Краткие лекции по ЭиМ (Методичка по темам из ЭиМ), страница 5

1.11, а.Вероятность захвата электрона и перехода его в валентную зону возрастаетв полупроводниках p-типа, поэтому уровень Ферми здесь смещается вниз, кгранице валентной зоны (рис. 1.11, б).Следует отметить, что при очень больших концентрациях примесей вполупроводниках уровень Ферми может даже выходить за пределы запрещеннойзоны либо в зону проводимости (в полупроводниках р-типа) либо в зонувалентную (в полупроводниках p-типа).

Такие полупроводники называютсявырожденными.Процессы переноса зарядов в полупроводникахВ полупроводниках процесс переноса зарядов может наблюдаться приналичии электронов в зоне проводимости и при неполном заполненииэлектронами валентной зоны.

При выполнении данных условий и при отсутствииградиента температуры перенос носителей зарядов возможен либо под действиемэлектрического поля, либо под действием градиента концентрации носителейзаряда.Дрейф носителей зарядаДрейфом называют направленное движение носителей заряда поддействием электрического поЭлектроны, получая ускорение в электрическом поле, приобретают насредней длине свободного пробега добавочную составляющую скорости, котораяназывается дрейфовой скоростью vx др , к своей средней скорости движения.Дрейфовая скорость электронов мала по сравнению со средней скоростьюих теплового движения в обычных условиях. Плотность дрейфового токаJnдр qnvn дp (1.3)где n - концентрация электронов в 1 см3; q - заряд электрона.Дрейфовая скорость, приобретаемая электроном в поле единичнойнапряженности E = 1, В/см,называется подвижностью:vn дрE(1.4)Поэтому плотность дрейфового тока электроновJ n др  qnE(1.5)Составляющаяэлектрическогополяэлектрическогоназываетсятокаподдействиемвнешнегодрейфовым током.

Полнаяплотностьдрейфового тока при наличии свободных электронов и дырок равна суммеэлектронной и дырочной составляющих:J др  J n др  J p др  qE(nn  p p )(1.6)где E - напряженность приложенного электрического поля.ОглавлениеУдельная электрическая проводимость ст равна отношению плотностидрейфового тока к величине напряженности электрического поля E , вызвавшегоэтот ток:J дрE (1.7)то есть электропроводность твердого тела зависит от концентрации носителейэлектрического заряда п и от их подвижности ц.Диффузия носителей зарядаПри неравномерном распределении концентрации носителей заряда вобъеме полупроводника и отсутствии градиента температуры происходитдиффузия - движение носителей заряда из-за градиента концентрации, т.е.происходитвыравниваниеконцентрацииносителейзарядапообъемуполупроводника.Из курса физики известно, что плотность потока частиц при диффузии(число частиц, пересекающих в единицу времени единичную площадку,перпендикулярную направлению градиента концентрации) пропорциональнаградиенту концентрации этих частиц:Фm   Dm grad(m)(1.8)где Dm - коэффициент диффузии, равный абсолютному значениюотношения плотности потока частиц к градиенту их концентрации.Знаки правой и левой части в выражении (1.8) различны, т.к.

векторградиента концентрации направлен в сторону возрастания аргумента, а частицыдиффундируют туда, где их меньше, т.е. против градиента концентрации.Поскольку любое направленное движение одноименно заряженных частицестьэлектрическийток,топлотностьэлектроннойсоставляющейдиффузионного тока может быть получена путем умно жения правой частивыражения (1.8) на заряд электрона. Электроны диффундируют против вектораградиента концентрации и имеют отрицательный заряд.

Вследствие этогонаправление вектора плотности диффузионного тока электронов должносовпадать с направлением вектора градиента концентрации электроновJ n диф  qDndndx(1.9)dnгде Dn - коэффициент диффузии электронов, — dx градиент концентрацииэлектронов.Заряд дырок положителен, вследствие этого направление вектораплотности диффузионного тока дырок должно совпадать с направлением ихдиффузии, т.е. противоположно направлению вектора градиента концентрациидырок. Следовательно, в правой части должен сохраниться знак минус:J p диф  qDpгде Dpdpdx(1.10)dp- коэффициент диффузии дырок, — dx градиент концентрациидырок.Полная плотность диффузионного тока, обусловленная направленнымперемещениемносителейэлектрическогозарядаизместсбольшейконцентрацией в места, где их концентрация меньше, определяется какJдиф q ( Dndndp Dp )dxdx(1.11)Одновременно с процессом диффузии носителей происходит процесс ихрекомбинации.

Поэтому избыточная концентрация уменьшается в направленииот места источника этой избыточной концентрации.Расстояние, на котором при одномерной диффузии в полупроводнике безэлектрического поля в нем избыточная концентрация носителей зарядауменьшается в результате рекомбинации в e раз, называется диффузионнойдлиной L. Иначе, это расстояние, на которое диффундирует носитель за времяжизни.ОглавлениеДиффузионнаядлинаLсвязанасовременемжизниносителейсоотношениямиLn  Dn n ; L p  D p p(1.12)где τn и τp - время жизни электронов и дырок, соответственно.Электрические переходыЭлектрическим переходом в полупроводнике называется граничный слоймеждудвумяобластями,физическиехарактеристикикоторыхимеютсущественные физические различия.Различают следующие виды электрических переходов: электронно-дырочный, или p-n-переход - переход между двумяобластямиполупроводника,имеющимиразныйтипэлектропроводности; переходы между двумя областями, если одна из них являетсяметаллом, а другая полупроводником p- или n-типа (переход металл- полупроводник); переходымеждуэлектропроводности,двумяобластямиотличающиесясзначениемоднимтипомконцентрациипримесей; переходы между двумя полупроводниковыми материалами сразличной шириной запрещенной зоны (гетеропереходы).Электронно-дырочный переходРабота целого ряда полупроводниковых приборов (диодов, транзисторов,тиристоров и др.) основана на явлениях, возникающих в контакте междуполупроводниками с разными типами проводимости, либо в точечном контактеполупроводника с металлом.

Граница между двумя областями монокристаллаполупроводника, одна из которых имеет электропроводность типа p, а другая типа n называется электронно-дырочным переходом. Концентрации основныхносителей заряда в областях p и n могутбытьравнымиилисущественноотличаться.уP-n-переход,концентрациидыроккоторогоиэлектроновпрактически равны Nакц ≈ Nдон,называютсимметричным.Есликонцентрации основных носителей заряда различны (Nакц >> Nдон или Nакц <<Nдон) и отличаются в 100…1000 раз, то такие переходы называютнесимметричными.Несимметричные p-n-переходы используются шире, чем симметричные,поэтому в дальнейшем будем рассматривать только их.Рассмотрим монокристалл полупроводника (рис.

1.12), в котором, с однойстороны, введена акцепторная примесь, обусловившая возникновение здесьэлектропроводности типа p, а с другой стороны, введена донорная примесь,благодаря которой там возникла электропроводность типа n. Каждомуподвижномуположительномуносителюзарядавобластиp(дырке)соответствует отрицательнозаряженный ион акцепторной примеси, но неподвижный, находящийся вузле кристаллической решетки, а в области n каждому свободному электронусоответствует положительно заряженный ион донорной примеси, в результатечего весь монокристалл остается электрически нейтральным.ОглавлениеСвободные носители электрических зарядов под действием градиентаконцентрации начинают перемещаться из мест с большой концентрацией в местасменьшейконцентрацией.Так,дырки будут диффундировать изобласти p в область n, а электроны,наоборот, из области n в область p.Это направленное навстречу другдругу перемещение электрическихзарядов образует диффузионный токpn-перехода.

Но как только дырка изобласти p перейдет в область п, онаоказывается в окружении электронов, являющихся основными носителямиэлектрических зарядов в области n. Поэтому велика вероятность того, что какойлибо электрон заполнит свободный уровень в дырке и произойдет явлениерекомбинации, в результате которой не будет ни дырки, ни электрона, а останетсяэлектрическинейтральныйположительныйатомэлектрическийполупроводника.зарядкаждойНодыркиеслираньшекомпенсировалсяотрицательным зарядом иона акцепторной примеси в области p, а зарядэлектрона - положительным зарядом иона донорной примеси в области n, топосле рекомбинации дырки и электрона электрические заряды неподвижныхионовпримесей,породившихэтудыркуиэлектрон,осталисьнескомпенсированными. И в первую очередь не скомпенсированные заряды ионовпримесей проявляют себя вблизи границы раздела (рис.

1.13), где образуется слойпространственных зарядов, разделенных узким промежутком δ . Между этимизарядами возникает электрическое поле с напряжённостью E , которое называютполем потенциального барьера, а разность потенциалов на границе раздела двухзон, обусловливающих это поле, называют контактной разностью потенциалов∆φк .Это электрическое поле начинает действовать на подвижные носителиэлектрических зарядов. Так, дырки в области p - основные носители, попадая взону действия этого поля, испытывают со стороны него тормозящее,отталкивающее действие и, перемещаясь вдоль силовых линий этого поля, будутвытолкнуты вглубь области p .

Аналогично, электроны из области n, попадая взону действия поля потенциального барьера, будут вытолкнуты им вглубьобласти п. Таким образом, в узкой области 8 , где действует поле потенциальногобарьера, образуется слой, где практически отсутствуют свободные носителиэлектрическихзарядовивследствиеэтогообладающийвысокимсопротивлением. Это так называемый запирающий слой.Если же в области p вблизи границы раздела каким-либо образом окажетсясвободный электрон, являющийся неосновным носителем для этой области, тоон со стороны электрического поля потенциального барьера будет испытыватьускоряющее воздействие, вследствие чего этот электрон будетпереброшен черезграницу раздела в область п, где он будет являться основным носителем.Аналогично, если в области п появится неосновной носитель - дырка, то поддействием поля потенциального барьера она будет переброшена в область p , гдеона будет уже основным носителем.