29_kospect_electro (555831), страница 2

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

Текст из файла (страница 2)

1.2 сопоставлена графически функция (1.1) для температур T=0 и T>0 с выделенными зонамиполупроводника с собственным типом проводимости. Указаны энергетические переходы, соответствующиеобразованию электронно-дырочных пар и их рекомбинации. Согласно функции (1.1), EF - это уровень,вероятность пребывания на котором электрона равна 1/2. При Т=0 валентная зона постоянно заполненаFn(E)=l, аEРис. 1.2. Энергетическая диаграмма собственного полупроводника и распределение подвижных носителей заряда поэнергиям при Т=0, Т>0зона проводимости пуста Fn(E)=0. Уровень Ферми E F совпадает с максимальной энергией, которую может иметьэлектрон при температуре абсолютного нуля. В собственном полупроводнике уровень Ферми расположен всередине запрещенной зоны и E F = (E C − EV ) 2 . С повышением температуры в результате термическихпроцессов в полупроводнике начинается образование электронов и дырок При этом существует вероятностьнахождения электронов в зоне проводимости и дырок в валентной зоне.

Концентрация свободных электронов идырок в собственном полупроводнике сильно зависит от температуры и ширины запрещенной зоны.Рассмотрим влияние примесей на формирование свободных носителей заряда и электропроводностьполупроводника. На энергетической диаграмме полупроводника донорные и акцепторные примеси образуютлокальные энергетические уровни, лежащие в запрещенной зоне:• уровни доноров находятся около дна зоны проводимости, их энергия ионизации ∆E n ;•уровни акцепторов - у потолка валентной зоны, их энергия ионизации (энергия отрыва электрона) ∆E nПри T>0 в полупроводнике происходят процессы генерации и рекомбинации, уровень Ферми смещается вэлектронном полупроводнике от середины запрещенной зоны вверх к уровню доноров. Чем больше концентрациядоноров, тем выше поднимается уровень Ферми.

При высоких концентрациях NД, уровень Ферми может оказаться взапрещенной зоне, выше уровня ЕД или попасть в зону проводимости.В результате введения примесей, в запрещенной зоне появляется локальный уровень акцепторов в близивалентной зоны. При Т>0 происходит тепловая генерация носителей заряда, сопровождаемая рекомбинацией.Электрон валентной зоны, получив небольшую энергию ∆E АК , может быть захвачен атомом акцептора иперейти на уровеньЕА , образовав в валентной зоне дырку. Уровень Ферми в полупроводниках р - типа смещается вниз.При большой концентрации примесей уровень Ферми оказывается в зоне проводимости полупроводникаn-типа или в валентной зоне проводника р - типа.

Это вырожденные полупроводники. По своим свойствамвырожденные полупроводники приближаются к металлам. При повышении температуры уровень Фермипримесного полупроводника приближается к середине запрещенной зоны. любой примесный полупроводник принагревании приближается к собственному, поскольку. концентрация подвижных носителей обоих знаковвыравнивается.Рис. 1.3. Энергетическая диаграмма примесного полупроводника n – типа и распределение подвижныхносителей заряда по энергиям при Т=0, Т>0EРис. 1.4.

Энергетическая диаграмма примесного полупроводника p – типа и распределение подвижных носителейзаряда по энергиям при Т=0, Т>0Рассмотрим процессы переноса носителей заряда в полупроводниках. В полупроводниках существует двамеханизма электропроводности – диффузия и дрейф. Диффузия – это перемещение свободных носителей зарядаиз области с большей концентрации в область с меньшей концентрации. Плотность диффузионного токаопределяется коэффициентом диффузии D и изменением (градиентом) концентрации носителей заряда dn dx :j Диф = − q Ddndx(1.2)q – заряд электрона или дырки.

Количество основных носителей заряда, проходящих через единичную площадкуполупроводника под действием градиента концентрации за время d t :dN = − Ddndtdx(1.3)Диффузионное движение носителей сопровождается рекомбинацией. Процессы рекомбинациихарактеризуется временем жизни носителей τ и диффузионной длиной L. Время жизни носителей определяетсяиз соотношения: tn(t ) = n 0 + ∆n 0 exp −  , τ(1.4)в этом соотношении n 0 - равновесная концентрация, которая определяется динамическим равновесием процессовтепловой генерации носителей и их рекомбинацией, ∆n0 - концентрация избыточных носителей, величина τхарактеризует время уменьшения избыточной концентрации ∆n 0 в е раз. Диффузионная длина L определяетсяиз выражения для изменения избыточной концентрации носителей: xn( x ) = n0 + ∆n 0 exp −  LДиффузионная длина связана с коэффициентом диффузии D и временем жизни носителей τ :(1.5)(1.6)L = Dτ .Диффузионные потоки электронов и дырок в неоднородной области полупроводника характеризуютсякоэффициентом диффузии, временем жизни и диффузионной длиной.Дрейф носителей заряда в полупроводнике происходит под действием внешнего электрического поля.Как и диффузия, это направленное движение носителей, когда к их средней скорости беспорядочного движениядобавляется составляющая скорости ∆V , пропорциональная напряженности поля Е :(1.7)∆V = µE ,здесьµ - подвижность свободных носителей заряда, µ n - для электронов, µ p - для дырок, µ n > µ p .

Плотностьсуммарного дрейфового тока, обусловленного электронами и дырками, определяет закон Ома дляполупроводника:()jдр = q n µ n + p µ p E(1.8)Отметим зависимость подвижности от температуры полупроводника:3Т 2µ (Т ) = µ 0  0  ,Т (1.9)( µ 0 - подвижность при Т0 =300 К) и напряженности электрического поля:µ = µ0Е крЕ(1.10)С увеличением напряженности электрического поля, когда напряженность поля превышает некотороекритическое значение E > E кр , подвижность носителей заряда уменьшается.

Подвижность связана скоэффициентом диффузии соотношением:D =ϕT µ ,в котором(1.11)ϕ T = k T q - температурный потенциал.Таким образом, для определения тока в полупроводнике, обусловленного носителями заряда (электронамии дырками) необходимо задать распределение их концентрации и напряженность электрического поля.2. Полупроводниковые диодыЛекция 2. Физические процессы в электронно-дырочных переходахВиды переходов в полупроводниковых структурах.

Зависимость контактной разности потенциалов отэлектрофизических параметров перехода. Электронно-дырочный переход в равновесных и неравновесныхсостояниях. Энергетические диаграммы. Формирование тока через переход.Электрический переход – это переходный слой в полупроводниковой структуре между двумяобластями с различными типами электропроводности или разными значениями удельнойпроводимости.

Физические процессы в переходах являются основой действия большинстваполупроводниковых приборов.Переход между областями полупроводников n- и p-типа называется электронно-дырочным или p-nпереходом. Электронно-дырочные переходы бывают симметричные и несимметричные. В симметричныепереходах концентрации электронов в n-области n n и дырок в p-области p p равны. В несимметричныхпереходах различие в концентрацияхносителей в 100…1000 раз. Сильно легированная областьполупроводниковой структуры (низкоомная) называется эмиттером. Слабо легированная область (высокоомная)называется базой.Резкий переход происходит тогда, когда толщина области изменения концентрации примесигораздо меньше толщины области пространственного заряда. В зависимости от площадиперехода бывают точечные и плоские - сплавные, диффузионные, планарные и эпитаксиальные.Рассмотрим идеальный плоскостной переход, при этом будем пренебрегать процессамигенерации и рекомбинации носителей заряда в области перехода.

Плоскостной переходсчитается идеальным, если граница p- и n- областей переход плоско параллельна и имеетбесконечную протяженность (пренебрегается краевыми эффектами).Концентрацияэлектронов в n-областиперехода больше, чем pобласти;концентрациядырок в p-области переходабольше, чем в n-области.Возникаютградиентыконцентрацииносителей,вызывающиедиффузионный ток: переходдырок из p-области в nобласть и электронов из nобластивp-область.Диффузия электронов идырокприводиткперераспределениюэлектрических разрядов: вn-областивследствиеуходов электронов остаетсянескомпенсированныйположительныйзаряддонорнойпримеси(например, ионов фосфора),а в p-области электронызанимают свободные меставатомахакцепторнойпримеси и у границыразделаобразуетсянескомпенсированныйотрицательныйзарядакцепторнойпримеси(например, ионов бора).

Этоэквивалентно уходу дырокиз p-области. В результатепотенциалp-областистановится отрицательнымпо отношению к n-области.Таким образом, происходитобразование в p-n переходедвойногоэлектрическогослоя ионов доноров иакцепторов, связанного скристаллической решеткой.Впереходномслоевозникаетэлектрическоеполе,вызывающеедрейфовый ток.Рассмотрим равновесноесостояние перехода, соответствующее отсутствию внешнего напряжения на переходе. Условиединамического равновесия процессов в переходе сводится к равенству дрейфового идиффузионного токов:J Др + J Диф = 0 .(2.1)Возникающая контактная разность потенциалов φ0 определяет высоту потенциального барьера на границеобластей и связана с параметрами полупроводниковой структуры:ϕ 0 =ϕ n −ϕ p =ppkT N A N Дln= ϕ T ln2qpnni(2.2)В выражении для контактной разности потенциалов (2.2) введены обозначения: ni – концентрация электроновпроводимости для собственного полупроводника, N A и N Д - концентрации акцепторов и доноров в p- и nобластях перехода, T - температура, k - постоянная Больцмана, p P и p n - концентрации дырок в p- и nобластях соответственно.

Процессы образования электрического поля в переходе и соответствующей контактнойразности потенциалов иллюстрируются на рис. 2.1.ϕ 0 для характерных значений параметров структуры (полупроводник германий), полагая ni = 2,5 ×10 см , N A = 1018 см-3, N Д = 1014 см-3, T = 300 К, получаем ϕ 0 = 0,36 В. При этомqϕ 0 ≥ 10 k T , это означает, что энергия электронов или дырок, необходимая для преодоления потенциальногоПроведем оценки величины13-3барьера в переходе, более чем в 10 раз превышает их среднюю тепловую энергию (за счет тепловой энергииносители заряда практически не могут преодолеть потенциальный барьер в переходе).Поясним, как выводится формула для ϕ 0 . Используется равенство диффузионного и дрейфового токадля одного типа носителей заряда (например, дырок:):− q DPи соотношениеобласти:DPµPdpdϕ− q pµ P=0dxdx(2.3)= ϕ T . После чего производится интегрирование (2.3) при граничных условиях для p-ϕ = ϕ P , p = p P ; для n-области: ϕ = ϕ n , p = p nРассмотрим распределение носителей заряда в переходе.

Проходя через переход основные носителизаряда преодолевают потенциальный барьер φ0 , а неосновные ускоряются полем:E 0 = − gradϕ 0 ≈ ϕ 0 X П ,(2.4)где X П – толщина переходного слоя, это обедненная область. Характерные значения толщины перехода X П ~10-4…10-5 см. Максимальное значение напряженности электрического поля достигает 3000 В/см. Внесимметричном переходе обедненная область располагается в менее легированной области. Толщинаэлектронно-дырочного перехода зависит от концентрации примесей и определяется соотношением:XП =2ε ϕ 0q 11 +.NNAД(2.5)Рассмотрим формирование энергетических зон электронно-дырочного перехода (см. рис.2.2 и 2.3).Уровень Ферми для единой системы, находящейся в термодинамическом равновесии представляется единойгоризонтальной линией на энергетической диаграмме. Этот уровень оказывается общим для р и n областей,относительное положение зон не изменяется, энергетические зоны лишь изгибаются в области перехода, т.е.становятся наклонными.

Характеристики

Список файлов ответов (шпаргалок)