Похожие презентации:
Электрический ток в полупроводниках. Лекция №9
1.
Лекция № 9ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК В
ПОЛУПРОВОДНИКАХ
66
1
2.
ВОПРОСЫ26. Полупроводники. Температурная
зависимость сопротивления
полупроводников. Собственная и
примесная проводимость в
полупроводниках.
66
2
3.
27. Контакт двух полупроводников сразличным типом проводимости (p-n
переход). Полупроводниковые
диоды и триоды. Принцип работы
диода. Прямое и обратное
включение. ВАХ диода.
66
3
4.
664
5.
26. Полупроводники.Температурная зависимость
сопротивления полупроводников.
Собственная и примесная
проводимость в полупроводниках.
66
5
6.
У полупроводников размерызапрещённой зоны больше, чем у
металлов, но меньше, чем у
диэлектриков
(у полупроводников и у диэлектриков
валентная зона заполняется
полностью).
66
6
7.
Следовательно, для переводаэлектрона в зону проводимости
нужно больше энергии.
Энергии теплового движения
электронов достаточно, чтобы
несколько штук попали в зону
проводимости. Такие кристаллы
называются полупроводниками.
Если тепловая энергия много
меньше запрещённой зоны, то это
диэлектрик.
66
7
8.
668
9.
Итак, при Т = 0 К все электроны уполупроводника находятся в
валентной зоне.
При комнатной температуре часть
электронов
(10–10 от общего числа) переходят в
зону проводимости.
Эти электроны становятся
электронами проводимости.
66
9
10.
На освободившееся место можетпереместиться другой электрон,
значит вакансия окажется в другом
месте. Такое перемещение вакансии
равносильно движению
положительного заряда.
Такую квазичастицу называют
дыркой.
66
10
11.
6611
12.
В чистых полупроводниках числодырок равно числу электронов
проводимости.
Проводимость называют
собственной, сами кристаллы –
собственными полупроводниками.
Уровень Ферми находится
посередине запрещённой зоны.
66
12
13.
Концентрация носителей токаnn = np = n exp(– W/2kT),
nn, np – концентрация электронов и
дырок,
W – ширина запрещённой зоны,
n – постоянная, некоторая начальная
концентрация.
66
13
14.
nn, np66
Т
14
15.
Примесная проводимость вполупроводниках.
В полупроводнике (германий Ge,
кремний Si и многие химические
соединения, например, арсенид
галлия, арсенид индия и др.) каждый
атом обладает 4 валентными
связями, у каждого атома 4 соседа.
66
15
16.
В собственных полупроводниках притемпературе абсолютного нуля
(Т = 0 К) валентная зона заполнена
электронами полностью, а зона
проводимости пуста.
Валентная зона отделена от зоны
проводимости запрещенной зоной.
66
16
17.
6617
18.
Если добавить примесный атом свалентностью 5 (P фосфор, As
мышьяк, Sb сурьма), то один
валентный электрон оказывается
лишним, он не идёт на связь,
теряется, а атом примеси становится
положительно заряженным.
Такие примеси называют донорными
атомами, полупроводник n – типа, а
проводимость электронная.
66
18
19.
6619
20.
6620
21.
Если ввести 3-х валентные атомы(B бор, Al алюминий, Ga галлий, In
индий), то, наоборот, одна связь
оказывается пустой, образуется
дырка.
Такие атомы называют акцепторами,
полупроводники – p-типа, а
проводимость дырочная.
66
21
22.
6622
23.
6623
24.
Чтобы повысить проводимостьчистого кремния в 1000 раз нужно
добавить бора в количестве 10-5
атомных частей.
Зависимость концентрации
электронов донорного
происхождения или дырок
акцепторного происхождения:
n = const · exp(- Wd,a /2kT),
66
24
25.
Wd,a – размер запрещённой зоныдля донорных и акцепторных
примесей в полупроводнике.
Если Wd,a << kT << W, то все
доноры и акцепторы ионизированы.
66
25
26.
6626
27.
27. Контакт двух полупроводников сразличным типом проводимости
(p-n переход).
Полупроводниковые диоды и
триоды.
Принцип работы диода.
Прямое и обратное включение.
ВАХ диода.
66
27
28.
В простейшей модели квантовойтеории электроны, находящиеся на
валентном уровне, в металлах,
рассматриваются как идеальный
ферми-газ в потенциальном ящике с
плоским дном.
Потенциал точки нахождения
электрона положителен, но
потенциальная энергия электрона
отрицательна
WP0 = (-e)(+φ) < 0.
66
28
29.
φAВ = eφ
WP0
WF
66
29
30.
При Т = 0 К все энергетическиесостояния равномерно заполнены
попарно электронами с
противоположным направлением
спинов в каждом состоянии, начиная
от дна потенциальной ямы, вплоть
до максимальной энергии Ферми,
66
30
31.
АВ – работа выхода электрона изметалла, отсчитываемая от уровня
Ферми, последнего энергетического
уровня, занятого электронами, а не
от дна потенциальной ямы, как в
классической теории.
Работа выхода – минимальная
энергия, которую необходимо
затратить для удаления электрона
из металла в вакуум.
66
31
32.
Если электрон находится на самомнижнем уровне, то eφ = WP0,
если на уровне Ферми, то
eφ = WP0 – WF,
φ – потенциал выхода.
Эти выводы для T = 0 К.
66
32
33.
Если добавить избыточныйотрицательный заряд металлу, то
увеличим энергию, уменьшим
потенциал.
Если добавить положительный, то
наоборот, уменьшаем энергию,
увеличиваем потенциал.
66
33
34.
WP = 0φ=0 W
P0
WP0
«Поверхность атома»
66
34
35.
Контактная разность потенциаловЕсли привести в соприкосновение
два разных металла, между ними
возникает разность потенциалов,
называемая контактной.
66
35
36.
До соприкосновения1
WP1
2
eφ1
eφ2
WF1
WP2
WF2
66
36
37.
После соприкосновения1
WP = 0
WP1
2
eU12
eφ2
eφ1
WP2
WF1
WF2
eU'12
66
37
38.
При eφ1 > eφ2, электроны с болеевысоких уровней будут переходить
на более низкий, из 1-го во 2-й.
66
38
39.
Условие равновесия – равенствополных энергий, соответствующих
уровню Ферми.
При этом условии уровни Ферми
обоих металлов на одинаковой
высоте.
66
39
40.
При этом, потенциал на поверхностипервого металла будет выше, чем на
поверхности второго на
eφ 2 eφ1
U12
φ 2 φ1
e
– контактная разность потенциалов
(внешняя).
66
40
41.
WF 1 WF 2U12
e
– внутренняя разность потенциалов.
Контактная разность потенциалов
имеет место и на границе между
металлом и полупроводником, а
также на границе между двумя
полупроводниками.
66
41
42.
Диод – тонкий слой на границемежду двумя областями одного и
того же кристалла, отличающимися
типом примесной проводимости или
устройство, в котором величина
проводимости зависит от
направления электрического тока
(в одном направлении ток идёт, в
другом направлении нет).
66
42
43.
6643
44.
Для получения n-р переходаиспользуют метод плавления,
эпитаксиальный метод, метод
ионного легирования.
В образец чистого полупроводника,
например, германия, вводят две
примеси – донорную (мышьяк) и
акцепторную (индий).
66
44
45.
В результате в одной половинеобразца возникает полупроводник
n-типа (электронная проводимость),
а в другой – полупроводник р-типа
(дырочная проводимость).
Концентрация носителей в
собственном полупроводнике
составляет 1019 м 3;
концентрация неосновных носителей
составляет 1016 м 3.
66
45
46.
Из-за большого различия вконцентрации основных и
неосновных носителей при Т 0 К
возникают диффузионные потоки:
электронов из
полупроводника n-типа в
полупроводник р-типа и дырок из
полупроводника р-типа в
полупроводник n-типа.
66
46
47.
При этом областьполупроводника n-типа вблизи
контакта, заряжается положительно,
а область полупроводника р-типа
вблизи контакта заряжается
отрицательно.
На границе возникает двойной слой
из электронов и дырок –
запирающий слой.
66
47
48.
6648
49.
Электрическое поле в этомзапирающем слое направлено так,
что противодействует дальнейшему
переходу через слой основных
носителей тока.
66
49
50.
Происходит понижение уровняФерми в полупроводнике n-типа и
повышение его в
полупроводнике р-типа.
Процесс перехода электронов из
полупроводника n-типа и дырок из
полупроводника р-типа будет
происходить до тех пор пока уровни
Ферми не сравняются, и затем
устанавливается динамическое
равновесие.
66
50
51.
6651
52.
Поток электронов из n (слева) в р(справа) уравновешивается потоком
электронов из р (справа) в n (слева).
Аналогичный процесс происходит и с
дырками. Таким образом, уход
электронов из приконтактного слоя
полупроводника n-типа приводит к
возникновению в этом слое
объемного положительного заряда
ионизированных атомов донорной
примеси.
66
52
53.
Аналогично в полупроводнике p-типаобразуется объёмный
отрицательный заряд
ионизированных атомов акцепторной
примеси.
Между этими слоями возникает
контактная разность потенциалов,
создающая в n-p переходе
потенциальный барьер
рn = WFn – WFp,
66
53
54.
Этот барьер препятствует переходуэлектронов из
полупроводника n-типа в
полупроводник р-типа и дырок из
полупроводника р-типа в
полупроводник n-типа.
Таким образом, в состоянии
равновесия ток через n-p переход
отсутствует.
66
54
55.
Приложим к n-p переходу внешнююразность потенциалов U, подключив
к р-области положительный полюс
источника напряжения,
а к n-области – отрицательный.
Внешняя разность потенциалов
вызовет понижение потенциального
барьера для основных носителей.
Ширина контактного слоя
уменьшится.
66
55
56.
Под действием электрического поляпоток электронов из n- в р-область и
поток дырок из р- в n-область
увеличится, что приведет к
возникновению прямого тока за счет
движения основных носителей.
В то же время ток не основных
носителей останется неизменным,
так как концентрация их не зависит
от потенциального барьера n-p
перехода.
66
56
57.
6657
58.
Если приложить к n-p переходувнешнюю разность потенциалов U в
обратном направлении, подключив к
р-области отрицательный полюс
источника напряжения, а к n-области
– положительный, то под действием
этой разности потенциалов
потенциальный барьер n-p перехода
повысится,
66
58
59.
что вызовет уменьшение потокаосновных носителей
(электронов и дырок) и
соответственно уменьшение тока
через контактный слой n-p перехода
в прямом направлении.
В итоге возникнет обратный ток,
вызванный не основными
носителями.
66
59
60.
Вольтамперная характеристика(ВАХ)
Диоды из полупроводников имеют
очень малые размеры, не требуют
значительной энергии для своей
работы, дешёвы,
но ВАХ не линейна, они легко могут
перегореть, чувствительны к
внешним условиям.
66
60
61.
6661
62.
Вольтамперная характеристика(ВАХ) идеального диода
(два варианта)
I
U
66
62
63.
Транзистор – полупроводниковыйтриод, кристалл с двумя
p-n-переходами.
Транзисторы бывают по двум
схемам:
p-n-p и n-p-n.
66
63
64.
ЭмиттерБаза
p
UВХ
n
Коллектор
p
RВХ
RВЫХ
UЭ
UВЫХ
UК
66
64
65.
ЭмиттерБаза
Коллектор
WPД
WPЭ
WPД
WPЭ
66
65
66.
Напряжение на эмиттере имеетпрямое выключение и понижает
потенциальный барьер дырок.
Дырки легко проникают из эмиттера
в базу.
Толщина базы невелика,
диффундировавшие сюда дырки
почти не рекомбинируют с
электронами, попадают в коллектор.
66
66
67.
Таким образом, цепь коллектора, собратным включением, оказывается
замкнутой.
Положив Iк ≈ Iэ, запишем
U вх U вых
U вых Rвых
,
Rвх Rвых
U вх
Rвх
Rвых Rвх U вых U вх
Таким образом, транзистор
усиливает напряжение и мощность.
66
67
68.
6668