Электротехника Касаткин (967630), страница 39
Текст из файла (страница 39)
Хотя в обоих рассмотренных выше процессах участвуют только эЛектроны, введение фиктивных дырок с положительным зарядом удобно с методической точки зрения, Свободнью электроны н дырки возникают не только в полупроводниках, содержащих примеси, но и в идеальных полупроводниках без примесей, если энергии внешнего источника достаточно для разрыва валентной связи. Разрыв одной валентной связи в электрически нейтральном атоме кремния эквивалентен рождению пары "электрон— дырка", изображенной условно на рис.
10.3. Этот процесс называется генерацией или гермогенерацией, если источником энергии служит тепловая энергия Одновременно протекает и обратный процесс — рекомбилация, т. е. восстановление валентной связи при встрече электрона и дырки. Благодаря термогенерации в идеальном полупроводнике как с донорной, так и с акцепторной примесью имеются свободные заряды обоих знаков. Для полупроводников и-типа свободные электроны называются основными, а дырки — нсосновными носителями заряда. Для полупроводника р-типа основными носителями заряда служат дырки, а не- основными — электроны. В дальнейшем эти заряды будем называть сокращенно основнымн и неосновными носителями.
Концентрация основных носителей, т. е. их число в 1 смз, обычно значительно превышает концентрацию неосновных носителей, Если в однородном полупроводниковом стержне создать при помощи внешнего источника электрической энергии напряженность электрического поля б, то нарнду с хаотическим (тепловым) движением электронов и дырок возникнет их упорядоченное движение (дрейф) в противоположных направлениях, т.
е. электрический ток, называемый током проводимости: (10.1) [=1 +Р, п р* где 1 и 1 — электронная и дырочная составляющие тока. и р За время свободного пробега среднего расстояния) между атомаср ми полупроводника подвижные носители зарядов приобретают кинетическую энергию И~=с! б, ср (10.2) 20.2. КОНТАКТНЫЕ ЯВЛЕНИЙ В ПОЛУПРОВОДНИКАХ В полупроводниковых приборах используются специфические явления, возникающие на границе раздела как между полупроводниками р- и п-типов, так н между этими полупроводниками н диэлектриками, а также металлами. 239 Этой энергии при напряженности электрического поля 6 ) б МВ/м достаточно для ударного возбуждения атомов полупроводника, т. е разрыва в ннх валентных связей и рождения пары "электрон-дырка".
Происходит резкое увеличение числа подвижных носителей заряда и, 'следовательно, удельной проводимости полупроводника. Описанное явление называется лавинным пробоем. Лавинный пробой обратим. Свойства полупроводника восстанавливаются при уменьшении напряженности электрического поля. Этим лавннный пробой отличается от теплового пробоя, Последний наступает за лавинным пробоем прн дальнейппм увеличении напряженности электрического поля и вызывает разрупвние полупроводника. А.
Контактные явления на границе полупроводников р- и и-типов. Для удобства анализа воспользуемся идеализированной плоскопараллельной конструкцией границы раздела полупроводников (рис. 10.4, а). Рассмотрим сначала явления на границе раздела идеальных полупроводников л- и р-типов, в которых будем пренебрегать термогенерацией, т. е, неосновпыми носителями. Вследствие разности концентраций свободных дырок и электронов по обе стороны от границы раздела полупроводников при разомкнутой цепи источника энергии из полупроводника р.типа часть дырок днффундирует в полупроводник и-типа, а иэ полупроводника и-типа часть электронов диффундирует в полупроводник р.типа, полностью рекомбинируя между собой.
В результате вдоль границы раздела попупроводников возникают слои неподвижных отрицательных и положительных ионов соответственно со стороны полупроводников р. и н-типов, которые об. разуют р-и переход. Абсолютные значения зарядов обоих слоев одина. ковью. Возникающее между этими слоями электрическое поле с напря. жеииостью Й препятствует дальнейшей диффузии свободных дырок и электронов через границу раздела. При некотором значении напряженности электрического поля в р-и переходе диффузия через границу раздела полностью прекращается.
Если на границе раздела (х = 0 на рис. 10.4, б) принять значение потенциала у(0) = О, то распределение потенциала в полупроводниках р- и н-типов будет определяться зависимостью у=У бах. (10.3) е Разность потенциалов Лу на р-и переходе называется высотой потенциального барьера, Если к свободным торцам полупроводников р- и и-типов подкпючить источник энергии с напряжением У < О, то высота потенциапьного барьера возра тет и в цепи не будет тока, Если напряжение источника У) О, то высота потенциапьного барьера уменьшится и в цепи возникнет электрический ток, Следовательно, в идеальном р.и переходе может быть электрический ток диффузии основных носителей 1 Ф только одного направления, диф и Явление термогенерацин несколько изменит процессы в р-и переходе.
Прн увеличении потенциального барьера под действием внешнего источника энергии ток уже не равен нулю. Вследствие малой интенсивности термогенерации значение этого тока невелико. Б, Явпецня в приграничном слое попупроводника под действием электрического поля. Рассмотрим процессы в поверхностном слое полупроводника и.-типа, приняв наличие в ием подвижных основных (электроны) и неосновных (дырки) носителей зарядов. Для полупроводника р-типа явления аналогичны. Для анализа воспользуемся идеализированной моделью двухслойного плоского конденсатора (спой полупроводника л-типа имеет контакт с одной пластиной кон- 240 Ряс.
10.5 0догащогюгй слой Рас. 1О.б денсатора н отделен от другой пластины вакуумным промежутком), подключенного к источнику электрической энергии (рнс. 10.5) . В зависимости от значения н полярности приложенного к конденсатору напряжения явления в слое полупроводника на границе с ва.
куумом имегот различный характер. При отсутствии напряжения (У = О) основные н неосгювные носи. тели распределены равномерно в обаеме полупроводника (рис. 105). При указанной на рис. 10.6 полярности напряжения (У) О) в слое полупроводника на его границе с вакуумом под действием электрического поля концентрация электронов возрастает. Одновременно снижается концентрация дырок за счет усиления рекомбинации. Остальная часть полупроводника остается электрически нейтральной. Пограничный слой с избытком основных носителей назьеается обогащенным слоем.
Его удельная проводимость велика. Если изменить полярность напряжения У= У < О, то концентрация 1 электронов в приграничном слое уменьпвгтся, а концентрация дырок незначительно увеличится (рис. 10.7). Приграничный слой с недостатком основных носителей называется обедненным слоем. Его удельная проводимость мала. При определенном значении напряжения У < У, < 0 в тонком слое полупроводника у его границы раздела с вакуумом концентрация дырок может превысить концентрацию электронов, что приводит к изменению в нем типа злектропроводности (рис. 10.8).
Приграничнын слой, проводимость которого определяется неосновными носителя- 241 ил<и,<о Инберсный Обедненный слой слой Рис. 10.В ЙГедненный слой Рис. 10.7 ми, назьвается инверсным слоем, Его удельная проводимость и толщина возрастают с увеличением абсолютного значения напряжения бала. В. Контактные явления ла границе диэлектрика и полупроводника. Различные вещества имеют разлищую работу выхода электронов, т. е, наименьшую энергию, необходимую для вывода одного элеитрона из вещества в вакуум. Этот процесс количественно определяется значением потенциала выхода р, равного отношению работы выхода к за.
ряду электрона. Рассмотрим явления, которые при этом возникают на границе раздела диэлектрика и полупроводника, приняв в последнем наличие основных и неосновных носителей. Для полупроводников и. и р-типов на основе кремния потенциал вы. хода практически одинаковый: р .1 ) = р . ) = р . м 4,8 В, а для диэлектрика из двуокиси кремния р . ы~ 4,4 В. В результате происВ102 ходит переход части электронов из диэлектрика в полупроводник, так что приграничный слой у диэлектрика заряжается положительно, а у полупроводника — отрицательно.
Возникающее между слоями электрическое поле напряженностью б препятствует этому процессу, приводя его в равновесное состояние. Под действием этого электрического Юецн) боксе босс(о) э бее) ое е Ойоеаа)енный слой Обедненный Инберсный слой слой Рис.!0.10 Рис. 10.9 эаэ поля аналогично рассмотренным выше процессам (см. рис. 10.6 и 10.8) в приграничном слое у полупроводника л-типа образуетсл обогащенный слой (рис, 10.9), а у полупроводника р-типа — инверсный, а за ним обедненный слой (рис. 10.10) . Г.
Контактные явления на границе полупроводника н металла. Если потенциал выхода для металла;р меньше потенциала выхода для пслум проводника л-типа а ., „1, то происходит преимушестве1шый переход электронов из металла в полупроводник, в приграничном слое которого возникает обогащенный слой подобно представленному на рис. 10.9. Такой контакт проводит ток в обоих направлениях и используется для конструирования выводов полупроводниковых приборов. Если потенциал выхода для металла р больше потенциала выхода для полупроводника уе!(„1, то у границь1 раздела в металле образуется слой с отрицательным зарядом, а в полупроводнике — обедненный слой с положительным зарядом.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
