14-04-2020-ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ-ПРИБОРЫ-И-УСТРОЙСТВА-ВЕЛИЧКО (1171919), страница 5
Текст из файла (страница 5)
раза,называют диффузионной длиной. Иначе говоря, это расстояние, накоторое носитель диффундирует за время жизни. Таким образом,диффузионная длина связана с временем жизни носителей зарядаследующим соотношениемL D .defj др E ,(3.4)где σ - удельная проводимость,Е - напряженность электрического поля.Плотность дрейфового тока в кристалле определяется величинойзаряда, переносимого носителями через единое сечение в единицувремени (рис. 3.3).(3.3)ДрейфНаправленное движение носителей заряда под действиемэлектрического поля называют дрейфом. Электроны, получая ускорениев электрическом поле, приобретают на длине свободного пробегадополнительную энергию около 10-8 - 10-4 эВ. При этом электроныпереходят на более высокие энергетические уровни (разница в энергияхмежду соседними энергетическими уровнями в разрешенной зоне около10-22 эВ).
При очередном соударении электрона с атомомкристаллической решетки электрон отдает кристаллической решеткенакопленную на длине свободного пробега энергию, возвращаясь наодин из низко лежащих энергетических уровней в разрешенной зоне.Так можно представить процесс электропроводности в результатедвижения электронов в зоне проводимости и в валентной зоне. Однако,учитывая почти полное заполнение электронами энергетическихуровней валентной зоны, удобнее рассматривать в валентной зонедвижение дырок: дырки, двигаясь по направлению вектораэлектрического поля и приобретая в этом поле дополнительнуюэнергию, переходят по энергетической диаграмме на более низкиеэнергетические уровни.Рис.
3.3. Полупроводник длиной dx и сечением ds = 1Так как dQ q n dS dx ,jдр dQdtdS 1тоq n dx q n ср ,dtгде dS dx dV , ср - средняя скорость направленного движения носителей заряда.(3.5)3940Подставив выражение (3.5) в формулу (3.4), получим: E q n срили ср E.qnДля коэффициента пропорциональности между напряженностьюэлектрического поля и средней скоростью носителей заряда введемобозначение:,qn(3.6)где μ- подвижность носителей заряда.Чем больше подвижность, тем больше скорость направленногодвижения носителей при той же напряженности электрического поля.При равной концентрации примесей электронный полупроводник будетиметь большую удельную проводимость, чем дырочный, посколькуμ n > μ p.Рис.
3.5. Рассеяние на ионах примесейПри больших температурах преобладает рассеяние носителей зарядана тепловых колебаниях атомов кристаллической решетки. Поэтому сувеличением температуры в этом диапазоне температур подвижностьносителей уменьшается (рис. 3.6).Подвижность носителей зарядаНа подвижность носителей заряда в основном влияют два физическихфактора: хаотические тепловые колебания атомов кристаллическойрешетки (рассеяние носителей заряда на тепловых колебаниях атомовкристаллической решетки (рис. 3.4)) и электрические поляионизированных примесей (рассеяние на ионах примесей (рис. 3.5)).Рис. 3.6.
Температурная зависимость подвижности носителей зарядаВ диапазоне малых температур с уменьшением температурыуменьшаются тепловые скорости хаотического движения носителейзаряда, что приводит к увеличению времени пребывания носителявблизи иона примеси, т. е. увеличивается длительность воздействияэлектрического поля иона примеси на носитель заряда. Поэтому вРис. 3.4. Рассеяние на фононах4142диапазоне малых температур с уменьшением температуры подвижностьносителей также уменьшается.При увеличении концентрации примесей увеличивается и рассеяниена ионах примесей, т. е. уменьшается подвижность носителей заряда.Однако в диапазоне высоких температур преобладающим механизмомрассеяния носителей даже при большой концентрации примесейостается рассеяние на тепловых колебаниях атомов кристаллическойрешетки и соответственно кривые температурной зависимостиподвижности носителей заряда в диапазоне высоких температурпрактически не смещаются с увеличением концентрации примесей.Глава 4.
Электронно-дырочный и металлополупроводниковый переходыПодвижность носителей заряда связана с другим параметромполупроводника - коэффициентом диффузии D - соотношением,которое принято называть соотношением Эйнштейна:Dk T ,q(3.7)4.1. Электронно-дырочный переходЭлектронно-дырочный переход (p-n - переход) - это переходный слоймеждудвумяобластямиполупроводникасразнойэлектропроводностью,вкоторомсуществуетдиффузионноеэлектрическое поле.При идеальном контакте двух полупроводников с различным типомэлектропроводности из-за градиента концентрации носителей зарядавозникает их диффузия в области с противоположным типомэлектропроводности через плоскость металлургического контакта(плоскость, где изменяется тип примесей, преобладающих вполупроводнике (рис.
4.1)).где k T / q T 0.026 В - тепловой потенциал (при T=300 K).Рис. 4.1. Пространственное распределение зарядов в p-n – переходеВ результате диффузии носителей заряда нарушается электрическаянейтральность примыкающих к металлургическому контакту частеймонокристалла полупроводника. В p-области вблизи металлургического4344контакта после диффузии из нее дырок остаются нескомпенсированныеионизированные акцепторы (отрицательные неподвижные заряды), а вn-областинескомпенсированныеионизированныедоноры(положительныенеподвижныезаряды).Образуетсяобластьпространственного заряда, состоящая из двух разноименно заряженныхслоев. Между нескомпенсированными разноименными зарядамиионизированных примесей возникает электрическое поле, направленноеот n-области к p-области и называемое диффузионным электрическимполем.
Возникшее диффузионное электрическое поле препятствуетдальнейшей диффузии основных носителей через металлургическийконтакт - устанавливается равновесное состояние. Между n- иp-областями при этом существует разность потенциалов, называемаяконтактнойразностьюпотенциалов.Потенциалn-областиположителен по отношению к потенциалу p-области.В состоянии термодинамического равновесия диффузионные токиосновных носителей заряда, способных преодолеть потенциальныйбарьер, будут уравновешены соответствующими дрейфовыми токаминеосновных носителей заряда, и суммарный ток будет равен нулю.Энергетическая диаграмма p-n переходаЭнергетическая диаграмма электронно-дырочного перехода притермодинамическом равновесии изображена на рис.
4.2.Рис. 4.2. Энергетическая диаграмма p-n перехода4546Вдали от контакта двух областей электрическое поле отсутствует(если соответствующие области легированы равномерно) илиотносительно мало по сравнению с полем в p-n - переходе. Поэтомуэнергетические зоны в этих областях изображены горизонтальными.Взаимное расположение разрешенных зон за пределами p-n - переходаостается таким же, каким было в соответствующих полупроводниках.Так как напряженность диффузионного электрического поля вp-n - переходе направлена от электронного полупроводника кдырочному, на диаграмме соответствующие энергетические зоны для nобласти должны быть ниже, чем для p-области. Сдвиг зонсоответствует контактной разности потенциалов ( k ) или высотеНа этой диаграмме, показывающей распределение потенциала вдольоси х, перпендикулярной плоскости раздела двух полупроводников, занулевой потенциал принят потенциал граничного слоя.Следует отметить, что объемные заряды разных знаков возникаютвблизи границы p-n - областей, а положительный потенциал n илипотенциального барьера ( q k ) электронно-дырочного перехода.Потенциальный барьер p-n переходаМежду образовавшимися объемными зарядами возникает контактнаяразность потенциалов.
На рис. 4.3 изображена потенциальнаядиаграмма p-n - перехода для случая, когда внешнее напряжение кпереходу не приложено.отрицательный потенциал p создается одинаковым по всей области nили p. Если бы в различных частях области n или p потенциал былразличным, т. е. была бы разность потенциалов, то возник бы ток, врезультате которого все равно произошло бы выравнивание потенциалав данной области.
Нужно помнить, что заряд и потенциал имеют разныйфизический смысл. Там, где есть электрический потенциал, необязательно должен быть заряд.Как видно, в p-n - переходе возникает потенциальный барьер,препятствующий диффузионному переходу носителей. На рис. 4.3изображен барьер для дырок, стремящихся за счет диффузииперемещаться слева направо (из области p в область n).Высота барьера равна контактной разности потенциалов и обычносоставляет десятые доли вольта. Чем больше концентрация примесей,тем выше концентрация основных носителей и тем большее число ихдиффундирует через границу. Плотность объемных зарядов возрастает,и увеличивается контактная разность потенциалов k , т.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
