14 (Лекции Лунева PDF)
Описание файла
Файл "14" внутри архива находится в папке "Лекции Лунева". PDF-файл из архива "Лекции Лунева PDF", который расположен в категории "". Всё это находится в предмете "физика" из 4 семестр, которые можно найти в файловом архиве МГТУ им. Н.Э.Баумана. Не смотря на прямую связь этого архива с МГТУ им. Н.Э.Баумана, его также можно найти и в других разделах. Архив можно найти в разделе "лекции и семинары", в предмете "физика" в общих файлах.
Просмотр PDF-файла онлайн
Текст из PDF
Семестр 4. Лекции 14.Лекция 14. Контактные явления в полупроводниках.p-п -переход. Распределение электронов и дырок в p-n-переходе. Ток основныхи неосновных носителей через p-n -переход. Вольтамперная характеристикаp-n -перехода. Выпрямляющие свойства p-n -перехода.Полупроводниковый p-n- переход.Полупроводниковым p-n- переходом называют тонкий слой, образующийся в местеконтакта двух областей полупроводников акцепторного и донорного типов. Обе области полупроводника электрически нейтральны, поскольку как сам материал полупроводника, так и примеси электрически нейтральны.
Отличия этих областей в том, что p-область содержит свободно перемещающиеся дырки, а n-область содержит 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 ppnобласть, рекомбинируют с дырками, а дырки в n-области рекомбинируют с электронами. Каждый из типов носителей переносит соответствующий электрический заряд, что приводит ктому, что вблизи границы раздела p-область получает избыточный отрицательный заряд, а n-область – положительный.
Такимpnобразом, на границе раздела полупроводников появляетсядвойной электрический слой, в котором вектор напряжённостиE направлен от n- области к p-области. Поэтому появившеесяEэлектрическое поле препятствует движению электронов идырок.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:WkTP P0e .Следовательно, рассмотренные переходы основных носителей сформируют силу токаосновных носителей через p-n-переход:EВpn«Прямое»EWI ОСН I 0e kT .Неосновные носители – электроны в p-областии дырки в n-области свободно преодолеваютконтактное поле. В состоянии равновесияток основных носителей будет компенсироваться током неосновных носителей.
ПоэтомуEВpnE«Обратное»WkTI НЕОСН I ОСН I 0e .Если к p-n-переходу приложить внешнюю разность потенциалов U так, что со стороны p – области будет больший потенциал,(так называемое «прямое» включение p-nперехода), то внешнее поле EB ослабит существующее внутреннее поле E , поэтому ток ос1Семестр 4. Лекции 14.новных носителей возрастёт в соответствии с зависимостью:W eU I ОСН I 0e kT .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 обогащён носителями тока. Проводимость p-n-перехода будет большой. Токнеосновных носителей при этом практически не изменится, так как он определяется малымчислом неосновных носителей в каждой области.
Тогда суммарный ток через p-n-переход равен сумме токов основных и неосновных носителей, направленных противоположно другдругу:W eU WW eU I I ОСН I НЕОСН I 0e kT I 0e kT I 0e kT e kT 1или 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 EBувеличит 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 обратномнаправлении дырки в p-области будут двигаться от границы раздела, и электроны из n-области также будут двигаться от границы разUдела. На границе раздела областей в итоге не останется основныхносителей тока. Ток на этой границе будет обеспечиваться оченьмалым числом неосновных носителей, образовавшихся вблизи тонкого p-n-перехода.
Проводимость p-n-перехода будет малой.В этом смысле говорят, что p-n-переход пропускает ток преимущественно в одномнаправлении. В прямом направлении сила тока основных носителей увеличивается с увеличением напряжения, в обратном направлении сила тока неосновных носителей при небольшихзначениях напряжения практически не изменяется.Пробой p-n-перехода.Если продолжать увеличение напряжения обратной полярности, то при некоторомнапряжении UC, называемом напряжением пробоя, произойдет пробой p-n-перехода. Это связано с тем, что в закрытом состоянии p-n-перехода почти всё приложенное напряжение действуетв тонком пограничном слое.
Поэтому в нём сформируется большаянапряжённость электрического поля, способная ускорить электронIна малом 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, чтопозволяет 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.2Семестр 4. Лекции 14.Общее условное обозначение диода.
Диодный выпрямитель или диодный мост - основной компонент блоков питания практически всех электронных устройств.2) Стабилизаторы напряжения. Явление пробоя p-n-перехода используют для стабилизациинапряжения. Стабилитроны на основе p-n-перехода изготавливаются промышленностью наразные 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 излучений.
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, лампнакаливания или же газоразрядных ламп. Светоиспускающие диоды широко используют какминиатюрные 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 диодов аналогичен принципу работы светоиспускающих диодов, но с некоторыми отличиями. Инверсная населённость уровней формируется в области p-n-перехода вырожденных полупроводников, когда концентрация электронов с высокой энергией из n-области значительно превосходит концентрацию электронов с низкой энергией в p-области. В качестве зеркал лазерного резонатора используют отполированные торцы самого полупроводникового кристалла, одноиз них делают 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 плёнокпри 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.Поглощённый в области p-n-перехода квант энергии создаёт пару электрон - дырка, электрическое поле перемещает дырку в p -область, а электрон - в n -область. Поэтому при облучении pn-перехода потоком квантов в p -области будут накапливаться дырки, а в n -области - электроны. Если солнечный элемент включить в замкнутую электрическую цепь, то потечет ток, который может быть использован.Полупроводниковые солнечные элементы обычно получают в виде пластины полупроводника p -типа, на которую нанесён 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-nперехода.