Касаткин А.С., Немцов М.В. Курс электротехники (2005) (1021859), страница 39
Текст из файла (страница 39)
д. С электрофизической точки зрения этот процесс можно представить кзк хаотическое движение в кристалле свободных дырок с положительным зарядом, равным заряду электрона. Такой поэ!упровод!ек называется полупроводником с дырочной электропроводностью или полупроводником р-гипа, а соответствующая примесь — акцепгорной. На рис. !0,2 приведено условное изображение идеального полупроводника р-типа.
Хотя в обоих рассмотренных выше процессах участвуют только электроны, введение фиктивных дырок с положительным зарядом удобно с методической точки зрения. Свободные электроны и дырки возникают не только в полупроводниках, содержащих примеси, но и в идеальных полупроводниках без примесей, если энергии внешнего источника достзточно для разрыва валентной связи. Разрью одной взлентной связи в электрически нейтрзльном атоме кремния эквивалентен рождению пары "л!ектрондырка", изображенной условно нз рис. !0.3.
Этот процесс называе!ся генерацией или гермогеиераииеи, если исто и!иком энергии служит тепловая энергия Одновременно протекает и обратный процесс рессомбимаиия, т, е. восстановление валентной связи при встрече электрона и дырки. Благодаря термогенерации в идеальном полупроводнике как с донорной, так и с акцепторной примесью имеются свободные заряды обоих знаков. Для полупроводников и-типа свободные электроны называются основными, а дырки — неосновными носителями заряда.
Лля полу. проводника р.типа основными носителями заряда служат дырки, а не- основными — электроны, В дальнейшем эти заряды будем называть сокращенно основными и неосновными носителями. Концентрация основных носителей, т. е. их число в 1 см, обычно значительно превьацает концентрацию неосиовных носителей. Если в однородном полупроводниковом стержне создать при по- моши внешнего источника электрической энергии напряженность электрического поля й, то наряду с хаотическим (тепловым) движением электронов и дырок возникнет их упорядоченное движение (дрейф) в противоположных направлениях, т. е.
электрический ток, называемый током нроводимостиг (10.1) 1=! +), а л' где ! н ! — электронная и дырочная составляющие тока. и р За время свободного пробега среднего расстояния 1, между атома. СР ми полупроводника подвижные носители зарядов приобретают кинетическую энергию 11) = с! Е'.
ср (1О 2) Этой знер)ии при напряженности электрического полн В > 6 МВ(м достаточно для у!Ирного возбуждения атомов полупроводника, 1 е разрьюа в них валентных связей и рождения пары "электрон-дырка". Происходит резкое увеличение числа подвижных носителей заряда и, следовательно, удельной проводимости полупроводника Описанное явление называется лавинныл) пробоем. Лавинный пробой обратим Свойства полупроводника восстанавливая)тсл при уменьшении напряженности электрического поля.
Этим лавинный пробой отличается от теплового пробоя Последний наступает за лавинным пробоем при дальнейшем увеличении напряженности электрического поля и вызывает разрушение попупроводника, 10.2. КОНТАКТНЫЕ РВЛЕНИР В ПОЛУПРОВОДНИКАХ В полупроводниковых приборах использу)ется специфические явления, возникающие на границе раздела как между полупроводнн. ками р- л н-типов, гак и между этими полупроводниками и диэлектриками,а также мещллами 239 А.
Контактные явления на границе полупроводников р- и л-типов. Для удобства анализа воспользуемся ицеализированной плоскопараллельной конструкцией границы раздела полупроводников (рис, ! 0.4, а), Рассмотрим сначала явления на границе раздела идеальных полупроводников л. и р-типов, в которых будем пренебрегать термогенерацией, т е неосновными носителями, Вследствие разности концентраций свободных дырок и электронов по обе стороны от границы раздела полупроводников при разомкнутой цепи источника энергии из полупроводника р-типа часть дырок диффундирует в полупроводник л.типа, а из Полупроводника ~-типа часть электронов диффундирует в полупроводник р-типа, полностью рекомбинируя между собой.
В результате вдоль границы раздела полупроводников возникают слои неподвижных отрицательных и положительных ионов соответственно со стороны полупроводников р- и и-типов, которые образуют р-л переход. Абсолютные значения зарядов обоих слоев одина. ковые. Возникающее между этими слоями электрическое поле с напряженностью И препятствует дальнейшей диффузии свободных дырок и электрогюв через границу раздела. При некотором значении напряженности электрического поля в р-л переходе диффузия через границу раздела полностью прекращается, Если на границе раздела (х = 0 на рис.
10.4,б) принять значение потенциала ~г(0) =О, то распределение потенциала в полупроводниках р- и л-типов будет определяться зависимостью х тг = )' бах (10.3) о Разность потенциалов ~~а на р-л переходе называется высотой потенциального барьера. Если к свободным торцам полупроводников р- и л-типов подключить источник энергии с напряжением (/ ( О, то высота потенциального барьера возра тет и в цепи не будет тока. Если напряжение источника сl > О, то высота потенциального барьера уменьшится и в цепи возникнет электрический ток. Следовательно, в идеальном р-л переходе может быть электрический ток диффузии основных носителей У ф только одного направления. диф Явление термогенерации несколько изменит процессы в р-л пере. ходе.
При увеличенш~ потенциального барьера под действием внешнего источника энергии ток уже не равен нулю. Вследствие малой ин. тенсивности термогенерации значение этого тока невелико. Б. Явления в приграничном слое полупроводника под действием электрического поля. Рассмотрим процессы в поверхностном слое полупроводника л-типа, приняв наличие в нем подвижных основных (электроны) и неосновных (дырки) носителей зарядов. Для полупроводника р-типа явления аналогичны. Для анализа воспользуемся идеализированной моделью двухслойного плоского конденсатора (слой полупроводника и-типа имеет контакт с одной пластиной кон- 240 1 Рис. 10.5 Рис.
10.4 0оогащенногй слой Рис. 10.6 денсатора и отделен от другой пластины вакуумным промежутком), подключенного к источнику электрической энергии (рис. 10.5) . В зависимости от значения и полярности приложенного к конденсатору напряжения явления в слое голупроводника на границе с вакуумом имеют различный характер При отсутствии напряжения (У = О) основные и неосновные носители распределены равномерно в объеме полупроводника (рнс. 10,5) При указанной на рис, 10.6 полярности напряжения (У > О) в слое полупроводника на его границе с вакуумом под действием электрического поля концентрация электронов возрастает.
Одновременно снижается концентрация дырок за счет усиления рекомбинации. Остальная часть полупроводника остается электрически нейтральной. Пограничный слой с избытком основных носителей называется обогащенным слоем, Его удельная проводимость велика. Если изменить полярность напряжения (/= У < О, то концентрация 1 электронов в приграничном слое уменьшится, а концентрация дырок незначительно увеличится (рис, 10.7).
Приграничный слой с недостат. ком основных носителей называется обедненным слоем, Его удельная проводимость мала. При определенном значении напряжения У, < У < 0 в тонком 1 слое полупроводника у его границы раздела с вакуумом концентрация дырок может превысить концентрацию электронов, что приводит к изменению в нем типа электропроводности (рис. 10.8).
Приграничный слой, проводимость которого определяется неосновными носителя- 241 05<05<0 Индерснь~й Одедненный слой слои Рис. !О.а Ооедненный слой Рис. )0.7 ми, назьвается инверсным слоем Его удельная проводимость и толщина возрастают с увеличением абсолютного значения напряжения Уг. В. Контактные явления на границе диэлектрика и полупроводника, Различные вещества имеют различную работу выхода электронов, т.
е. наименьшую энергию, необходимую для вывода одного электрона из вещества в вакуум, Этот процесс количественно определяется значением потенциала выхода 55, равно~о отношению работы выхода к заряду электрона. Рассмотрим явления, которые при этом возникают на границе раздела диэлектрика и полупроводника, приняв в последнем наличие основных и неосновных носителей. Для полупроводников и- и р-типов на основе кремния потенциал выхода практически одинаковьщ; (о .( ) = р . = 55 .
= 4,8 В, а для Рл(н) = Ядр) 0! диэлектрика из двуокиси кремьшя 55 . = 4,4 В. В результате проис- 0)05 ходит переход части электронов из диэлектрика в полупроводник, так что приграничный слой у диэлектрика заряжается положительно, а у полупроводника — отрицательно. Возникающее межпу слоями электрическое поле напряженностью Ы препятствует этому процессу, приводя его в равновесное состояние. Под действием этого электрического 555((ь) (55ьос 555((Р) 555( ос е 0йогащенньш слой 5 Одедненнь~й Индерсный слой слой Рис !О )О Рис )0.9 поля аналогично рассмотренным выше процессам (см.
рис. 10.6 и 10.8) в приграничном слое у полупроводника л-тнпз образуется обогащенный слой (рис. 10,9), а у полупроводника р-типа — инверсный, а за ним обедненный слой (рис. 1О.!О), Г, Контактные явления на границе полупроводника и металла. Если потенциал выхода для металла Р меньше потенциала выходз для полум проводника л-типа Р .< ), то происходит преимущественный переход ел<я) ' электронов из металла в полупроводник, в приграничном слое которого возникает обогащенный слой подобно представленному на рис. 10.9. Такой контакт проводит ток в обоих направлениях и используется для конструирования выводов полупроводниковых приборов, Если потенциал выхода для металла чь больше потенциала выхода м для полупроводника )з .< ), то у границы раздела в металле образуется Бця) ' слой с отрицательным зарядом, а в полупроводнике — обедненный слой с положительным зарядом.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
