Меню

Электронно дырочный переход без напряжения

2.1. Электронно-дырочный переход при отсутствии внешнего напряжения

Электронно-дырочный переход, или сокращенно p-n-переход, – это тонкий переходный слой в полупроводниковом материале на границе между двумя областями с различными типами электропроводности (одна – n-типа, другая – р-типа). Электронно-дырочный переход благодаря своим особым свойствам является основным элементом многих полупроводниковых приборов и интегральных микросхем.

Наряду с p-n-переходами в полупроводниковой технике используются и другие виды электрических переходов, например металл-полупроводник, а также переходы между двумя областями полупроводника одного типа, отличающимися концентрацией примесей, а значит, и значениями удельной проводимости: электронно-электронный (n-n + переход) и дырочно-дырочный (р-р + —переход). Знак «плюс» относится к слою с большей концентрацией основных носителей заряда.

Электронно-дырочный переход получают в едином кристалле полупроводника, вводя в одну область донорную примесь, а в другую – акцепторную. Атомы примесей при комнатной температуре оказываются полностью ионизированными. При этом атомы акцепторов, присоединив к себе электроны, создают дырки (получается p-область), а атомы доноров отдают электроны, становящиеся свободными (создается n-область) (рис. 2.1, а).

Для простоты примем концентрации основных носителей заряда в обеих областях одинаковыми:

где pp концентрация дырок в р-области; nn концентрация электронов в n-области. Такой p-n-переход называют симметричным

В каждой области кроме основных носителей заряда имеются неосновные носители, концентрация, которых значительно меньше, чем основных:

Источник



Электронно-дырочный переход в условиях равновесия (при отсутствии внешнего напряжения)

Основным элементом многих полупроводниковых приборов, таких как диоды, транзисторы, микросхемы, является контакт двух полупроводников с разным типом электропроводности — электронно-дырочный переход, или p-n- переход. Рассмотрим так называемый гомопереход, в котором n- и p- области сформированы в монокристалле одного и того же полупроводника (например кремния). При создании такого контакта в одну часть полупроводникового кристалла вводят доноры, а в другую – акцепторы. Заметим, что используются полупроводники, для котоpых комнатная температура – это область истощения примеси. Тогда в первой части содержится большое количество электронов, а во второй – большое количество дырок.

Наличие градиентов концентрации носителей заряда приводит к их диффузии в области с противоположным типом электропроводности через плоскость металлургического контакта (плоскость, где изменяется тип примесей, преобладающих в полупроводнике). В результате диффузии носителей заряда нарушается электрическая нейтральность примыкающих к металлургическому контакту частей монокристалла полупроводника: в p-области после диффузии из нее дырок остаются нескомпенсированные ионизированные акцепторы (отрицательные неподвижные заряды), а в n-области — нескомпенсированные ионизированные доноры (положительные неподвижные заряды). Образуется область пространственного заряда, состоящая из двух разноименно заряженных слоев. Между нескомпенсированными разноименными зарядами ионизированных примесей возникает электрическое поле, направленное от n-области к p-области и называемое диффузионным электрическим полем (рис. 5.1а). Возникшее диффузионное электрическое поле препятствует дальнейшей диффузии основных носителей — устанавливается равновесное состояние. Между n- и p-областями при этом появляется разность потенциалов Djкон, называемая контактной разностью потенциалов. Потенциал n-области положителен по отношению к потенциалу p-области.

Читайте также:  Найдите напряжение смещения нейтрали

Энергетическая диаграмма электронно-дырочного перехода (зависимость энергии электрона E от координаты x) при термодинамическом равновесии изображена на рис. 5.2а. Вдали от контакта двух областей электрическое поле отсутствует (если соответствующие области легированы равномерно) или относительно мало по сравнению с полем в p-n-переходе. Поэтому края энергетических зон вдали от контакта расположены горизонтально. Наличие диффузионного поля приводит к изгибу энергетических зон полупроводника (рис.5.2а). Уровень Ферми устанавливается (при отсутствии внешнего поля) на одинаковой высоте в p- и n-областях.

а) в отсутствие внешнего поля
б) прямое включение
в) обратное включение
Рис. 5.1. Распределение электрических зарядов в p-n-переходе Рис. 5.2. Энергетические диаграммы p-n-перехода
Ионы примесей: Å — доноры, Q — акцепторы. Подвижные носители заряда: · — электроны, o — дырки, неосновные носители заряда не показаны. — напряженность диффузионного поля, U –внешнее напряжение, приложенное к переходу.

Для носителей возникает потенциальный барьер, высота которого равна ( — заряд электрона, — контактная разность потенциалов). Величина контактной разности потенциалов зависит от концентрации собственных носителей заряда ni (а значит, и от ширины запрещенной зоны), концентрации примесей, введенных в полупроводник, и температуры

где Ndn – концентрация доноров в n- области, Nap концентрация акцепторов в p – области.

По характеру распределения примеси различают резкие и плавные p-n-переходы. Переход, в котором толщина области изменения концентрации примеси значительно меньше толщины p-n-перехода (толщины области объемного заряда), называют резким p-n-переходом. Переход, в котором толщина области изменения концентрации примеси сравнима или больше толщины p-n-перехода, называют плавным p-n-переходом. Вид p-n-перехода зависит от технологии его изготовления. Резкие переходы получают методами вплавления, эпитаксиального наращивания и ионной имплантации, а плавные – методом диффузии примеси.

Прямое включение

Рассмотрим, как изменится распределение зарядов в переходе, если к нему приложить внешнее электрическое поле. Пусть к p-области присоединён положительный полюс источника питания, а к n-области – отрицательный. Такое включение p-n-перехода называется прямым, прямое напряжение принято считать положительным.

Внешнее поле при прямом включении оказывается направленным противоположно диффузионному полю (рис.5.2б). Высота потенциального барьера уменьшается на величину ( — напряжение), она станет равной . При этом часть основных носителей в областях p- и n-, имеющих наибольшую энергию, получают возможность проникать через запирающий барьер в области, где являются неосновными и рекомбинируют. Это приводит к появлению сравнительно большого тока через p-n-переход. Преодолевшие потенциальный барьер носители заряда оказываются в соседней области неосновными; другими словами, через p-n-переход происходит инжекция носителей заряда в область, примыкающую к p-n-переходу. Ту область полупроводника, в которую происходит инжекция носителей, называют базой полупроводникового прибора.

Читайте также:  Светодиодные ленты напряжение питания светодиода

Итак, при прямом включении p-n-перехода происходит инжекция носителей, p-n-переход открыт, через него течёт прямой ток.

Обратное включение

Если подключить внешний источник так, что p-область окажется соединённой с «минусом», а n-область — с «плюсом», то внешнее поле будет направлено так же, как и диффузионное (рис.5.1в). Высота потенциального барьера увеличивается, она станет равной . Через барьер смогут пройти только неосновные носители. Так как количество неосновных носителей значительно меньше, чем основных, ток через переход в этом случае будет мал по сравнению с тем, который получился при прямом включении. Это включение называется обратным, обратное напряжение принято считать отрицательным.

Когда к p-n-переходу приложено обратное напряжение, неосновные носители заряда втягиваются электрическим полем в p-n-переход и проходят через него в соседнюю область – происходит так называемая экстракция неосновных носителей.

Таким образом, при обратном включении p-n-перехода происходит экстракция неосновных носителей, p-n-переход «закрыт», через него течёт только малый ток неосновных носителей.

Источник

Электронно-дырочный переход при отсутствии внешнего напряжения: структура, происходящие процессы. Понятие ОПЗ. Уравнение теплового равновесия токов

Акцепторные полупроводники: структура, принцип образования носителей заряда, основные и неосновные носители заряда

Примеры акцепторных проводников: B, In, Ga
Бор трехвалентен, поэтому на месте четвертой ковалентной связи образуется дырка Na. Основными носителями заряда в акцепторных проводниках являются дырки, а не основными – электроны.

Электронно-дырочный переход при отсутствии внешнего напряжения: структура, происходящие процессы. Понятие ОПЗ. Уравнение теплового равновесия токов

ОПЗ – это слой с высоким сопротивлением – запирающий слой
1. Дырки притягиваются друг к другу, тем самым продуцируя диффузионный ток.
2. На границе электроны и дырки рекомбинируют, возникает слой с большим сопротивлением, называемым ОПЗ (область пространственных зарядов)
3. Из-за перешедших электронов, p-область зарядилась отрицательно, а n-область – положительно. Таким образом, появилось внутреннее поле E внутренне
4. Под его действием ускоряются тепловые электроны ni и тепловые дырки pi. За счет них создается дрейфовый ток.
5. При отсутствии внешнего напряжения и постоянной температуры устанавливается тепловое равновесие токов:

6. Прямое и обратное включение p — n -перехода: происходящие процессы. Основное свойство p — n -перехода. ВАХ p — n -перехода и описание ее участков
Прямое включение p — n -перехода:

К p-области подается плюс, а к n – минус. Е внешнее направленно противоположно Е внутреннему и компенсирует друг друга. ОПЗ уменьшается, сопротивление p-n-перехода уменьшается и через него протекает диффузионный ток.

Читайте также:  Ток высокого напряжения постоянный или переменный

Обратное включение p — n -перехода:

К p-области подается минус, а к n – плюс. Е внешнее со направлено с Е внутренним и усиливает его. ОПЗ расширяется, сопротивление p-n-перехода увеличивается и через него протекает лишь небольшой дрейфовый ток.
Основное свойство p-n-перехода – хорошая проводимость тока в прямом направлении и плохая проводимость в обратном.

Опишем участки:
1. Нелинейная часть прямого включения: ОПЗ сужается, ток мал
2. Линейная часть прямого включения: ОПЗ исчезает, ток примерно равен напряжению
3. Обратное включение; ОПЗ велика, ток крайне мал
4. Лавинный пробой
5. Тепловой пробой

7. Пробои в p-n-переходе: классификация, причины, происходящие процессы, обратимость
Пробой p-n перехода– это явление резкого уменьшения дифференциального сопротивления p-n перехода, сопровождающееся резким увеличением обратного тока, при достижении обратным напряжением критического для данного перехода значения.
Существует три вида пробоев: лавинный, тепловой и туннельный
1. Лавинный пробой возникает при обратном включении из-за высокого напряжения. Электронов столь много, что они выбивают другие электроны, вторые выбивают третьи и т.д. Такой пробой обратим, если снизить напряжение. В противном случае, при повышении напряжения, такой пробой перейдет в тепловой.
2. Тепловой пробой возникает как в прямом, так и обратном включении. При таком виде пробоя электронов становится слишком много, что ковалентные связи разрываются и кристаллическая решетка разрушается. Такой пробой необратим, так как восстановить решетку невозможно.
3. Туннельный пробой возникает в обратном включении, но в вырожденных полупроводниках возникает и в прямом. В вырожденных полупроводниках ОПЗ узкая, а внутреннее электрическое поле велико, поэтому валентные электроны могут отрываться от атомов и перемещаться через ОПЗ без изменения своей энергии.

8. Барьерная емкость p — n -перехода: причины возникновения, формула. Вольт-фарадная характеристика p — n -перехода

Барьерная емкость возникает в обратном включении из-за накопления по обе стороны от границы перехода электронов и дырок. Формула емкости совпадает с формулой емкости плоского конденсатора: Она ухудшает выпрямительные свойства p-n-перехода на высокой частоте.
Вольт-Фарадная характеристика p-n-перехода:

9. Переход Шоттки с акцепторным полупроводником: понятие, происходящие Процессы при различных работах выхода электронов
Переход Шоттки – это контакт на границе между металлом и полупроводником.
Различают выпрямляющие и невыпрямляющие переходы. Выпрямляющие проводят ток только в одном направлении. Тип контакта зависит от выхода электрона из металла и полупроводника.
Контакт с акцепторным полупроводником:
Если Ам Реклама

Если Ам>Ар электроны металл не покидают, опз не образуется, контакт получается невыпрямляющим.

Источник