21, 22 (Лекции кафедральные (PDF))

Семестр 4. Лекции 21-22.Лекции 21 - 22. Контактные явления в полупроводниках.p-п -переход. Распределение электронов и дырок в p-n-переходе. Ток основных и неосновных носителей через p-n -переход. Вольтамперная характеристика p-n -перехода. Выпрямляющиесвойства p-n -перехода.Полупроводниковый p-n- переход.Полупроводниковым p-n- переходом называют тонкий слой, образующийся в месте контакта двух областей полупроводников акцепторного и донорного типов.

Обе области полупроводника электрически нейтральны, поскольку как сам материал полупроводника, так и примесиэлектрически нейтральны. Отличия этих областей в том, что p-область содержит свободно перемещающиеся дырки, а n-область свободно перемещающиеся электроны.Концентрации свободных электронов и дырок по обе стороны от границы контакта разные, что приводит к появлениюдиффузии электронов из n-области в p-область, а дырок, наоборот, из p-области в n-область. Электроны, проникая в p-областьpnрекомбинируют с дырками, а дырки в n-области рекомбинируютс электронами.

Каждый из типов носителей переносит соответствующий электрический заряд, что приводит к тому, что вблизиграницы раздела p-область получает избыточный отрицательныйзаряд, а n-область – положительный. Таким образом, на границеpnраздела полупроводников появляется двойной электрическийслой, в котором вектор напряженности E направлен от n- области к p-области. Поэтому появившееся электрическое полеEпрепятствует движению электронов и дырок.С этим электрическим полем можно связать потенциальную энергию дырки и электронав соответствующих областях. Получается, что дырка для перехода из p -области в n -областьдолжна «забраться» на потенциальный порог высоты W.

На аналогичный порог должен «забраться» электрон для перехода из n -области в p -область. Вероятность такого прохода пропорциональна множителю Больцмана:−WP = P0 e kT .Следовательно, рассмотренные переходы основных носителей сформируют силу токаосновных носителей через p-n-переход:−EВpn«Прямое»E−EВpnEWI ОСН = I 0 e kT .Неосновные носители – электроны в p-областии дырки в n-области свободно преодолеваютконтактное поле.

В состоянии равновесия токосновных носителей будет компенсироватьсятоком неосновных носителей. Поэтому«Обратное»WI НЕОСН = I ОСН = I 0 e kT .Если к p-n-переходу приложить внешнюю разность потенциалов U так, что со стороны p – области будет больший потенциал, (такназываемое «прямое» включение p-n-перехода),то внешнее поле EВ ослабит существующеевнутреннее поле E , поэтому ток основных носителей возрастет в соответствии с формулой:I ОСН = I 0 e−(W − eU )kT.1Семестр 4. Лекции 21-22.При включении p-n-перехода в прямом направлении дырки в p-области будут двигаться к границе раздела, и электроны из n-области также будут двигаться к границе раздела. На границеони будут рекомбинировать.

Ток на всех участках цепи обеспечивается основными носителями,сам p-n-переход обогащен носителями тока. Проводимость p-n-перехода будет большой. Токнеосновных носителей при этом практически не изменится, так как он определяется малым числом неосновных носителей в каждой области. Тогда суммарный ток через p-n-переход равенсумме тока основных и неосновных носителей, направленных противоположно друг другу(W −eU )WW−−− eUI = I ОСН − I НЕОСН = I 0 e kT − I 0 e kT = I 0 e kT  e kT − 1или eUI = I НЕОСН  e kT − 1 .Если к p-n-переходу приложить внешнюю разность потенциалов «наоборот» (так называемое «обратное» включение p-n- перехода), то внешнее поле EВувеличит существующее на границе поле.

Ток основных носителейIот этого уменьшится. Ток неосновных носителей при этом практически не изменится, так как он лимитируется малым числом неосновных носителей. При включении p-n- перехода в обратном направлении дырки в p-области будут двигаться от границы раздела, иэлектроны из n-области также будут двигаться от границы раздела.UНа границе раздела областей в итоге не останется основных носителей тока. Ток на этой границе будет обеспечиваться очень малымчислом неосновных носителей, образовавшихся вблизи тонкого p-n-перехода. Проводимость pn-перехода будет малой.В этом смысле говорят, что, что p-n-переход пропускает ток преимущественно в одномнаправлении.

В прямом направлении сила тока основных увеличивается с увеличением напряжения, в обратном направлении сила тока неосновных носителей при небольших значениях напряжения практически не изменяется.Пробой p-n-перехода.Если продолжать увеличение напряжения обратной полярности, то при некотором напряжении UC, называемом напряжением пробоя, произойдет пробой p-n-перехода. Это связано стем, что в закрытом состоянии p-n-перехода почти все приложенное напряжение действует втонком пограничном слое. Поэтому в нем сформируется большая напряженность электрического поля, способная ускорить электрон наIмалом расстоянии до энергий достаточных для «выбивания» электрона из ковалентной связи; далее уже оба электрона будут ускорены, они выбьют еще электроны и так далее.

Получится подобиеUСэлектронной лавины, приводящей к пробою перехода. Пробою соотUветствует участок около UC на вольтамперной характеристике. Этотучасток вблизи UC имеет участок плавного нарастания тока, что позволяет использовать явление пробоя, вернее предпробойное состояние для стабилизации напряжения.Некоторые примеры применения p-n-перехода в технике.1) Выпрямление тока и детектирование сигналов. Для этих целей используют полупроводниковый диод, главная часть которого является p-n-переходом.Общее условное обозначение диода.

Диодный выпрямитель или диодный мост - основной компонент блоков питания практически всех электронных устройств.2Семестр 4. Лекции 21-22.2) Стабилизаторы напряжения. Явление пробоя p-n-перехода используют для стабилизациинапряжения. Стабилитроны на основе p-n-перехода изготавливаются промышленностью на разные напряжения стабилизации (пробоя) до сотен вольт.3) Светоиспускающие диоды.

Принцип работы светоиспускающих диодов - устройств, преобразующих энергию электрического тока в световую энергию, основан на испускании квантаэлектромагнитного излучения при рекомбинации дырок и электронов на границе раздела.Можно так подобрать ширины зон в полупроводнике, что будут испускаться кванты электромагнитного излучения требуемой частоты, а именно в диапазоне длин волн от инфракрасногодо ультрафиолетового излучения. Светоиспускающие диоды обладают очень высоким КПД,достигающим 80%.

Светоиспускающие диоды очень долговечны, так как не содержат нитейнакаливания, катодов и других быстро изнашиваемых узлов, в отличие от, например, ламп накаливания или же газоразрядных ламп. Светоиспускающие диоды широко используют как миниатюрные экономичные источники света, излучающие в заданном частотном диапазоне, какзаменитель сигнальных лампочек, а последнее время и как экономичные осветительные приборы.4) Лазерные светоиспускающие диоды.

Принцип действия лазерных светоиспускающих диодованалогичен принципу работы светоиспускающих диодов, но с некоторыми отличиями. Инверсная населенность уровней формируется в области p-n-перехода вырожденных полупроводников, когда концентрация электронов с высокой энергией из n-области значительно превосходитконцентрацию электронов с низкой энергией в p-области. В качестве зеркал лазерного резонатора используют отполированные торцы самого полупроводникового кристалла, одно из нихделают частично прозрачным для выхода излучения из резонатора.Лазерные диоды - очень миниатюрны (имеют размер порядка 1 см), экономичны, обеспечивают весьма сильный световой поток, достаточный для оплавления полимерных пленокпри записи информации. Лазерные диоды используют в оптических устройствах записи и чтения информации, лазерных принтерах, системах передачи информации по стекловолоконнымкабелям и т.д.5) Источники тока на p-n-переходе.

В настоящее время широко применяются источники токана p-n-переходе как генераторы электрического тока, в которых источником энергии служит:либо энергия падающего на p-n-переход электромагнитного излучения - так называемые полупроводниковые солнечные элементы, или тепловая энергия, подводимая к p-n-переходу - такназываемые полупроводниковые тепловые элементы.Полупроводниковые солнечные элементы. Принцип работы полупроводниковых солнечных элементов основан на явлении внутреннего фотоэффекта при освещении p-n-перехода. Поглощенный в области p-n-перехода квант создаёт пару электрон - дырка, электрическое полеперемещает дырку в p -область, а электрон - в n -область.

Поэтому при облучении p-n-переходапотоком квантов в p -области будут накапливаться дырки, а в n -области - электроны. Если солнечный элемент включить в замкнутую электрическую цепь, то потечет ток, который можетбыть использован.Полупроводниковые солнечные элементы обычно получают в виде пластины полупроводника p -типа, на которую нанесен тонкий прозрачный слой металла, который можно считатьполупроводником n -типа; затем на слой металла наносят прозрачные защитные покрытия. Световые кванты, пройдя эти покрытия и тонкий слой металла, поглощаются в области p-n- перехода. Ток «отводят» от полупроводниковой пластины и от тонкого металлического покрытия.Такой элемент обеспечивает напряжение порядка долей вольта и ток порядка нескольких миллиампер.

Обычно элементы соединяют в батарею (солнечная батарея), используя последовательное и параллельное соединение элементов.Полупроводниковые тепловые элементы. Принцип работы полупроводниковых тепловых элементов полностью аналогичен работе полупроводниковых солнечных элементов с темотличием, что в области p-n-перехода пары электрон - дырка образуются за счет его нагрева.Полупроводниковые тепловые элементы обычно соединяют последовательно в батареи. При3Семестр 4.