Реферат: Полупроводники, р-n переход

Полупроводники

Полупроводникиобязаны своим названием тому обстоятельству, что по величине электропроводностиони занимают промежуточное положение между металлами и изоляторами. Однакохарактерным для них является не величина проводимости, а то, что их прово­димостьрастет с повышением температуры (напомним, что у металлов она уменьшается).Полупроводниками являются вещества, у которых валентная зона полно­стьюзаполнена электронами, а шири­на запрещенной зоны невелика (у собственных полу­проводниковне более 1 эв).

Различаютсобственную   и  примесную проводимости полупроводников.

/>

                               Рис.1

 Собственная проводимость. Собственная проводимостьвозникает в результате перехода электронов с верхних уровней валентной зоны взону проводимости. При этом в зоне проводимости появляется некоторое числоносителей тока — электронов, занимающих уров­ни вблизи дна зоны; одновременно ввалентной зоне  освобождается такое же число мест на верхних уров­нях. Такиесвободные от электронов места на уровнях заполненной при абсолютном нулевалентной зоны называют дырками.

Распределение электронов по уровням валентной зоны и зоныпроводимости определяется функцией Ферми. Вычисления показывают, что уровеньФерми лежит точно посредине запре­щенной зоны(рис.1). Следовательно, дляэлектронов, перешедших в зону проводимости, величина W—WF мало отличается отполовины ширины запрещенной зоны. Уровни зоны проводимости лежат на хвосте кри­войраспределения. Поэтому вероятность их заполнения электронами можно находить поформуле

/>(1.1)

Количество электронов, перешедших в зону прово­димости,будет пропорционально вероятности (1.1). Эти электроны, а также, как мы увидимниже, образо­вавшиеся в таком же числе дырки, являются носителями тока.­

/>(Рис.2)

 Поскольку, проводи­мость пропорциональна числу но­сителей,она также должна быть пропорциональна    выражению (1.1). Следовательно,электро­проводность полупроводников бы­стро растет с температурой, изме­няясьпо закону

/>(1.2)

где ΔW—шириназапрещенной зоны.

Если на графикеоткладывать зависимость 1n σ от 1/T, то для полупроводников получаетсяпрямая линия, изображенная на рис. 2. По наклону этой прямой можно определитьширину запрещенной зоны ΔW.

Типичнымиполупроводниками являются элементы IV группы периодической системы Менделеева —гер­маний и кремний. Они образуют решетку, в которой каждый атом связанковалентными (парно-электрон­ными) связями  с четырьмя равноотстоя­щими от негососедними атомами. Условно такое взаим­ное расположение атомов можнопредставить в виде плоской структуры, изображенной на рис. 3. Кружки со знаком«+» обозначают положительно заря­женные атомные остатки (т. е. ту часть атома,ко­торая остается после удаления валентных электронов), кружки   со   знаком  «—»— валентные электроны, двойные линии—ковалентные связи.

При достаточновысокой температуре тепловое дви­жение может разорвать отдельные пары,освободив один электрон (такой случай показан на рис. 3).

. Покинутоеэлектроном место перестает быть нейтраль­ным, в его окрестности возникает избыточныйположи­тельный заряд + е — образуется дырка. На это место можетперескочить элек­трон одной из соседних пар. В результате дырка начинает такжестранство­вать по кристаллу, как и освободившийся электрон.

/>(Рис.3)

Если свободный элек­тронвстретится с дыр­кой, они рекомбинируют    (соединяются). Это означает, чтоэлек­трон нейтрализует избы­точный   положительный заряд, имеющийся в ок­рестностидырки, и теря­ет свободу передвиже­ния до тех пор, пока сно­ва не получит откристал­

лической решетки энергию, достаточную для своего вы­свобождения.Рекомбинация приводит к одновременному исчезновению свободного электрона ядырки. На схеме уровней (рис. 1) процессу рекомбинации соответствует переходэлектрона из зоны проводимости на один из сво­бодных уровней валентной зоны.

Итак, вполупроводнике идут одновременно два процесса: рождение попарно свободныхэлектронов и дырок и рекомбинация, приводящая к попарному ис­чезновениюэлектронов и дырок. Вероятность первого процесса быстро растет с температурой.Вероятность рекомбинации пропорциональна как числу свободных электронов, так ичислу дырок. Следовательно, каж­дой температуре соответствует определенная-равновес­ная концентрация электронов и дырок, величина кото­рой изменяется стемпературой по такому же закону, как и σ [см. формулу (1.2)].

В отсутствие внешнего электрического поля элект­роныпроводимости и дырки движутся хаотически. При включении поля на хаотическоедвижение наклады­вается упорядоченное движение: электронов против поля и дырок— в направлении поля. Оба движения — и дырок, и электронов — приводят кпереносу заряда вдоль кристалла. Следовательно, собственная электропроводностьобусловливается как бы носителями заря­да двух знаков— отрицательнымиэлектронами и по­ложительными дырками.

 Собственная проводимость наблюдается во всех безисключенияполупроводниках при достаточно высокой температуре.

Примесная проводимость. Этот видпроводимости возникает, если некоторые атомы данного полупровод­ника

/>     Рис.4                              заменить в узлах кри­сталлическойрешетки атома­ми, валентность которых отли­чается на единицу от валент­ностиосновных атомов. На рис. 4 условно изображена решетка германия с приме­сью5-валентных атомов фос­фора. Для образования ковалентных связей с соседямиатому фосфора достаточно четырех электронов. Следова­тельно, пятый валентныйэлектрон оказывается как бы лишним и легко отщепляется

от атома за счет энергии теплового движения, об­разуястранствующий свободный электрон. В отличие от рассмотренного раньше случая образованиесвободного электрона не сопровождается нарушением ковалентных связей, т. е.образованием дырки. Хотя в окре­стности атома примеси возникает избыточныйположи­тельный заряд, но он связан с этим атомом и переме­щаться по решетке неможет. Благодаря этому заряду атом примеси может захватить приблизившийся кнему электрон, но связь захваченного электрона с атомом бу­дет непрочной илегко нарушается вновь за счет тепло­вых колебаний решетки.         

Таким образом, вполупроводнике с 5-валентной примесью имеется только один вид носителей тока —электроны. Соответственно говорят, что такой полупро­водник обладаетэлектронной проводимостью или яв­ляется полупроводником n-типа (от слова negativ — отрицательный).Атомы примеси, поставляющие элек­троны проводимости, называются  д о н о р а ми.

Примеси искажаютполе решетки, что приводит к возникновению на энергетической схеме так называе­мыхлокальных уровней, расположенных в запрещен­ной зоне кристалла (рис. 5). Любойуровень валент­ной зоны или зоны проводимости может быть занят электроном,находящимся в любом месте кристалла.

/>Рис.5

Энергию,соответствующую локальному уровню, элек­трон может иметь, лишь находясь вблизиатома примеси, вызвавшего появление этого уровня. Следова­тельно, электрон,занимающий примесный уровень, ло­кализован вблизи атома примеси.

   Если донорные уровни расположены недалеко от потолкавалентной зоны, они не могут существенно повлиять на электрические свойствакристалла. Иначе обстоит дело, когда расстояние таких уровней от дна зоныпроводимости гораздо меньше, чем ширина за­прещенной зоны, В этом случаеэнергия теплового дви­жения даже при обычных температурах оказываетсядостаточной для того, чтобы перевести электрон с донорного уровня в зонупроводимости. На рис. 4 этому процессу соответствует отщепление пятого валент­ногоэлектрона от атома примеси. Захвату свободного электрона атомом примесисоответствует на рис. 5  переход электрона из зоны проводимости на один издонорных уровней.

Уровень Ферми вполупроводнике n-типа лежит между донорными уровнями и дном зоны проводи­мости,при невысоких температурах — приблизительно посредине между ними (рис. 5).

На рис. 6 условноизображена решетка кремния с примесью 3-валентных атомов бора. Трех валентныхэлектронов атома бора недостаточно для образования

/>Рис.6

связей со всемичетырьмя соседями. Поэтому одна из связей окажется неукомплектованной и будетпредстав­лять собой место, способное захватить электрон. При переходе на этоместо электрона одной из соседних пар возникнет дырка, которая будет кочеватьпо кристаллу. Вблизи атома примеси возникнет избыточный отрица­тельный заряд,но он будет связан с данным атомом и не может стать носителем тока. Такимобразом, в полупро­воднике с 3-валентной примесью возникают носители токатолько одного вида — дырки. Проводимость в этом случае называется дырочной, а ополупроводнике гово­рят, что он принадлежит к p-типу (от слова positiv — по­ложительный).Примеси, вызывающие возникновение дырок, называются акцепторными.

На схеме уровней(рис. 7) акцептору соответствует расположенный в запретной зоне недалеко от еедна ло­кальный уровень. Образованию дырки отвечает переход электрона извалентной зоны на акцепторный уровень. Обратный переход соответствует разрывуодной из четы­рех ковалентных связей атома примеси с его соседями ирекомбинации образовавшегося при этом электрона и дырки.

Уровень Ферми вполупроводнике р-типа лежит меж­ду потолком валентной зоны и акцепторнымиуровнями, при невысоких температурах — приблизительно посреди­не между ними.

С повышениемтемпературы концентрация примесных носителей тока быстро достигает насыщения.Это озна­чает, что практически освобождаются все донорные или

/>Рис.7

заполняютсяэлектронами все акцепторные уровни. Вме­сте с тем по мере роста температуры всев большей сте­пени начинает сказываться собственная проводимостьполупроводника, обусловленная переходом электронов непосредственно из валентнойзоны в зону проводимости. Таким образом, при высоких температурах проводимостьполупроводника будет складываться из примесной и собственной проводимости. Принизких температурах преобладает примесная, а при высоких — собственнаяпроводимость.

                                                                                                                                                                             P-Nпереход

Выпрямление токов иусиление напряжений можно осуществить с помощью полупроводниковых устройств,называемых полупроводниковыми (или кристаллически­ми) диодами и триодами.Полупроводниковые триоды называют также транзисторами.

 Полупроводниковые устройства можно подразделить на две группы:устройства с точечными контактами и устройства с плоскостными контактами. Мыограничимся рассмотрением плоскостных диодов итранзисторов.                                                                    Основнымэлементом плоскостных устройств являет­ся так называемый р—n-переход. Он представляетсобой тонкий слой на границе между двумя областями одного и того же кристалла,отличающимися типом примесной проводимости. Для изготовления такого переходаберут, например, монокристалл из очень чистого германия с электронныммеханизмом проводимости (обусловленным  ничтожными остатками примесей). Ввырезанную из кристалла тонкую пластинку вплавляют с одной стороны кусочек индия.Во время этой операции, которая осуществля­ется в вакууме или в атмос­фереинертного газа, атомы индия диффундируют в герма­ний на некоторую глубину. Втой области, в которую про­

/>Рис.8                                                                                              никают атомы индия,проводимость германия становится дырочной. На границе этой области возникает   р—n-переход.

 На рис. 8 показанход концентрации примесей в направлении, перпендикулярном к граничному слою. Вр-области основными носителями тока являются дыр­ки, образовавшиеся врезультате захвата электронов атомами примеси (акцепторы при этом становятся от­рицательнымиионами); кроме того, в этой области имеется небольшое число неосновныхносителей — элек­тронов, возникающих вследствие перевода тепловым движением электронов из валентной зоны непосредст­венно в зону проводимости (этот процесснемного уве­личивает и число дырок). В n-области основные но­сителитока—электроны, отданные донорами в зону проводимости (доноры при этом превращаютсяв поло­жительные ионы); происходящий за счет теплового дви­жения переходэлектронов из валентной зоны в зону проводимости приводит к образованиюнебольшого числа, дырок — неосновных носителей для этой об­ласти. Диффундируяво встречных направлениях через по­граничный слой, дырки и электронырекомбинируют друг другом. Поэтому р—n-переход оказывается силь­нообедненным носителями тока и приобретает большое сопротивление. Одновременно награнице между обла­стями возникает двойной электрический слой, образованныйотрицатель­ными ионами акцептор­ной примеси, заряд кото­рых теперь не компенси­руетсядырками, и поло­жительными ионами- донорной примеси, заряд ко­торых теперь некомпен­сируется    электронами {рис; 9; кружки—ионы, черные течки — электро­ны,белые точки—дыр­ки). Электрическое поле

/>Рис.9

в этом слоенаправлено так, что противодействует дальнейшему переходу через слой основныхносителей. Равновесие достигается при такой высоте потенциального барьера, прикоторой

/>Рис.10

уровни Ферми обеих областей располагаются на одина­ковой высоте(рис. 10). Изгибание энергетических зон в области перехода вызвано тем, чтопотенциал р-области в состоянии равновесия ниже, чем потенциал n-об­ласти;соответственно потенциальная энергия электрона в р-области больше, чем вn-области. Нижняя граница  валентной зоны дает ход потенциальной энергии элек­тронаWpэ в направлении, перпендикулярном к переходу. Посколькузаряд дырок противоположен заряду электронов, их потенци­альная энергия Wрдбольше там, где меньше Wpэ, и на­оборот.

Равновесие между р-и п-областями является под­вижным. Некоторому количеству основных носителейудается преодолеть потенциальный барьер, вследствие чего через переход течетнебольшой ток Iосн.

Этот ток компенсируется обусловленным неосновными носителямивстречным током Iнеосн. Неосновных носителей очень мало, но они легко проникаютчерез границу областей, «скатываясь» с потенциального барьера. Ве­личина Iнeocн определяетсячислом рождающихся еже­секундно неосновных носителей и от высоты потенциаль­ногобарьера почти не зависит. Величина Iосн, напротив, сильно зависит от высотыбарьера. Равновесие устанав­ливается как раз при такой высоте потенциальногобарьера, при которой оба тока Iосн и Iнеосн компенсируют друг друга. Подадим.на кристалл внешнее напряжение такого направления, чтобы «+» был подключен кр-области, а «—» был подключен к n-области) (такое напряжение называетсяпрямым). Это приведет к возрастанию по­тенциала (т.е. увеличению Wрд иуменьшению Wpэ) р-области и понижению потенциала (т.е. уменьшению Wpд и увеличению Wpэ) n-области. В ре­зультатевысота потенциального барьера уменьшится и ток Iосн возрастет. Ток же Iнеосностанется практически без изменений (он, как отмечалось, от высоты барьерапочти не зависит). Следовательно, результирующий ток станет отличен от нуля.Понижение потенциального барьера пропорционально приложенному напряжению (оноравно eU). При уменьшении высоты барьера ток основных носителей, аследовательно и результирующий ток, быстро нарастает. Таким образом, в направленииот p-области к n-области р — n-переход пропускает ток, сила которогобыстро нарастает при увеличении прило­женного напряжения. Это направлениеназывается пря­мым (или пропускным, или проходным).

Возникающее в кристалле припрямом напряжении электрическое поле «поджимает» основные носители к границемежду областями, вследствие чего ширина переходного слоя, обедненного носите­лями,сокращается. Соответствен­но уменьшается и сопротивление пе­рехода, причем темсильнее, чем больше напряжение. Таким образом, вольт-амперная характеристика впропускной области не является прямой (рис. 11).

/>Рис.11

Теперь приложим ккристаллу напряжение   такого направления

чтобы «+»'былподключен к n-области, а «—» был подключен к р-области (такое напряже­ниеназывается обратным). Обратное напряжение приво­дит к повышению потенциальногобарьера и соответствен­ному уменьшению тока основных носителей Iосн.Возникающий при этом результирующий ток (называемый обратным) довольно быстродостигает насыщения (т. е. перестает зависеть от U, рис. 11) истановится равным iнеосн. Таким образом, в направлении от n-области к р-области (котороеназывается обратным или запорным) р — n-переход пропускает слабый ток,целиком обусловленный неосновными носителями. Лишь при очень большом обратномнапряжении сила-тока на­чинает резко возрастать, что обусловлено электрическимпробоем перехода. Каждый р—n-переход характери­зуется своим предельнымзначением обратного напряжения, которое он способен выдержать без разрушения.Поле, возникающее в кристалле при наложении обратного напряжения; «оттягивает»основные носители от границы между областями, что приводит к возрастаниюшириныпереходного слоя, обедненного носителями. Соответ­ственно увеличивается  исопротивление перехода. Следо­вательно, р—n-переход обла­дает в обратномнаправлении гораздо большим сопротивле­нием, чем в прямом.

Из сказанного вытекает, что р — n-переход может быть

/>Рис.12

использовандля выпрямления переменного тока. На рис. 12 показан график тока, текущегочерез переход, в том случае, если приложенное напряжение изменяется погармоническому закону. В этом случае ширина слоя, обедненного носителями, исопротивление перехода пульсируют, изменяясь в такт с изменениями напряжения.

Германиевыевыпрямители могут выдерживать об­ратное напряжение до 1000 в. При напряжении в1 в плот­ность тока в прямом направлении достигает 100 а/см2, вобратном—не больше нескольких микроампер. Еще более высокое обратное напряжениедопускают крем­ниевые выпрямители. Они также выдерживают более высокую рабочуютемпературу (до 180° С вместо при­мерно 100° С для германия). Гораздо худшимипарамет­рами обладают широко распространенные селеновые вы­прямители.Допустимое обратное напряжение составляет для них не более 50в,наибольшая плотность прямого тока до 50 ма/см2. Соединяяпоследовательно N выпрямительных элементов (селеновых шайб), можно полу­читьвыпрямитель, выдерживающий N-кратное обратное напряжение.  Полупроводниковыйтриод, или транзистор, представ­ляет собой кристалл с двумя р—n-переходами;В зави­симости от порядка, в котором чередуются области с разными типамипроводимости, различают р—п—р- и n—p—га-транзисторы). Средняячасть транзистора

(обладающая в зависимости от типа транзистора n- илир-проводимостью) называется его ба­зой. Прилегающие к базе с обе­их сторонобласти с иным, чем у нее, типом проводимости обра­зуют эмиттер и коллeктор.

Рассмотрим   кратко   прин­цип работы транзистора типа

/>Рис.13

р—n—р (рис. 13).Для его из­готовления берут пластинку из очень чистого германия с электроннойпроводимостью и с обеих сторон вплав­ляют в нее индий. Концентрация носителей вэмиттере и коллекторе, т. е. в дырочной области, должна быть

/>Рис.14

больше, чем концентра­ция носителей в пределах базы, т. е. вэлектронной области. На рис. 14, а даны кривые потенциаль­ной энергии —электронов (сплошная линия) и ды­рок (пунктирная линия).

На переход эмиттер— база подается напряже­ние в проходном направ­лении (рис. 13), а на пеpеход  база — коллектор

подается большее напря­жение в запорном направлении. Этоприводит к по­нижению потенциального барьера на первом переходе и повышениюбарьера на втором (рис. 14,6). Протека­ние тока в цепи эмиттера сопровождаетсяпроникнове­нием дырок в область базы (встречный поток электронов мал вследствиетого, что их концентрация невелика). Проникнут в базу, дырки диффундируют понаправлению к коллектору. Если толщина базы небольшая, почти   все дырки, неуспев рекомбинировать, будут достигать коллектора. В нем они подхватываютсяполем и увеличивают ток, текущий в запорном направлении в цепи коллектора.Всякое изменение тока в цепи эмиттера приводит к изменению количества дырок,проникающих в коллектор и, следовательно, к почти такому же изменению тока вцепи коллектора… Очевидно, что изменение тока в цепи коллектора не превосходитизменения тока в цепи эмиттера, так что, казалось бы, описанное устройствобесполезно. Однако надо учесть, что переход имеет в запорном направлениигораздо большее сопротивление, чем в проходном. Поэтому при одинаковыхизменениях токов изменения напряжения в цепи коллектора будут во много разбольше, чем в цепи эмиттера. Следовательно, транзистор усиливает напряжения имощности. Снимаемая с прибора повышенная мощность появляется за счет источникатока, включенного в цепь

Германиевыетранзисторы дают усиление (по напряжению и по мощности), достигающее10000.