11-04-2020-МГТУ-P-N-ПЕРЕХОД-ВАХ-ВЫПРДИОД-ЧАСТЬ2-А (1171915)

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

Текст из файла

P-N ПЕРЕХОДТЕХНОЛОГИИ ИЗГОТОВЛЕНИЯВАХ P-N ПЕРЕХОДАВЫПРЯМИТЕЛЬНЫЙ ДИОД(лекционные материалы)•ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В ИДЕАЛИЗИРОВАННОМ P-N –ПЕРЕХОДЕ С ОДНИКОВОЙ ШИРИНОЙ ЗАПРЕЩЕННОЙ ЗРНЫ• Рассмотрим физические процессы, происходящие награнице раздела двух полупроводников с электронной идырочной проводимостями.• На рисунке 1 показан полупроводник, одна частькоторого имеет дырочную проводимость , а другаячасть – электронную - .• Напомним,чтокаждыйотдельновзятыйполупроводник типа p или n электрически нейтрален,неподвижный заряд одного знака скомпенсированподвижным зарядом противоположного знака.Рисунок 1 – P-N переход••••P – N ПЕРЕХОД• В дырочной части полупроводника концентрация дырок, какранее было показано, уже при комнатной температуре равнаконцентрации акцепторных примесей:• ≃ • (уравнение 9, слайд 26),• а концентрация электронов в области p определяетсяуравнением:• =.P – N ПЕРЕХОД• В электронной части полупроводника концентрацияэлектронов равна концентрации донорных примесей изначительнобольшеконцентрацииэлектроновдырочной части проводимости:• = Д > ,• а концентрация дырок• =Д> .P – N ПЕРЕХОД• Кроме того,• ≫ и• ≫ (рисунок 2,в),• т.

е. основными носителями в p- полупроводнике являютсядырки, а в n- полупроводнике – электроны.• Из- заразличной концентрациив p- и n- областяхполупроводника возникает ток диффузии, обусловленныйпереходом носителей зарядов из области с большейконцентрации в область с меньшей концентрацией, т. е.Рисунок 2,а•••Рисунок 2, б•Рисунок 2 а, в, г, д••агвд•Рисунок 2, б•••Рисунок2 а, д•••Рисунок 2 б, в, д•P – N ПЕРЕХОД• т.е. электронов из n- области электронов из n-области вp- область, а дырок из p – области в n-область.• Следует иметь в виду, что хотя диффузионноедвижение электронов и дырок происходит впротивоположных направлениях (рисунок 2,а), токи,обусловленные их движением, направлены в однусторону (рисунок 2,в), так как заряды электронов идырок имеют противоположные знаки ( занаправление тока принято направление движенияположительного заряда).P – N ПЕРЕХОД• Поэтому общий диффузионный ток через p-n переход равенсумме электронного и дырочного диффузионных токов:• − диф = диф + диф .

(1)• В отличии от газов, где диффузия продолжается до полноговыравнивания их концентраций, диффузия электронов и дырокне приводит к выравниванию концентраций электронов идырок по всему объему полупроводника.• Это вызвано тем, что диффузия заряженных частиц (электронов и дырок) сопровождается нарушениемэлектрической нейтральности кристалла в непосредственнойблизости от границ областей.P – N ПЕРЕХОД•В результате ухода дырок со стороны p- областивозникает пространственный отрицательный зарядионизированныхакцепторов,нескомпенсированный зарядом подвижных дырок, а состороны n – области вследствие ухода электронов,возникает пространственный положительный зарядионизированных доноров д , не скомпенсированныйэлектронами (2,г).

Пространственные заряды в переходеобразуют внутреннее электрическое поле ,направленное от положительно заряженных доноров котрицательно заряженным акцепторам.P – N ПЕРЕХОД• Между p и n областями устанавливается контактнаяразность потенциалов (рисунок 2,д). Возникшаявследствие диффузии контактная разность потенциалов• препятствует дальнейшей диффузии основныхносителей зарядов (электронов из n- области в p – областьи дырок из p – области в n – область), иначе говоря, междуp- и n- областями создается потенциальный барьер (ПБ)для движения основных носителей.• Этот потенциальный барьер могут преодолеть не всеносители заряда, а лишь те, у которых достаточнаяэнергия.P – N ПЕРЕХОД•Поэтому выравнивание концентрации электронов и дырок повсему объему кристалла не происходит.• Одновременно эта контактная разность потенциалов своимполем оказывает ускоряющее действие на движениенеосновных носителей зарядов p-n перехода (дырок из nобласти в p- область и электронов из p- области в n- область).• Движение неосновных носителей образует дрейфовый ток,направленный навстречу диффузионному току.• Рост контактной разности потенциалов будет продолжаться дотех пор, пока уменьшающийся диффузионный ток остаетсяP – N ПЕРЕХОД• больше дрейфового тока.• Величина контактной разности потенциалов зависит отконцентрации акцепторных и донорных примесей и оттемпературы (3).• В равновесном состоянии• диф = дрейф , а ток через переход• − = диф +дрейф = 0.P – N ПЕРЕХОД• Контактную разность потенциалов можно определитьиз выражения:• = д(3)• Встречная диффузия электронов и дырок в контактнойобласти сопровождается усиленной их рекомбинацией иобразованием нейтральных атомов.• Это приводит к образованию слоя, обедненногоподвижными носителями зарядов и имеющего высокоеудельное сопротивление.

Этот слой l называетсязапирающим (рисунок 2 а, б).P – N ПЕРЕХОД• Средняя глубина проникновения дырок в n- область темменьше, чембольше в этой области концентрацияэлектронов, так как вероятность столкновенияэлектронов и дырок и их рекомбинация увеличиваются.Это положение справедливо и для средней глубиныпроникновения электронов в p- область. Шириназапирающего слоя в равновесном состоянии можетбыть определена из выражения:• = ( + Д ) Д,(4)P-N переход• где ε – диэлектрическая проницаемость кристалла,• д, - концентрация соответственно донорной иакцепторной примесей.• Для симметричного полупроводника Д = . Поэтомувыражение (4) упрощается и принимает следующийвид:• = .(5)P-N переход• Практически в зависимости от концентрации примесейпри комнатной температуре величина колеблется• для германия 0,2 – 0,4 В;• для кремния 0,5 – 0,9 В.• Ширина запирающего слоя перехода колеблется от сотыхдолей до единиц микрон.ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ ДИАГРАММА P – NПЕРЕХОДА• Если в изолированных полупроводниках с электронной идырочной проводимостями уровень Ферми различен, топриобразованииp-nпереходапроисходитраспределение заряженных частиц между этимиобластями.

Возникает поток электронов из области, гдеони находятся на более высоких энергетическихуровнях, в область, где они находятся на более низкихэнергетических уровнях.ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ ДИАГРАММА P – NПЕРЕХОДА•Перераспределение заряженных частиц будетпродолжаться до тех пор, пока средняя энергиязаряженных частиц, а следовательно и уровеньФермивобеихчастяхкристалланевыравниваются, подобно уровню жидкости всообщающихся сосудах.ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ ДИАГРАММА P – NПЕРЕХОДА• Таким образом, в равновесном состоянии электронно –дырочного перехода уровень Ферми во всех областях одинаков.На рисунке 3 представлена зависимость уровня Ферми оттемпературы в полупроводниках типа n и типа p до ихсоприкосновения.• В полупроводнике типа n уровень Ферми выше, чем вполупроводниках типа p.• На рисунке 4 показана энергетическая диаграмма p-n перехода.При соприкосновении p и n полупроводников распределениеэнергетических уровней происходит так, чтобы уровни Ферми••Рисунок 3 a) Зависимость уровня Ферми оттемпературы в полупроводнике типа n•Рисунок 3 б) Зависимость уровня Ферми оттемпературы в полупроводнике типа p•ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ ДИАГРАММА P – NПЕРЕХОДА• с обоих сторон от контакта установились на однойвысоте.• Как видно из рисунка 4, контакт p-n перехода приводит кискривлению энергетических зон: все энергетическиезоны полупроводника типа n оказываются нижесоответствующих энергетических зон полупроводникатипа p.• Это означает, что на границе p- и n- областей появляетсяэнергетический барьер (ЭБ), который тормозитРисунок 4-энергетическая диаграмма p-nперехода в равновесном состоянии•Энергетическая диаграмма pn – перехода вравновесном состоянии (вариант2)•ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ ДИАГРАММА P – N ПЕРЕХОДАпроникновение из области n- в область p-, а также дырок из pобласти в n- область, т.е.

барьер току диффузии, плотностькоторого определяется выражениями (20),(21) (слайд 49).• Величина энергетического барьера будет определятьсявыражением:• ЭБ = q .• Однако этот энергетический барьер является ускоряющим дляперемещения электронов из p- области в n- область, и дырокиз n- области в p- область, т. е. дрейфового тока, плотностькоторого определяется выражениями (15), (16).•ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ ДИАГРАММА P – N ПЕРЕХОДА(РАВНОВЕСНОЕ СОСТОЯНИЕ)• Таким образом, в равновесном состоянии (приотсутствиивнешнегоэлектрическогополя)диффузионный ток компенсируется дрейфовым токоми суммарный ток через p-n переход равен нулю.ПРЯМОЕ ВКЛЮЧЕНИЕ P-N - ПЕРЕХОДА• Подключим p- область кристаллак положительномузажиму источника, а n- область к отрицательному зажимуисточника питания.• Как показано в ранее рассмотренном материале, p-nпереход обеднен подвижными носителями заряда и имеетзначительно большее электрическое сопротивление посравнению с сопротивлением p- и n- областейполупроводника.•ПРЯМОЕ ВКЛЮЧЕНИЕ P-N - ПЕРЕХОДА• Поэтому внешнее напряжение почти полностью падает наp-n- переходе, а падение напряжения в областях, лежащихпо обе стороны p-n – перехода, обычно оказываетсянастолько малым, что им можно пренебречь.• При таком включении источника, результирующеенапряжение на переходе − становится меньшеконтактной разности потенциалов:• − = к - U,(6) `•••••ПРЯМОЕ ВКЛЮЧЕНИЕ P-N - ПЕРЕХОДА• где − контактная разность потенциалов,• U – приложенное внешнее напряжение,• − - напряжение на переходе, что приводит кпонижению высоты потенциального барьера.• В результате снижения высоты потенциального барьераначинается интенсивное движение основных носителейзарядов (дырок из p- области в n-область и электроновиз n- области в p- область полупроводника).ПРЯМОЕ ВКЛЮЧЕНИЕ P-N - ПЕРЕХОДА• Этоведет к нарушению между дрейфовым идиффузионными токами, (что имело место в равновесномсостоянии).• Диффузионный ток растет, и результирующий ток черезпереход становится не равным нулю:• − = − диф + − дрейф ≠ 0.(7)• Внешнее напряжение при таком включении называетсяпрямым напряжением, а ток, вызванный действиемпрямого напряжения, называется прямым током.• Прямое напряжение уменьшает ширину запирающего слояи сопротивление p-n перехода.ПРЯМОЕ ВКЛЮЧЕНИЕ P-N - ПЕРЕХОДАШирину p-n перехода при прямом напряжении пр• можно определить по выражению (4), подставив вместо • результирующее напряжение перехода:•• = ( + Д )( −пр ) Д,(8)• При прямом включении в результате уменьшенияпотенциального барьера p-n – переходадырки,движущиеся из p- области полупроводника к p-n –переходу, преодолевают его, попадают из p- области в nобласть и увеличивают концентрацию неосновныхносителей (дырок) в n- области.ПРЯМОЕ ВКЛЮЧЕНИЕ P-N - ПЕРЕХОДА• По мере перемещения в n- области концентрация дырокиз-за рекомбинации с электронами уменьшается доравновесной.

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 учебной работы