Учебник - ФОЭ (1267772), страница 15
Текст из файла (страница 15)
Каков физический смысл соотношения Эйнштейна?27. Что является необходимым условием соблюдением закона Ома в полупроводнике? Каковы возможные причины его нарушения?28. Каков физический смысл уравнения непрерывности?29. Дайте определения диффузионной длины, коэффициента диффузии, времени жизни, подвижности.30. Каково характерное распределение диффузионного потока инжектированных неосновных носителей по длине полупроводникового образца разных размеров?31. Что такое коэффициент переноса инжектированных ННЗ?32.
Охарактеризуйте двустороннюю/одностороннюю инжекцию ННЗ в короткий полупроводниковый образец.76Глава 2ПОЛУПРОВОДИКОВЫЕ ДИОДЫ НАЭЛЕКТРОННО-ДЫРОЧНЫХ ПЕРЕХОДАХПолупроводниковые диоды, характеристики которых определяютсясвойствами электронно-дырочного перехода, играют важную роль в современной электронике и как класс самостоятельных приборов, и какфункциональная часть других классов полупроводниковых приборов иинтегральных схем.
Полупроводниковый диод относится к числу базовыхэлементов твёрдотельной электроники.Под электронно-дырочным или р–n-переходом мы понимаем гальванический контакт полупроводников электронной и дырочной проводимости, содержащий область объёмного пространственного заряда (ОПЗ), илисобственно р–n-переход, и прилегающие к нему нейтральные п- и р-области. Соответствующий полупроводниковый диод отличается разве чтоналичием омических контактов, которые предполагаются по умолчанию.Электронно-дырочные переходы привлекли серьёзное внимание после того, как в 1938 г.
Д. И. Давыдов рассмотрел явления выпрямленияпеременного тока р–n-переходом и появления фотоэдс34. Математическаятеория р–n-перехода была заложена Шокли (W. Shockley35) в 1949 г.Туннельный диод создан в 1958 г японским физиком Л. Есаки (L.Esaki36), исследовавшим сплавные переходы сильно легированного германия. Своим названием диод обязан туннельному эффекту, посредствомкоторого носители заряда преодолевают потенциальный барьер.Анализ свойств электронно-дырочного перехода проведён на моделиидеального р–n-перехода.
Физические процессы рассмотрены на основеидеи диффузионно-дрейфового равновесия. Проведён физический выводвольтамперной характеристики диода. Разобраны механизмы формирования прямого и обратного токов. Аналитическим и физическим способамивведены ёмкости, а также схемы замещения диода по переменному току.Проанализированы температурные зависимости вольтамперной характеристики, тока и напряжения диода. Учтено влияние ряда физических факторов, не рассматриваемых моделью идеального р–n-перехода, на видвольтамперной характеристики диода.
Туннельный и обращённый диодырассмотрены на качественном уровне.2.1. Физические основы работы идеализированногор–n-переходаник. Логика физических процессов, направленных на восстановление равновесия, приводит к образованию пространственного объёмного заряда.Основой модели формирования выпрямляющего контакта металл–полупроводник в настоящем приложении является идея об образованииотрицательного объёмного заряда в полупроводнике за счёт непосредственной ионизации атомов акцепторной примеси электронами, пришедшими не из валентной зоны объёма полупроводника, как обычно, а из металла. Приход электронов обусловлен меньшей работой выхода металла.Выпрямляющий контакт металл–p-полупроводник может быть реализован, если работа выхода металла меньше работы выхода полупроводника АМ < АПП-к (рис.
3.2). При гальваническом контакте электроны металлаза счёт термоэлектронной эмиссии переходят в полупроводник. Перешедшие электроны ионизируют 3-х валентные атомы акцепторной примеси (заполняют недостающие связи, формируют ковалентные связи) в области контакта. В объёме полупроводника ионизация атомов акцепторнойпримеси происходит за счёт разрыва ковалентных связей собственныхатомов решетки и образования дырки, т.е.
за счёт перехода электронов иззоны проводимости на примесный уровень акцепторной примеси. В приповерхностной области контакта ионизация происходит за счёт электронов, пришедших из металла. При этом образуется ОПЗ отрицательно ионизированных атомов акцепторной примеси в полупроводнике и положительный заряд поверхности металла. Индуцированное объёмным зарядомэлектрическое поле в полупроводнике, направленное из металла в полупроводник, способствует увеличению эмиссии электронов из полупроводника в металл, выравнивает уровни Ферми.
Равновесие наступит, когда в системе установится единый для металла и полупроводника уровеньФерми. При этом на контакте зоны изгибаются «вниз» на величину, равную разности уровней Ферми: qU 0 = EFn − EFm , где U 0 – контактнаяразность потенциалов.
Изгиб зон образует потенциальный барьер qU0 дляОНЗ-дырок, переходящих из полупроводника в металл, и потенциальныйбарьер qϕ Bp для обратного перехода дырок из металла в полупроводник(рис. 3.2б).1При гальваническом контакте электронного и дырочного полупроводников электроны из n-полупроводника, где они основные носителиПо предложению Друде.В 1874 г.3В настоящее время таблица Менделеева содержит почти вдвое больше – 116элементов.4Нанотрубки – продукты нанотехнологии.
Термин «нанотехнология» введён в1974г японским физиком Норё Танигути для описания процессов построения но-77227Формирование, диффузионно-дрейфовое равновесие2вых объектов и материалов при помощи манипуляций с отдельными атомами.Нанометр – 10–9м.5Индекс от англ. Valance.6Индекс от англ. Conductance7В физике в таком случае говорят о «квазичастице».8Часто обозначения физических величин, относящихся к собственному полупроводнику, имеют индекс i – от англ. intrinsic – присущий, собственный.9Носители называются основными носителями заряда (ОНЗ), если их концентрация больше концентрации собственных носителей заряда ni при данной температуре.
В противном случае их называют неосновными носителями заряда (ННЗ).10Примером иного механизма формирования СНЗ являются углеродные нанотрубки и графен, где СНЗ могут создаваться за счёт структуры материала (см. рис.1.4).11При комнатной температуре Т=Т0 = 300 К интервал κ T0 = 4,14 ⋅ 10−21 Дж == 0,026 эВ; 1 эВ1238κ T0 .Для ориентировки: e2 = ( 2,72 )27, 4; e 2,3 10; e320; e4,610213В такой записи функция Максвелла–Больцмана (в отличие от функции Ферми–Дирака) показывает, что относительное число частиц с энергией выше некоторогозначения экспоненциально падает при увеличении их энергии.14Химический (термодинамический) потенциал определяет приращение энергиисистемы частиц при увеличении числа частиц на единицу.
Поэтому энергия Ферми определяется общим числом частиц.15Отметим, что если взять другие сопряженные физические величины, например,энергию и время или амплитуду и фазу сигнала, то получим аналогичные неравенства, предел которых вытекает из соотношения (1.12).16Иначе: на одном энергетическом уровне могут находиться два электрона с противоположными спинами.17Подчёркивая значимость этого равенства, его называют иногда уравнением полупроводника.18См. сноску №8.19Использовано линейное приближение ряда Тейлора(1 + x )½ ≈ 1 + (½ ) x + ⋅ ⋅ ⋅ .Решение с отрицательным знаком перед радикалом отброшено, т.
к. должно бытьпп > 1.20Эта область температур соответствует состоянию примесного истощения (см.основной текст ниже).21По умолчанию предполагается, что речь идёт об ионизированных атомах примеси или, что все атомы примеси ионизированы.22Отсюда очевидно, что применительно к характеристикам полупроводниковыхприборов понятия низких (малых) и высоких (больших) температур связаны сконцентрацией и природой примеси, а не только с показаниями градусника.23Напомним, что T K = t C + 273,15 C.22824В предположении кусочно-ломанного графика энергетических зон, использованного для того, чтобы чётко обозначить границы существования поля.25С выводом формулы Шокли–Рида–Холла можно познакомиться, например, вкнигах: Смит Р.
Полупроводники. М.: Мир, 1982; Бонч-Бруевич В.Л., КалашниковС.Г. Физика полупроводников. М.: Наука, 1977.26В равновесном состоянии r = g. Отсюда получаем условие термодинамическогоравновесия np = ni2 (1.18а).27Индекс t от англ. trap – ловушка.Понятие тока смещения ввёл шотландский физик Д.К. Максвелл. Формальнойпричиной послужила необходимость согласования собственных уравнений электродинамики с уравнениями для постоянного тока.29Напомним, в школьном курсе физики этот закон формулируется так: «Сила токаво всех участках последовательной цепи одинакова».30Отметим, что в этом одна из причин температурной зависимости подвижности,электрического сопротивления полупроводника и, в конечном счёте, дрейфовоготока.31Отрицательный знак перед производной от потока свидетельствует о снижениискорости потока в направлении х > 0.32Это равенство справедливо только в том случае, если по осям координат используются одинаковые масштабы.
Здесь и в дальнейшем по умолчанию предполагается, что у такого рода равенств названное условие выполнено.33См. сноску №32.34Давыдов Б.,– ЖТФ, 5, 7987 (1938).35Нобелевская премия в 1956 г совместно с J. B. Bardeen и W. Brattain за исследование полупроводников и открытие транзисторного эффекта.36Нобелевская премия в 1973 г. совместно с ---------------------------за экспериментальные открытия эффекта туннелирования в полупроводниках и сверхпроводниках.37Другие физические модели формирования ОПЗ и внутреннего электрическогополя см.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
