Лекции9 (1055169)

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМ. Н.Э. БАУМАНАДисциплина:Физические основы электронных приборовМихайлов Валерий ПавловичЛекция № 12Идеальный p-n – переходЭлектронно-дырочный переход или p-n - переход – этопереход между двумя областями полупроводника, одна из которыхимеет электропроводность p- типа, а другая - n-типа.Предположим, что p-n - переход образован в кристаллеполупроводника, одна часть которого легирована акцепторнымипримесями (p-область), а другая донорными (n-область),причем концентрации примесей равны: NA=ND. При этом pобластьхарактеризуетсяравновеснымиконцентрациямиосновных носителей заряда pP и неосновных носителей nP.Соответственно в n-области существуют основные носители nn инеосновные носители pn.

При этом pp>>np и nn>>pn, а также pp=nnи np=pn. Такой p-n - переход называют симметричным.Зонные диаграммы полупроводников до контактаБудем считать p-n - переход идеально резким и примемграницу за начало отсчета координаты X. Поскольку pp>>pn иnn>>np по обе стороны границы, то градиенты концентрацийотличны от 0:dpdx0иdndx 0 . В результате возникаетдиффузионное движение частиц: дырки движутся из p-областив n-область, а электроны – в обратном направлении.В результате диффузии частиц происходит искривлениеэнергетических зон вблизи границы p-n перехода (рис. а) навеличину потенциального барьера ek, где k – контактнаяразность потенциалов. Приграничную область шириной dназывают запирающим слоем.

В этой области происходитперераспределение:Симметричныйp-n - переход•Концентраций основных pp, nn и неосновных np, pnносителей заряда (рис. б);•Потенциала  (рис. в), равного Aвых/e, где Aвых –работа выхода электрона с уровня Ферми на нулевой уровеньэнергии;•Напряженности электрического поля (рис. г);•Плотности объемного заряда  (рис.

д).В процессе диффузии электроны перемещаются в p - областьирекомбинируютсдырками,образуянескомпенсированный отрицательный объемный заряд(рис. д), а дырки перемещаются в n-область, рекомбинируютсэлектронамииобразуютнескомпенсированныйположительный объемный заряд (рис. д). Этот двойной слойэлектрических объемных зарядов создает вблизи границыэлектрическое поле напряженностьюпрепятствует процессу диффузии.(рис.г), E котороеПод действиемEпроисходит дрейфовое движениечерез границу неосновных носителей зарядов pn и np. Такимобразом, через границу p-n перехода наблюдаются встречныепотокиодноименнодиффузионного тока:jDnзаряженныхчастиц.jD  jDp  jDn, гдеВеличинаjDpи- дырочная и электронная составляющие диффузионноготока.Дрейфовый ток:jd  jdp  jdn, гдеjdpдырочная и электронная составляющие дрейфового тока.иjdn-Равновесие на переходе устанавливается при условии:j  jD  jd  0 ,j0Фермигдеj- полный ток.

Приp-n - переход характеризуется единым уровнемE Fp  E FnОпределим(а).основныефизическиевеличиныидеального p-n перехода:1.Высотапотенциальногобарьераопределяетсяразностью уровней Ферми для областей p- и n-типа:e   k  EFn  EFp  kT  ln  kT  lnPpPnnnnpe  kПример: определитьлегированного бором B (N D  10 см163для германия,N A  10 см163) и фосфором P ().Концентрация собственных носителей заряда Geni  pi  1013 см 3 (для T=300 К). Если учесть, что всепримесные атомы ионизированы, тоКонцентрации неосновных носителейТаким образомe   k  8,62  105 эВКp p  nn  10 см16n p 300 К lnni2pp10161010иpn 3ni2nn 0,36 эВ2.

Соотношение концентраций по обе стороны перехода:Потенцируя выражение для ek , получаем:иnn  n p  eЗапирающийподвижнымиe kkTслойносителямиp p  pn  ee kkT.(p-nзаряда-переход)иегообедненсопротивлениезначительно выше сопротивления p- и n-областей. Поэтому егоиногда называют обедненной областью.3.Напряженность электрического поля - определяетсяд 2из уравнения Пуассона ,дx 2 ( x)  0гдеплотность объемного заряда в p-n - переходе;относительнаяполупроводника;диэлектрическая0- (x)--проницаемостьэлектрическаяпостоянная.Предполагая, что объемные заряды в p-n переходе образуютсяионизированными примесными атомами, запишем:Таким образом, p ( x)  e  N Aд 2дx2 n ( x)  e  N De N A  0д 2дx2e N D  0Интегрируя эти выражения, получим:xE  eN A  0dx  eN A  0 ( x  ( xP ))  eN A  0 ( x  x P ) ( x P  0)xPxnE  eN D  0dx  eN D  0 ( xn  x )( xn  0)xМаксимальное значение напряженностиПри x=0| Emax |eN A  xP  0| E max |eN D  xn  0:4.

Ширина p-n перехода.Интегрируя дважды уравнение Пуассона, получим:dгдеk2  0keN ANDN A N D- контактная разность потенциала.Прямое включение внешнего источника напряженияПрямымнапряженияназываетсяU,притакоекоторомеговключениеполярностьвнешнегообратнаконтактной разности потенциалов k p-n - перехода.Под воздействием U потенциальный барьер уменьшаетсядо величины e  (k U ),равновесие нарушается и черезпереход течет диффузионный ток основных носителей заряда(электронов и дырок). Переходя границу p-n - перехода, онистановятся неосновными. Этот процесс называется инжекциейнеосновных носителей заряда.Прямое включениевнешнего источниканапряженияУменьшениевызываетвысотыуменьшениепотенциальногошириныp-n-барьерапереходаdинапряженности электрического поля E в соответствии сранее полученными формулами.Приэтомконцентрациинеосновныхносителейвозрастают с увеличением U:гдеpn  pn 0  epn 0 , n p 0eUkTn p  n p0  e-неосновных носителей заряда.равновесныеeUkTконцентрацииУровень инжекции.pnДля определения приращенияконцентрацииинжектированныхиспользуется уровень инжекции:гдеnn 0,p p0n p,неосновныхpnnn 0носителейn ppp0- равновесные концентрацииосновных носителей.При  1 – уровень инжекции считают средним, при  >1– высоким.

В этих случаях в p- и n-областях возникаютнескомпенсированныеобъемныезарядыиэлектронейтральность p- и n-областей нарушается.Мы будем полагать, что  <<1, то естьуровеньинжекции низкий и p- и n-области за границами p-n -перехода электрически нейтральны.Обратное включение напряженияОбратнымназываетсятакоевключениевнешнегонапряжения U, при котором его полярность совпадает сэлектрическим полем контактной разности потенциалов p-n - перехода.Под действием U потенциальный барьер возрастает довеличины( jD  jd )e  ( k  U )ичерезпереход, равновесие нарушаетсятечетдрейфовыйтокнеосновных носителей заряда: дырок из n-области в pобласть и электронов - в обратном направлении.Обратное включениенапряженияВследствиеуходанеосновныхносителейихконцентрации в p-n - переходе снизятся до значений, близких кнулю.Этоявлениеназываютэкстракциейнеосновныхносителей заряда.Ток, возникающий при обратном включении напряжения,называют обратным током насыщения I0.Привозрастании напряжения обратный ток практически не меняетсяи может возрастать лишь за счет увеличения концентрацийнеосновных носителей заряда np и pn, то есть, при увеличении T.Поэтому I0 называют тепловым током.ВАХ идеального p-n переходаВАХ определяется уравнением:гдеI0I  I 0  (eeUkT 1)- обратный ток насыщения.При достаточно больших положительных U (прямая ветвь) Iвозрастает по экспоненциальному закону.Лекция №13Физические процессы в диодеПолупроводниковыйдиод–полупроводниковыйприбор с одним p-n - переходом, имеющий два вывода.

Приэтом одна из областей p-n - перехода имеет более высокуюконцентрацию примесей и образует эмиттер, а вторая область– базу.ВАХ идеального диода описывается уравнением:I  I 0  (eeUkT 1)Однако, в реальных диодах протекают физические процессы,неучтенные при анализе идеального p-n - перехода.Диод при подключении обратного напряженияРассмотрим обратную ветвь ВАХ реального диода (см.

рис.).Полный обратный ток определяется суммой составляющих:I обр  I 0  I g  I уТепловой токВ реальных диодах тепловой ток I0 (обратный ток насыщения)является частью полного обратного тока Iобр и определяетсякак:I 0 (T )  I 0 (T0 )  exp( T )где T0=300K, T  T  T0 ,коэффициент.- постоянныйОбратную ветвь ВАХТок генерацииВ реальных диодах в p-n - переходе происходитгенерация и рекомбинация носителей заряда.Генерация носителей заряда происходит под действиемконтактной разности потенциалов и внешнего обратногонапряжения U. Ток генерации можно записать так:Ig  e  S  d ni n  pгде e - заряд электрона, S - площадь поперечного сечения p-n перехода, d - ширина p-n - перехода, ni - концентрациясобственных носителей заряда, и  p - время жизниnносителей заряда.

Как видно из уравнения, ток Igпропорционален ширине запирающего слоя d, поэтому Ig растетпропорционально| k  U |ТокгенерацииIgпредставляетсобойскоростьобразования собственных носителей заряда.Ток утечкиТокутечкиIуопределяетсяповерхностнымиявлениями и пропорционален обратному напряжению U.Диод при подключении прямого напряженияПри подключении к диоду прямого напряженияуменьшается потенциальный барьерe  ( k  U )нарушается равновесие и возникает диффузионный токjD,,при котором начинается инжекция неосновных носителейзаряда.

Наряду с диффузионным током в p-n - переходевозникает также ток рекомбинации носителей заряда:Ir  e  s  d ni p  n exp( 2ekUT )Объемное сопротивление базыВслучаенизкогоуровня(<<1)инжекцииконцентрация подвижных носителей заряда в базе диодаменяется мало и объемное сопротивление базы равно:гдебrб 0   б nS- удельное сопротивление базы,n- длинабазы (n - области).Приневысокой(ND<<NA)еестепениобъемноелегированиябазысопротивление(n-области)сравнимоссопротивлением p-n - перехода. В этом случае необходимоучитывать падение напряжения на базе:U  U пер  U бВАХ кремниевого (Si) и германиевого (Ge) диодовGe –ni  2,5  1013 см 3; Si–ni  2  10 см103Биполярный транзисторТранзистор-полупроводниковыйприборснесколькими электрическими переходами, имеющий три илиболее выводов (термин транзистор происходит от английскогослова “transfer of resistor”- преобразователь сопротивления).Биполярный транзистор - транзистор, в которомиспользуются носители зарядов обеих полярностей.Устройство транзистора, выполненного по планарнойтехнологии (n-p-n транзистор)1-коллектор;2-база;3-эмиттерСхема включения p-n-p транзистора с общей базойРассмотрим работу p-n-p транзистора, включенного посхеме с общей базой.

Пусть NА.Э. = NА.К. и NД.Б. << NА.Э. Тогдабольшаячастьзапирающегослояэмиттерногоdэиколлекторного dк переходов находится в базовой области.Системанаходитсявсостоянииравновесияихарактеризуется единым уровнем Ферми ЕFp= ЕFn.Контактные разности потенциалов и потенциальныебарьеры соответственно равны: эб, кб, еэб, екб.Энергетическая диаграмма и распределение потенциалав p-n-p - транзисторе без внешнего напряженияПри работе транзистора в активном режиме наэмиттерный переход подается прямое напряжение (Uэ>0), наколлекторный переход - обратное (Uk<0).Таким образом, контактная разность потенциалов,потенциальный барьер и ширина эмиттерного переходауменьшаются [(эб-Uэ), е(эб-Uэ), dэ], а на коллекторномпереходе - увеличиваются [(кб+Uэ), е(кб+Uэ), dk].Энергетическая диаграмма и токи в транзисторе привключении внешнего напряженияВ результате на эмиттерном переходе начинаетсядиффузионноедвижениеосновныхносителейзарядов(дырок), происходит инжекция дырок из эмиттера в базу.Ширина базы выбирается такой, что время жизни неосновныхносителей - дырок  р >> времени движения в базе.

Характеристики

Тип файла PDF

PDF-формат наиболее широко используется для просмотра любого типа файлов на любом устройстве. В него можно сохранить документ, таблицы, презентацию, текст, чертежи, вычисления, графики и всё остальное, что можно показать на экране любого устройства. Именно его лучше всего использовать для печати.

Например, если Вам нужно распечатать чертёж из автокада, Вы сохраните чертёж на флешку, но будет ли автокад в пункте печати? А если будет, то нужная версия с нужными библиотеками? Именно для этого и нужен формат PDF - в нём точно будет показано верно вне зависимости от того, в какой программе создали PDF-файл и есть ли нужная программа для его просмотра.

Список файлов лекций