Электропроводность полупроводников с позиции зонной теории твердого тела.

В.1 Краткая характеристика полупроводников материалов в электронной технике.

В.2 Чистые (собственные) полупроводники.

В.3 Энергетическая диаграмма полупроводника.

В.4 Дырочный полупроводник.

п/п- полупроводник.

К материалам предъявляются определенные требования:

1. Возможность введения определенных примесей.

2. Достаточно высокая теплопроводность

3. Способность сохранять заданные свойства.

4. Возможность массового производства.

В п/п используются:

1. Германий (Ge): - технология очистки хороша и проста

- введение примесей осуществляется при низких температурах

- поверхность хорошо обрабатывается

- ширина запрещающей зоны 0,7 эВ = Wзз

Применяется: в высокочастотных п/п приборах, используются в выпрямительных приборах

( из-за малого удельного сопротивления), в фотоэл. приборах.

2. Кремний (Si):- его много

- высокая t⁰ плавления

- в 1000 раз частота больше частоты Ge

Особенности Si:

- Больше чем у Ge Wзз=1,25 эВ

- Большая ширина запрещающей зоны.

- приборы могут работать на высоких t⁰ до +250⁰

- относительно малая подвижность ē и дырок.

Ge и Si дополняют друг друга.

3. Арсенийгалия (GaAa): - Широкий з/з Wзз= 1,43 эВ

- Высокая подвижность ē и дырок ( теплоустойчивость до +450⁰)

4. Карбит кремния (SiC):

- высокая стойкость к радиации

- химическая стойкость

- большая стабильность поверхностных свойств

- Wзз≈3,…… эВ (t⁰ до + 700⁰)

Используется для изготовления выпрямителей, сигнальным источником света, счетчиков высокой энергии.

Энергия ē может принимать только значение энергетического уровня.

Ближе к ядру ē обладает меньшей W и находится на более низких энергетических уровнях.

Когда ē переходит с более высокого э/у на более низкий выделяется некоторое количество энергии наз. (квантом или фотоном)

Если атом поглощает 1 квант W ē переходит переходит на более высокий э/у.

Таким образом W ē изм. только порциями.

Эн/у объединяются в зоны.

ē высшей Эл. оболочки атома в валентную зону (Wзз) они участвуют в Эл-их, химических процессов. На более высоких э/у объединяются в зоны проводимости (Wз.п.) ē хаотично передвигаются они позволяют Ме проводить Эл. ток, тем самым обеспечивая электропроводимость Ме.

ЗАПРЕЩАЮЩИЕ ЗОНЫ – ЭТО УРОВНИ ЭНЕРГИИ НА КОТОРЫХ Ē НЕ МОЖЕТ НАХОДИТЬСЯ.

При низких t⁰ п/п являются диэлектриками, а при нормальной большинство ē переходят из вал. зоны в зону проводимости.

Электропроводность- свойство вещества проводить ток.

Удельная проводимость- величина характеризующая электропроводимость.

Чистый полупроводник – п. в котором отсутствуют примеси, и он может содержать только подвижные носители заряда.

Дырка- это вакантное место, которое покинул ē.

зона проводности

W

Wn

Wзз Wp

W_B

+

вол-ая зона

Эл. дырки которые могут перемещаться называются подвижными носителями заряда

Под действием t˚ возник. пар. носителей называется генерацией, а исчезновение пар. носителей – рекомбинация.

Их скорости должны быть равны:

n - ē

P – дырка

Если в п/п им. крекаято примесь, то появляется примесная (электронная или дырочная)

Примесь в которой атомы отдают ē называются донорами.

Их называют электронными п/п или п/п «n» - типа.

п/п с преобладающей дырочной эл. проводностью называется дырочным или п/п «р»-типа

Вещества отбирающие ē и создающие примесную электропроводимость называются акцепторами.

В эл. проводнике ē – основные

В дырочном проводнике- дырка.

Принцип работы п/п характеризуются тем, что существует два вида электропроводности (дырочная и электронная)

Электронная- обусловлена перемещением ē проводимости под действием тепла и т.п.

Дырочная – под действием приложенного напряжения, при ней ē переходят именно на соседние атомы, при электронной, ē более подвижны.

В электронике постоянное движение ē от «-» к «+»

ē и дырки могут перемещаться поэтому созд. электропровод и наз. им. подвижными носителями заряда.

Лекция № 3. Удельная электропроводность п/п.

В.1 Концентрация носителей заряда в собственном п/п и Ме.

В.2 Концентрация носителей заряда в приместном п/п

В.3 Влияние t⁰ и концентрации н.з. в приместном п/п

п/п без примесей называется собственным п/п. Он обладает собственной электропроводностью которая складывается из электронной и дырочной. ē-ая преобладает из-за большей подвижности ē.

Удельная электропроводность зависит от концентраций носителей заряда: т.е. от их числа, в единицы объема.

где: е=1*6*10^-9 Кл- заряд ē

n и p- концентрация ē и дырок

М_n и М_р- подвижность ē и дырок

М_n= Vn (скорость ē) / Е (напряженность)

только в собственном п/п

В Ме число ē- проводимости не меньше или равно числу атомов

В п/п

В п/п при повышении t˚ повышается генерация, концентрация носителей заряда, нежели у меньшая их подвижность. След с ростом t˚ удельная электропроводность растет

В М_е концентрация ē- проводимости не зависит от t˚, почти, и с ростом t˚ электропроводность уменьшается в следствии уменьшения подвижности ē.

В.2 Если в п/п имеется примесь двух веществ, то дополнительно к собственной электропроводности добавляется еще примесная электропроводность (электронная или дырочная)

п/п- с приобладанием эл. проводимости наз. проводником «n» - типа.

п/п с преобладающей дырочной электронной проводимости называется п/п «р»- типа

Таким образом прим. п/п характерен тем, что в нем концентрация носителей одного знака преобладает над концентрацией носителей заряда другого знака.

Н.з. концентрация которых в данном п/п преобладает называется основными носителями заряда.

Нехновными называются те носители заряда концентрация которых в п/п меньше.

Ничтожное количество примесей существенно изменяет характер электропроводности.

Один атом прим. на 4 мин. атомов. Ge. в результате этого концентрация н.з. возрастает в 1000 раз. при этом собственный п/п должен быть 1 на 10 млд.

В.3

Т₁ означает обл. низких t˚ ротобусл. ионизацией атомов.

Т₂ атомы примесей полностью ионизированы, след конц. не изм.

Т₃ обл. повышенной t˚ резко растет концентрация, вызванная ионизацией собственного оп/п

Лекция № 4. «Кинематика НЗ в твердом теле»

В.1 Виды движения.

В.2 Движение НЗ. в ТВ. числе под действием электронного поля. (Дрейф). Механизм рассеивания заряда.

В.3 Диффузия

В.4 Токи в п/п

В п/п состояние равновесия носит. заряда движ. под действием тепловой энергии, хаотически внутри кристаллической решетки в идеале они движутся прямолинейно и с V_const т.о. направление движения н/з в п/п преобр при двух условиях:

- при возникновении в кристалле эл. поля (дрейф н/з)

- под действием и изменением концентрации (диффузия)

В.2 Эл. поле всегда изм. Wē и Vē между ними всегда имеется энергетическое взаимодействие

Дрейф- движение н/з под действием эл./п.

Дрейфовая скорость

М- подвижность н/з (способность дрейфовать в эл. поле)

Подвижность н/з в различных п/п различна, и с повышением Т умножается, т.к. увеличивается число столкновений в атомах.

б= enM_n+ epM_p

Механизм рассеивания- основные механизмы столкновений

В.3 Движение н/з под действием разности концентраций называется диффузией (её причина-различие в концентрациях и совершается она за счет собственной энергии теплового движения)

- неравновестная (в разных местах п/п)

- равновестная ( одинаковая по всему п/п)

- избыточная ( п/п облучить)

Особенность:

Стремление к выравниванию с помощью собственной Wк

Диффузная длина н/з

Vдиф- диффузная скорость

D_M- интенсивность диффузии.

D_m= M_mV_T – Соотношение Эйнштейна

V_T- тепловой потенциал- это связь между подвижностью н/з и коэф. диффузии.

При прекращении действий излучения, п/п переходит к состоянию равновесия путем раскомбинации в течении определенного времени.

То время в течение которого избыточная концентрация уменьшается и становится первоначальной называется время жизни н/з.

В.4

Эл./п. которое ускоряет Эл. дырки сообщая им еще некоторые движения представляет собой ток проводимости (ток дрейфа)

ток дрейфа

Плотность тока – количество электричества проходящего через 1 площади за 1 сек.

Диффузное движение подвижных зарядов называется диффузным током.

Jпдиф = eDn dn/dx

Градиент концентрации- это какого изм. концентрации за единицу длинны.

Суммарный ток:

J= Jпдр+Jрдр+ Jп.диф+…..

Лекция № 5 Электронно-дырочный переход.

Тема 2 Физические процессы при контакте твердых тел.

В.1 Виды контактов твердых тел в п/п приборах

В.2 Образование и свойства эл-д перехода

В.3 Контактная разность потенциалов и толщина «р-n»- перехода

стр. 28-34

- функциональный

- вспомогательный

1) контакт одного и того же п/п с ….

2) контакты п/п с различной шириной запрещающей зоны гетеропереходы

3) контакты прим. п/п и Ме (переход с барьером Шоттки)

4) контакты структур Ме+диэл. + проводник

5) п/п + Ме (омический контакт)

В.2 Область на границе двух п/п с различными типами эл/проводности называется эл/дырочным или «р-n»-переходом

Он обладает несимметричной подвижностью, следовательно имеет нелинейное сопротивление

Они бывают: симметричные(одинаковой концентрации примесей), несимметричные, резкие, плавные.

Экстракция- это выведение н/з из обл. где они являются неосновными, через ЭДП ускоряющим эл. полем.

- Контактная разность - для Ge=0,35В

- для Si= 0,6В

- для Ar-Ga= 0,8В

- Толщина перехода составляет от 0,1 до 1 мкм.

Лекция № 6. ЭДП по действием напряжений включения.

В.1 Прямое включение «р-n» перехода

В.2 Обратное включение «р-n» перехода

В.3 ВАХ идеального «р-n» перехода

эл./п создаваемое в «р-n» переходе прямым V действует навстречу поля контактной разности потенциалов.

Результирующее поле становится слабее и разность потенциалов уменьшается, возрастает ток диффузии т.к. большое число н/з может преодолеть потенциальный барьер (ток дрейфа не изменится). Тем самым ток диффузии» тока дрейфа.

I диф » I др.

Iпр = Iдиф- Iдр>0 Iдиф » Iдр. ≥ Iпр ≈ Iдр.

При прямом V не только снижается п/б, но снижается толщина запрещающего слоя.

(1-100Ом) для значения понижения п/б достаточно приложить малое V, следовательно большой прямой ток можно получить при очень небольшом V.

ē из n-обл. движется через переход в р-обл., а на встречу им движутся дырки т.е. через переход протекает два тока.

Во внешней цепи п/п движ. только ē от «-» к «+» источника к «n»-обл. и компенсируют оба ē дуфундирующих через «р-n» переход. В р-обл. а из нее ē уходят к «+» и тогда там образуются новые дырки, такой процесс непрерывен и ток прямой непрерывен.

В.2

Под действием Vобр. протекает небольшой обратный ток.

После создания Vобр. складывается с полей контактной разности потенциалов.

Результирующее поле усиливается, а высота п/б повышается.

Уже при небольшом увеличении п/б дифузион. перемещения н/з основным прекращается и = 0 т.к. собственных их скоростей н/з предостаточно, чтобы преодолеть п/б.

То выведение неосновных н/з через переход. ускорение эл. п. создает Vобр. называется экстракцией. (извлечение). Т.о. Iобр. определяет собой Iпр. вызван перемещением неосновных н/з. Iобр. мал так как неосновного н/з мало.

То есть при повышении Vобр. поле в месте перехода становится сильнее и больше н/з выталкивается из пограничного слоя вглубь «р-n» переходника. Следовательно с повышением Vобр. повышается п/б и толщина запирающего слоя, этот слой еще сильнее объединяется н/з и сопр. повышается (Rобр > R пр.)

При сравнительно малом Vобр., Iобр. становится практически постоянным, так как число неосновных н/з становится ограниченным. С повышением t⁰ концентрация повышается, I обр. повышается, R обр. понижается.

Лекция № 8.. Свойства и характеристики диодной структуры с «р-n» переходом.

В.1 Параметры. Максимально допустимые.

В.2 Диодные схемы и частотные свойства ДС.

В.3 Шумовые свойства ДС.

Свойства: к основным свойствам относятся:

- свойство односторонней проводимости

- температурные свойства

- частотные свойства

- свойства пробой

Свойства подразделяются на статические и емкостные

Параметры:

- сопротивление по постоянному току

- сопротивление по переменному току (диффузное)

При определенной t⁰ = 300К

Zпр.диф.=0,025/ Iпр.

Емкостные параметры:

- барьерная

- диффузная

Диодная структура с «р-n» переходом обладает свойством аккумулировать заряды, эту емкость представляют в виде двух составляющих: барьерная ёмкость, ярко проявляется при обратном включении когда диффузная емкость отсутствует.

Диффузная емкость преобладает при прямом включении (барьерная емкость)

С= dQ/d_обр.; С=Q/V (Q- заряд)

Барьерная емкость может быть представлена Sпл. конденсатора

С_б = d Q_б /dV_обр = ЕЕ₀S/∆ C_б = (10-100пф)

Время жизни (рекомбинация) является постоянная времени заряда конденсатора с емкостью С_d через резистор сопротивления Rдиф. пр. и она расп. в пределах 1 мк.Ф

С = С_{d +} С_д

В.2 Они подразделяются:

- электрические: - (ток, Iпр, Iобр, Vпр., Vобр., Rпр., Rобр)

- климатические (t^0, t⁰окр. среды= min= до 60⁰ давление от 0,5 до 300 Па)

- механические (удары, вибрации)

Диодная структура эквив сх. по переменному току представ. в виде:

Завис. свойств «р-n» перехода от частоты дейст. в структуре переменного тока или V.

С част. свойствами ДС оценивает максимальную частоту и они связаны с постоянным временем.

В.3

- Тепловые шумы

Под действием t⁰ заряды хаотично перемещаются относительно груд друга вызывая перераспределение заряда. Не зависимо от частоты

- Дробовой шум

Нерегулярное во времени число н/з, пересекает «р-n» переход в обоих направлениях с ростом частоты он растет (10⁵Гц)

- Избыточные шумы (низкочастотные)

Это нерегуляр актов раскомбинации н/з

Тема: Характеристики и параметры диодной структуры с «р-n» переходом.

В.1 Вольт-амперные характеристики стр. 45-47

В.2 Пробой д/с влияние t⁰ на ВАХ стр. 47-50

В.3 Емкости д/с. стр. 51-54

- Iпр. при повышении t⁰ повышается не так сильно как Iобр. так как Iпр. возникает за счет примесных проводников, а концентрация примесей не зависит от t⁰

- Барьерная емкость – это зло! она влияет на выпрямление переменного Т.

- На ее основе строятся такие п/п диоды как варикап, варактор, используются как кондиционер переменной емкости для настройки колебательных контуров.

Диф. емкость возникае при прямом напр. это ни что иное, как накопление подвижной н/з в обл.

Дырки, ē не могут мгновенно раскомбинироваться => каждому значению Vпр. соответствует значение зарядов.

Сдиф. нигде не применяется

Контакты п/п-ов с Ме

Процессы при контакте п/п-ка с Ме зависят от работы выхода.

Чем работа <, тем >ē может выйти.

Тема 4. Полупроводниковые диоды

Лекция 9 п/п-вые диоды общего назначения

В.1 Классификация

В.2 Выпрямительные, универсальные

В.3 Импульсные диоды

Классификация:

1. По конструкции: - плоскостные

- точечные

- микросплавные

2. По мощности: - маломощные

- среднемощные

- мощные

3. По частоте: - низкочастотные

- вронечастотные

- СВЧ

4. По функц. назнач: - фотодиод

- выпрям. блоки

- выпрямительные

- импульсные

- стабилитроны

- варикапы

- светодиоды

- тоннельные диоды

- диод Шотки

Iг- мат. изготовления

К(2)- кремний

А(3) арсенит-галия

IIгр.- тип п/п диодов

Д- Выпрямительные, ВЧ, импульсные

А- диоды СВЧ

С- стабилитрон

В-варикап

И-тунельный

Ф-фотодиоды

Л- светодиоды

Ц- выпрямительные столбы и блоки

IIIгр. – группа диодов по своим параметрам

101/399- выпрямительные

Д= 401/499- ВЧ

501/599- импульсные

IV – модификации

В.2

Применяются: в выпрямительных устройствах для питаний, (сплавы)

диоды малой мощности средней Р большой Р

300-10А 10А и выше

Для выпрямления высоких напряжений применяются выпрямительные столбы.

Выпрямительные точечные диоды (универсальные) прим. ВЧ и на СВЧ (сотни МГц)

Предельное Vобр.=150В=Iпр max= 100мА

Выпрям ~ 10 ков – один из важнейших процессов в радиоэлектронике. След., т.к. п/п диоды хорошо проводит I в прямом направлении, но плохо в обратном их и применяют для этого.

Схема простого выпрям с п/п диодом.

При выпрямлении более высоких напряжений приходится соединять диоды последовательно.

Для того, чтобы напряжение распределилось равномерно применяется шунтирующее сопротивление методом подбора

//-ые соед. прим. когда нужно получить I пр гораздо больше чем дает один диод.

Rу-уравнивающее сопротивление сосд. не больше 3-х диодов.

В.3.

Импульсные диоды предназначаются для работы в импульсных цепях с длительностями импульсов от нескольких нс до мкс.

Лекция 10. п/п приборы специального назначения.

В.1 Варикапы

В.2 Стабилитроны и стабиотроны

В.3 Туннельные и обращенные диоды

Это плоскостной диод (параметрический) работает он при обратном напряжении.

(Переменная емкость конденсатора управляется не механически, а электрически)

Схема включения для понижения стабилизации

В.3

Предназначен для переключения I и V в различных логических схемах вычислительной техники для усиления и генерирования колебаний.

Обращенный диод- это п/п диод с р-n-переходом созд. в вырожд. п/п с высокой концентрацией примесей.

Пример: в детекторах, смесителях, импульсных устройствах.

Они высокочуствительны что позволяет им работать при малых мощностях, малые размеры и низкий уровень шума.

Подвержены старению.

Практическая работа.

Рабочий режим диода.

Диод обладает нелинейным сопротивлений => расчет тока делают графически.

Уравнение для R_Н первой степени, его график- прямая линия, называется линией нагрузки.