Презентация по электротехнике на тему "Электронно-дырочный переход и его свойства"

Электронно­дырочный  переход и его свойства

План лекции: 1. Электронно­дырочный переход. 2. Вентильные свойства p­n  перехода. 3. Вольт­амперная характеристика  р­n­перехода. 4. Виды пробоев p­n­перехода. 5. Емкость р­n­перехода.

переходом  Электрическим  в  полупроводнике  называется  граничный  слой  между  физические  характеристики  которых  имеют  существенные  физические различия. областями,  двумя  Различают  следующие  виды  электрических  переходов: • электронно­дырочный  между  переход  полупроводника,  электропроводности; имеющие  разный  или  двумя  p­n­переход  –  областями  тип

• переходы между двумя областями, если одна из  другая  (переход  них  а  полупроводником  p­  или  n­типа  металл – полупроводник); металлом,  является  • переходы  между  двумя  областями  с  одним  отличающиеся  электропроводности,  типом  значением концентрации примесей; • переходы  между  двумя  полупроводниковыми  материалами с различной шириной запрещенной  зоны (гетеропереходы).

целого  ряда  (диодов,  основана  в  1. Электронно­дырочный переход Работа  полупроводниковых  приборов  транзисторов,  тиристоров и др.)  явлениях,  возникающих  между  полупроводниками  типами  проводимости,  либо  в  точечном  контакте  полупроводника  с  металлом.  Граница  между  двумя  монокристалла  которых  имеет  полупроводника,  электропроводность  типа  p,  а  другая  –  типа  n  называется электронно­дырочным переходом. на  контакте  разными  с  областями  одна  из

отличаться.  p­n­переход,  Концентрации основных носителей заряда в  областях  p  и  n  могут  быть  равными  или  у  существенно  которого  концентрации  дырок  и  электронов   ≈ Nдон,  называют  практически  равны  Nакц  симметричным. Если концентрации основных  носителей  заряда  различны  (Nакц  >>  Nдон  или  Nакц  << Nдон)  и  отличаются  в  100...1000 раз,  то  такие  переходы  называют  несимметричными.  Несимметричные  p­n­переходы  используются  шире,  в  поэтому  дальнейшем будем рассматривать только их. симметричные,  чем

стороны  введена  акцепторная  возникновение  Монокристалл  полупроводника  (рис. 1)  в  котором  с  примесь,  одной  обусловившая  здесь  электропроводности  типа  p,  а  с  другой  стороны  введена  донорная  примесь,  благодаря  которой  там  возникла  электропроводность  типа  n.  Каждому  подвижному  положительному  носителю  заряда  в  соответствует  отрицательно  области  p  но  заряженный  неподвижный,  находящийся  в  узле  кристаллической  решетки, а в области n каждому свободному электрону  ион  соответствует  донорной  весь  монокристалл остается электрически нейтральным. заряженный  чего  (дырке)  ион  положительно  примеси,  в  результате  акцепторной  примеси,

Рис. 1. Начальный      момент образования             p­n­перехода Свободные  носители  электрических  зарядов  под  действием  градиента  концентрации  начинают  перемещаться из мест с большой концентрацией в  места с меньшей концентрацией. Так дырки будут  диффундировать  из  области  p  в  область  n,  а  электроны – наоборот, из области n в область p.

слой  пространственных  Не  скомпенсированные  заряды  ионов  примесей  проявляют себя вблизи границы раздела (рис. 2), где  образуется  зарядов,  разделенных  узким  промежутком  δ.  Между  этими  зарядами  возникает  электрическое  поле,  которое  называют полем потенциального барьера, а разность  зон,  потенциалов  обусловливающих  это  поле,  называют  контактной  разностью потенциалов Δφк. на  границе  раздела  двух  Рис. 2. p­n­переход при  отсутствии внешнего  напряжения

поле  начинает  действовать  Электрическое  на  подвижные носители электрических зарядов. Так дырки  в  области  p  –  основные  носители,  попадая  в  зону  действия  этого  поля,  испытывают  со  стороны  него  тормозящее,  отталкивающее  действие  и,  перемещаясь  вдоль  силовых  линий  этого  поля,  будут  вытолкнуты  вглубь области p. Аналогично, электроны из области n,  попадая  в  зону  действия  поля  потенциального  барьера,  будут вытолкнуты им вглубь области n. В узкой области  δ,  где  действует  поле  потенциального  барьера,  отсутствуют  образуется  свободные  и  зарядов  вследствие  высоким  сопротивлением. Это так называемый запирающий слой. практически  электрических  обладающий  слой,  носители  этого  где

зарядов,  то  есть  поскольку  При отсутствии внешнего электрического поля  устанавливается  динамическое  равновесие  между  потоками  основных  и  неосновных  носителей  электрических  между  диффузионной  и  дрейфовой  составляющими  тока  p­n­перехода,  составляющие  эти  направлены навстречу друг другу. диаграмма  p­n­перехода  изображена на рис. 2, причем за нулевой потенциал  принят  потенциал  на  границе  раздела  областей.  Контактная  разность  потенциалов  образует  на  границе  раздела  потенциальный  барьер  с  высотой  Δφк. Потенциальная

Рис. 3. Зонная диаграмма p­n­перехода, иллюстрирующая  баланс токов в равновесном состоянии   На  рис. 2  изображен  потенциальный  барьер  для  электронов,  стремящихся  за  счет  диффузии  перемещаться  справа  налево  (из  области  n  в  область p).

Так  как  полупроводниках  p­типа  уровень  Ферми смещается к потолку валентной зоны Wвр, а  в  полупроводниках  n­типа  –  ко  дну  зоны  проводимости  Wпn,  то  на  ширине  p­n­перехода  δ  (рис. 3)  диаграмма  искривляется и образуется потенциальный барьер:  Δφк = ΔW / g. энергетических  зон  где  ΔW  –  энергетический  барьер,  который  необходимо  преодолеть  электрону  в  области n,  чтобы он мог перейти в область p, или аналогично  для дырки в области p, чтобы она могла перейти в  область n.

2. Вентильные свойства p­n перехода Р­n­переход,  обладает  свойством  изменять  свое  электрическое  сопротивление  в  зависимости  от  направления  протекающего  через  него  тока.  Это  свойство  называется  а  прибор,  называется  таким  обладающий  электрическим вентилем. Рассмотрим  p­n­переход,  к  которому  подключен  внешний  источник  напряжения  UВН  с  полярностью,  указанной  на  рис. 4  –  «+»  к  области  p­типа,  «–»  к  области  n­типа.  Такое  подключение  называют  прямым  включением  p­n­перехода  (или  прямым  смещением p­n­перехода). вентильным,  свойством,

где  эти  Введение  носителей  заряда  через  p­n­переход  при  понижении  высоты  потенциального  барьера  в  область  полупроводника,  носители  являются  неосновными,  называют  инжекцией  носителей заряда. При протекании прямого тока из дырочной области  р в электронную область n инжектируются дырки, а  из электронной области, в дырочную – электроны. Инжектирующий  слой  с  относительно  малым  удельным  сопротивлением  называют  эмиттером,  слой  в  который  происходит  инжекция  неосновных  для него носителей заряда – базой.

Рис. 4. Прямое смещение p­n­перехода

Рис. 5. Зонная диаграмма прямого смещения p­n­перехода,  иллюстрирующая дисбаланс токов На  рис.  5  изображена  зонная  энергетическая  прямому  соответствующая  диаграмма,  смещению p­n­перехода. Company Logo

Если к р­n­переходу подключить внешний источник  с  противоположной  полярностью  «–»  к  области  p­ типа,  «+»  к  области  n­типа  (рис. 6),  то  такое  подключение  называют  обратным  включением  p­n­ перехода (или обратным смещением p­n­перехода). Процесс  переброса  неосновных  носителей  заряда  называется  имеет  дрейфовую  природу  и  называется  обратным  током р­n­перехода. На  рис.  7  изображена  зонная  энергетическая  диаграмма, соответствующая обратному смещению  p­n­перехода. экстракцией.  Этот  ток

Рис. 6. Обратное смещение p­n­перехода

Рис. 7. Зонная диаграмма обратного смещения p­n­ перехода, иллюстрирующая дисбаланс токов

3. Вольт­амперная  характеристика  характеристика р­n­перехода Вольт­амперная  p­n­ перехода  –  это  зависимость  тока  через  p­n­ переход  от  величины  приложенного  к  нему  из  напряжения.  Ее  предположения,  что  электрическое  поле  вне  обедненного  все  напряжение  приложено  к  p­n­переходу.  Общий  ток  через  p­n­переход  определяется  суммой  четырех слагаемых:  рассчитывают  исходя  слоя  отсутствует,  т. е.  I p­n = I n диф + I р  диф – I n  др – I р  др

составляющей.  При  обратном  напряжении  внешнего  источника  (UВН < 0) экспоненциальный член много меньше  единицы  и  ток  p­n­перехода  практически  равен  обратному току I0, определяемому, в основном,  этой  дрейфовой  зависимости  представлен  на  рис. 8.  Первый  квадрант  соответствует  участку  прямой  ветви  третий  вольт­амперной  характеристики,  квадрант – обратной ветви. Первый квадрант соответствует участку прямой  ветви вольт­амперной характеристики, а третий  квадрант – обратной ветви. Вид  а

Рис. 8. Вольт­амперная характеристика p­n­перехода

4. Виды пробоев p­n­перехода Возможны  обратимые  и  необратимые  пробои. Обратимый пробой – это пробой, после  сохраняет  которого  работоспособность.  Необратимый  пробой  ведет  к разрушению структуры полупроводника. p­n­переход  Существуют четыре типа пробоя: лавинный,  туннельный,  тепловой  и  поверхностный.  Лавинный  и  туннельный  пробои  объединятся  электрический  пробой,  под  названием  –  который  является  обратимым.  К  необратимым  относят тепловой и поверхностный.

Рис. 9. Схема, иллюстрирующая лавинный пробой в p­n­переходе: а –  распределение токов; б – зонная диаграмма, иллюстрирующая  лавинное умножение при обратном смещении перехода

пробой  При  Лавинный  свойственен  полупроводникам, со значительной толщиной p­ n­перехода,  образованных  слаболегированными  этом  ширина  полупроводниками.  гораздо  обедненного  больше  носителей.  Пробой  диффузионной  происходит  сильного  электрического  поля  с  напряженностью  Е  ≈  (8…12) ∙ 104, В/см. В лавинном пробое основная  роль  принадлежит  неосновным  носителям,  образующимся  под  действием  тепла  в  p­n­ переходе. слоя  длины  под  действием

со  до  такой  скорости,  Эти  носители,  испытывают  стороны  электрического  поля  p­n­перехода  ускоряющее  действие  и  начинают  ускоренно  двигаться  вдоль  силовых  линий  этого  поля.  При  определенной  величине  напряженности  неосновные  носители  заряда  на  длине  свободного  пробега  ?  могут  разогнаться  их  кинетической энергии может оказаться достаточно,  чтобы  при  очередном  соударении  с  атомом  полупроводника  ионизировать  его,  т. е.  «выбить»  один  из  его  валентных  электронов  и  перебросить  его в зону проводимости, образовав при этом пару  «электрон – дырка» (рис. 9). что

Параметром,  характеризующим  лавинный  пробой  является  коэффициент  лавинного  пробоя  М  как  количество  актов  лавинного  умножения  в  области  сильного электрического поля. Величина обратного  тока  после  лавинного  умножения  будет  равна: I =  MI0, где I0 – начальный ток.  Если  видах  электрического  пробоя  не  превысит  максимально  допустимого  значения,  при  котором  произойдет  перегрев и разрушение кристаллической структуры  полупроводника,  то  они  являются  обратимыми  и  могут быть воспроизведены многократно. обратный  ток  при  обоих

Туннельный  пробой  происходит  в  очень  тонких  p­n­переходах,  что  возможно  при  очень  высокой  концентрации  примесей  N  ≈  1019  см­3,  становится  малой  когда  ширина  перехода  (порядка 0,01 мкм)  и  при  небольших  значениях  обратного  напряжения  (несколько  вольт),  когда  возникает большой градиент электрического поля.  Высокое  значение  напряженности  электрического  поля,  воздействуя  на  атомы  кристаллической  решетки, повышает энергию валентных электронов  и  приводит  к  их  туннельному  «просачиванию»  сквозь  «тонкий»  энергетический  барьер  (рис. 10)  из валентной зоны p­области в зону проводимости  n­области.

Причем  «просачивание»  происходит  без  изменения  энергии  носителей  заряда.  Для  туннельного  пробоя  также  характерен  резкий  рост обратного тока при практически неизменном  обратном напряжении.           Рис. 10. Зонная     диаграмма туннельного       пробоя p­n­перехода    при обратном смещении

Тепловым  называется  пробой  p­n­перехода,  обусловленный  ростом  количества  носителей  заряда  при  повышении  температуры  кристалла.  С  увеличением  обратного  напряжения  и  тока  возрастает тепловая мощность, выделяющаяся в  p­n­переходе  и,  соответственно,  температура  кристаллической  структуры.  Под  действием  тепла усиливаются колебания атомов кристалла,  и  ослабевает  связь  валентных  электронов  с  ними, возрастает вероятность перехода их в зону  проводимости  и  образования  дополнительных  пар носителей «электрон – дырка».

Для  предотвращения  теплового  пробоя  необходимо выполнение условия:  Р расс = Uобр + I обр < Р расс max    где  Р  расс  max  –  максимально  допустимая  мощность рассеяния p­n­перехода. Поверхностный  пробой.  Распределение  напряженности  электрического  поля  в  p­n­ переходе может существенно изменить заряды,  имеющиеся на поверхности полупроводника.

привести  той,  которая  необходима  заряд  может  Поверхностный  к  увеличению или уменьшению толщины перехода, в  результате  чего  на  поверхности  перехода  может  наступить  пробой  при  напряженности  поля,  для  меньшей  возникновения  пробоя  в  толще  полупроводника.  Это  явление  называют  поверхностным  пробоем.  Большую роль при возникновении поверхностного  пробоя  играют  диэлектрические  свойства  среды,  граничащей с поверхностью полупроводника. Для  снижения  вероятности  поверхностного  пробоя  применяют  специальные  защитные  покрытия  с  высокой диэлектрической постоянной.

5. Емкость р­n­перехода слоя,  и  Изменение  внешнего  напряжения  на  p­n­ переходе  приводит  к  изменению  ширины  обедненного  соответственно,  накопленного в нем электрического заряда (это  также  обусловлено  изменением  концентрации  инжектированных  носителей  заряда  вблизи  перехода). Исходя их этого, p­n­переход ведет  себя  подобно  конденсатору,  емкость  которого  определяется  изменения  к  заряда  накопленного  обусловившему  это  изменение  приложенного  внешнего напряжения. отношение  p­n­переходе  как  в

емкость  емкость  Различают  барьерную  (или  зарядную)  и  р­n­перехода.  диффузионную  Барьерная  соответствует  обратновключенному  p­n­переходу,  который  рассматривается  как  обычный  конденсатор,  где  пластинами  являются  границы  обедненного  слоя,  служит  несовершенным  диэлектриком  с  увеличенными   ε ε0S  /  δ,  диэлектрическими  потерями:  Сбар    =  где  ε  относительная  диэлектрическая  проницаемость;  ε0–  электрическая  постоянная  (ε0  ­12 Ф/м); S – площадь запирающего  слоя; δ – толщина запирающего слоя. обедненный   8,86 ∙ 10 а  сам  слой  –  ≈

Барьерная  емкость  возрастает  при  увеличении  площади  p­n­перехода  и  диэлектрической  проницаемости  полупроводника  и  уменьшении  толщины  запирающего  слоя.  В  зависимости  от  площади перехода Сбар может быть от единиц до  сотен  пикофарад.  Особенностью  барьерной  емкости  является  то,  что  она  является  возрастании  нелинейной  обратного  перехода  увеличивается  и  емкость  Сбар  уменьшается.  Характер зависимости Сбар = f(Uобр) показывает  график  на  рис. 55.11.  Как  видно,  под  влиянием  Uпроб емкость Сбар изменяется в несколько раз. емкостью.  При  напряжения  толщина

Рис. 11. Зависимость             барьерной емкости       от обратного напряжения Диффузионная  емкость  характеризует  накопление  подвижных носителей заряда в n­ и p­областях при  прямом напряжении на переходе. Она практически  существует  только  при  прямом  напряжении,  когда  носители  заряда  диффундируют  (инжектируют)  в  большом  пониженный  потенциальный барьер и, не успев рекомбинировать,  накапливаются в n­ и p­областях. количестве  через

Каждому  значению  прямого  напряжения  значения  двух  соответствуют  определенные  разноименных зарядов + Qдиф и Rст = Uпр/Iпр =  tg  α,  накопленных  в  n­  и  p­областях  за  счет  диффузии  носителей  через  переход.  Емкость  Сдиф  представляет  собой  отношение  зарядов  к  разности потенциалов: Сдиф  = ΔQдиф  / ΔUпр  С  увеличением  Uпрпрямой  ток  растет  быстрее,  чем  напряжение,  т. к.  вольт­амперная  тока  имеет  характеристика  для  прямого  нелинейный  вид,  поэтому  Qдиф  растет  быстрее,  чем Uпр и Сдиф увеличивается.

шунтируется  Диффузионная емкость значительно больше  барьерной,  но  использовать  ее  не  удается,  т. к.  она  прямым  p­n­перехода.  Численные  сопротивлением  оценки  емкости  составляет  показывают,  что  несколько единиц микрофарад. величины  диффузионной  значение  малым  ее  Таким  образом,  можно  использовать  конденсатора  переменной  емкости,  управляемого  величиной  и знаком приложенного напряжения. р­n­переход  качестве  в

Контрольные вопросы: 1. Какой переход называется электрическим? 2. Перечислите виды электрического пробоя. 3. Что такое поле потенциального барьера? 4. Какой слой называется запирающим? 5. В чем сущность  6.  Какая  зависимость  называется  вольт­амперной  характеристикой? 7. Что называют инжекцией носителей заряда? 8. Где происходит туннельный пробой? 9. От чего зависит коэффициент лавинного пробоя?