньше, чем в металле. Электроны будут идти из п/п вметалл.Образовался маленький потенциальный барьер – образовался выпрямляющий контакт.Нет не основных носителей заряда. Нет объединенного слоя – нет Cбар, Сдиф ->низкая емкость. – диод Шотке.3)4)Быстродействие п/п диодаРассмотрим схемуВ начальный момент Т подсоединены источники U1 и U2.I1 = U1/R (сопротивлением диода пренебрегаем)В начале диод включается в прямом направлении. В момент t= 0 переключаем ключ.U на прямо включенном диоде примерно 0,6 В.Когда диод был включен в прямом направлении, в нем было полно не основных носителейзаряда, и они потихоньку начали экстрагироваться оттуда.

Следовательно, пока зарядыоттуда не рассосутся, идет ток, но скачка нет, т.к. заряжается барьерная емкость (весь токидет на ее зарядку).Лекция 4Бывают биполярные и униполярные транзисторы.Биполярный транзисторТранзистор – это прибор с тремя выходами, который состоит из двух близкорасположенных p-n переходов.ЭБКЭ – эмиттер, Б – база, К – коллектор. n+ означает, что концентрация свободных носителейзаряда повешенная по сравнению с Б и К.Принципиальным свойством является то, что слой Б очень тонкий и эти два p-nперехода между собой взаимодействуют. Т.е.будет работать совсем по-другому.Толщина Б от 1 до 20 мкм. Диффузионная длина электронов и дырок в п/п Ln,p ~ 10мкн. ω ~ 10 мкн – это тонкая Б, а 5 < ω ≤ 20 – это толстая Б.Толщина Б принципиальна по следующим соображениям: электроны, которые покаким-то причинам попали из Э в Б, практически не успевают рекомбинировать и в полномсоставе попадают в К.Транзистор pnp типа+Транзисторы npn типа распространены существенно больше.