Электрические свойства полупроводников

Размещено на http://www.allbest.ru

1. Дрейфовый и диффузионный токи в полупроводниках

Электрический ток может возникнуть в полупроводнике только при направленном движении носителей заряда, которое создается либо под воздействием электрического поля (дрейф), либо вследствие неравномерного распределения носителей заряда по объему кристалла (диффузия).

Если электрическое поле отсутствует, и носители заряда имеют в кристалле равномерную концентрацию, то электроны и дырки совершают непрерывное хаотическое тепловое движение. В результате столкновения носителей заряда друг с другом и с атомами кристаллической решетки скорость и направление их движения все время изменяются, так что тока в кристалле не будет.

Под действием приложенного к кристаллу напряжения, в нем возникает электрическое поле; движение носителей заряда упорядочивается: электроны перемещаются по направлению к положительному электроду, дырки - к отрицательному. При этом не прекращается и тепловое движение носителей заряда, вследствие которого происходят столкновения их с атомами полупроводника и примеси.

Направленное движение носителей заряда под действием сил электрического поля называют дрейфом, а вызванный этим движением ток - дрейфовым током. При этом характер тока может быть электронным, если он вызван движением электронов, или дырочным, если он создается направленным перемещением дырок.

В собственных полупроводниках концентрации электронов и дырок одинаковы, но вследствие их разной подвижности электронная составляющая тока больше дырочной. В примесных полупроводниках концентрации электронов и дырок существенно отличаются, характер тока определяется основными носителями заряда: в полупроводниках р-типа - дырками, а в полупроводниках n-типа - электронами.

При неравномерной концентрации носителей заряда вероятность их столкновения друг с другом больше в тех слоях полупроводника, где их концентрация выше. Совершая хаотическое тепловое движение, носители заряда отклоняются в сторону, где меньше число столкновений, т. е. движутся в направлении уменьшения их концентрации.

Направленное движение носителей заряда из слоя с более высокой их концентрацией в слой, где концентрация ниже, называют диффузией, а ток, вызванный этим явлением, - диффузионным током. Этот ток, как и дрейфовый, может быть электронным или дырочным.

Электроны, перемещаясь из слоя с высокой концентрацией в слой с более низкой концентрацией, по мере продвижения рекомбинируют с дырками, и наоборот, диффундирующие в слой с пониженной концентрацией дырки рекомбинируют с электронами. При этом избыточная концентрация носителей заряда уменьшается.

2. Электронно-дырочный переход

2.1 Электронно-дырочный переход при отсутствии внешнего напряжения

Электронно-дырочный переход, или, сокращенно, р-п-переход - это тонкий переходный слой в полупроводниковом материале на границе между двумя областями с различными типами электропроводности: одна - n-типа, другая - p-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-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 р-область), а атомы доноров отдают электроны, становящиеся свободными (создается n-область) (рис. 1, а).

Для простоты примем концентрации основных носителей заряда в обеих областях одинаковыми. Такой p-n-переход называют симметричным: n_n=n_p.

В каждой области кроме основных носителей заряда имеются неосновные носители, концентрация которых значительно меньше, чем основных. Наличие неосновных носителей определяется генерацией электронно-дырочных пар при разрыве ковалентной связи. Одни и те же носители заряда в одной области являются основными, а в другой - неосновными, так что дырок в р-области гораздо больше, чем в n-области, и наоборот, электронов в n-области значительно больше, чем в р-области.

Разность концентраций приводит к диффузии основных носителей заряда через границу между двумя областями. Дырки диффундируют из р-области в n-область, а электроны - из n-области в р-область. Попадая в n-область, дырки рекомбинируют с электронами, и по мере их продвижения вглубь концентрация дырок уменьшается. Аналогично электроны, углубляясь в р-область, постепенно рекомбинируют там с дырками, и концентрация их уменьшается (рис. 1, б).

Рис. 1. Электронно-дырочный переход при отсутствии внешнего напряжения: а) - структура p-n-перехода; б) - распределение концентрации носителей заряда; в) - потенциальный барьер в p-n-переходе

Диффузия основных носителей заряда через границу раздела р- и n-областей создает ток диффузии в р-n-переходе, равный сумме электронного и дырочного токов:

I_ДИФ ⁼ I_рДИФ + I_nДИФ

Направление диффузионного тока совпадает с направлением диффузии дырок.

Уход основных носителей заряда из слоев вблизи границы в соседнюю область оставляет в этих слоях нескомпенсированный неподвижный объемный заряд ионизированных атомов примеси: уход электронов - положительный заряд ионов доноров в n-области, а уход дырок - отрицательный заряд ионов акцепторов в р-области (рис. 1, а). Эти неподвижные заряды увеличиваются еще и за счет рекомбинации основных носителей заряда с пришедшими из соседней области носителями заряда противоположного знака.

В результате образования по обе стороны границы между р- и n-областями неподвижных зарядов противоположных знаков в р-n-переходе создается внутреннее электрическое поле, направленное от n-области к р-области. Это поле препятствует дальнейшей диффузии основных носителей заряда через границу, являясь для них так называемым потенциальным барьером. Его действие определяется высотой потенциального барьера (рис. 1, в). В результате появления потенциального барьера диффузионный ток уменьшается. Преодоление потенциального барьера возможно только для основных носителей, обладающих достаточно большой энергией.

Слой, образованный участками по обе стороны границы, где выступили неподвижные заряды противоположных знаков, является переходным слоем и представляет собой собственно р-n-переход. Этот слой, из которого уходят подвижные носители заряда, называют обедненным слоем. Он обладает большим удельным сопротивлением.

Потенциальный барьер, уменьшая диффузию основных носителей заряда, в то же время способствует переходу через границу неосновных носителей. Совершая тепловое хаотическое движение, неосновные носители заряда попадают в зону действия электрического поля и переносятся им через р-n-переход. Движение неосновных носителей заряда под действием внутреннего электрического поля создает в р-n-переходе дрейфовый ток, равный сумме электронной и дырочной составляющих:

I_ДР = I_рДР + I_nДР

Ток, созданный неосновными носителями заряда, очень мал, так как их количество невелико. Этот ток носит название теплового тока I_T, поскольку количество неосновных носителей заряда зависит от собственной электропроводности полупроводника, т.е. от разрушения ковалентных связей под действием тепловой энергии. Направление дрейфового тока противоположно диффузионному.

При отсутствии внешнего напряжения устанавливается динамическое равновесие, при котором уменьшающийся диффузионный ток становится равным дрейфовому: I_ДИФ⁼I_ДР, т. е. ток через р-n-переход равен нулю. Это соответствует определенной высоте потенциального барьера ц₀.

Установившаяся высота потенциального барьера ц₀ в электрон-вольтах численно равна контактной разности потенциалов U_K в вольтах, создаваемой между нескомпенсированными неподвижными зарядами противоположных знаков по обе стороны границы: ц₀=U_K.

В состоянии равновесия р-n-переход характеризуется шириной d₀.

Величина ц₀ зависит в первую очередь от материала полупроводника, а также от температуры и концентрации примеси. С повышением температуры высота потенциального барьера несколько уменьшается. При комнатной температуре для германия ц₀?0,2-0,3 В, для кремния ц₀?0,6-0,8 В.

2.2 Электронно-дырочный переход при прямом напряжении

При подаче на р-n-переход внешнего напряжения процессы зависят от его полярности. Внешнее напряжение, подключенное плюсом к р-области, а минусом к n-области, называют прямым напряжением U_ПР. Напряжение U_ПР почти полностью падает на р-n-переходе, так как его сопротивление во много раз превышает сопротивление р- и n-областей.

Полярность внешнего напряжения U_ПР противоположна полярности контактной разности потенциалов U_K, поэтому электрическое поле, созданное на р-n-переходе внешним напряжением направлено навстречу внутреннему электрическому полю. В результате этого потенциальный барьер понижается и становится численно равным разности между напряжениями, действующими на р-n-переходе: ц=U_K-U_ПР.

Однако пока U_ПР меньше U_K, еще существует потенциальный барьер; обедненный носителями заряда слой р-n-перехода имеет большое сопротивление, ток в цепи имеет малую величину.

При увеличении внешнего прямого напряжения до U_ПР=U_K потенциальный барьер исчезает, ширина обедненного слоя стремится к нулю. Дальнейшее увеличение внешнего напряжения при отсутствии слоя р-n-перехода, обедненного носителями заряда, приводит к свободной диффузии основных носителей заряда из своей области в область с противоположным типом электропроводности. В результате этого через р-n-переход по цепи потечет сравнительно большой ток, называемый прямым током I_ПР, который с увеличением прямого напряжения растет.

Введение носителей заряда через электронно-дырочный переход из области, где они являются основными, в область, где они являются неосновными, за счет снижения потенциального барьера называют инжекцией. Движение основных носителей заряда через р-n-переход создает электрический ток во внешней цепи. Дрейф неосновных носителей заряда теплового происхождения в сторону от р-n-перехода внутрь области создает тепловой ток I_Т. Тепловой ток на несколько порядков меньше диффузионного тока основных носителей заряда, т.е. прямого тока I_ПР, и имеет противоположное ему направление.

Прямой ток создается встречным движением дырок и электронов через p-n-переход, направление его соответствует направлению движения положительных носителей заряда - дырок. Во внешней цепи прямой ток протекает от плюса источника прямого напряжения через полупроводниковый кристалл к минусу источника.

2.3 Электронно-дырочный переход при обратном напряжении

Обратным напряжением U_ОБР называют внешнее напряжение, полярность которого совпадает с полярностью контактной разности потенциалов; оно приложено плюсом к n-области, а минусом - к р-области. При этом потенциальный барьер возрастает; он численно равен сумме внутреннего и внешнего напряжений: ц=U_K+U_ОБР.

Повышение потенциального барьера препятствует диффузии основных носителей заряда через p-n-переход, и она уменьшается, а при некотором значении U_ОБР совсем прекращается. Одновременно под действием электрического поля, созданного внешним напряжением, основные носители заряда будут отходить от p-n-перехода. Соответственно расширяются слой, обедненный носителями заряда, и p-n-переход, причем его сопротивление возрастает. Внутреннее электрическое поле в p-n-переходе, соответствующее возросшему потенциальному барьеру, способствует движению через переход неосновных носителей заряда. При приближении их к p-n-переходу электрическое поле захватывает их и переносит через p-n-переход в область с противоположным типом электропроводности: электроны из р-области в n-область, а дырки - из n-области в р-область. Поскольку количество неосновных носителей заряда очень мало и не зависит от величины приложенного напряжения, то создаваемый их движением ток через p-n-переход очень мал. Ток, протекающий через p-n-переход при обратном напряжении, называют обратным током I_ОБР. Обратный ток по характеру является дрейфовым тепловым током I_ОБР=I_T, который не зависит от обратного напряжения.

Процесс захватывания электрическим полем p-n-перехода неосновных носителей заряда и переноса их при обратном напряжении через p-n-переход в область с противоположным типом электропроводности называют экстракцией.

полупроводник электронный переход напряжение

2.4 Вольтамперная характеристика p-n-перехода

Вольтамперная характеристика p-n-перехода представляет собой зависимость прямого тока от прямого напряжения и обратного тока от обратного напряжения (рис. 2, а).

Рис. 2. Вольтамперная характеристика p-n-перехода: а) - влияние температуры на прямой и обратный токи перехода; б) - виды пробоя p-n-перехода (1 - лавинный, 2 - туннельный, 3 - тепловой)

Эта характеристика имеет две ветви: прямую, расположенную в первом квадранте графика, и обратную - в третьем квадранте. Прямой ток создается диффузией через p-n-переход основных носителей заряда. С увеличением U_ПР от 0 до значения, равного U_K, ток I_ПР растет медленно и остается очень малым. Это объясняется наличием потенциального барьера, который препятствует, несмотря на снижение, диффузии основных носителей заряда, а также большим сопротивлением области p-n-перехода, обедненной носителями заряда. С дальнейшим увеличением U_ПР потенциальный барьер исчезает и прямой ток быстро нарастает. Это соответствует интенсивной диффузии через p-n-переход основных носителей заряда при отсутствии области перехода, обедненной этими носителями заряда. Обратный ток создается дрейфом через p-n-переход неосновных носителей заряда. Поскольку концентрация неосновных носителей заряда на несколько порядков ниже, чем основных, обратный ток несоизмеримо меньше прямого. При небольшом увеличении обратного напряжения от 0 обратный ток сначала возрастает до значения, равного величине теплового тока I_T, а с дальнейшим увеличением U_ОБР ток остается постоянным. Это объясняется тем, что при очень малых значениях обратного напряжения еще есть незначительная диффузия основных носителей заряда, встречное движение которых уменьшает результирующий ток в обратном направлении. Когда эта диффузия прекращается, величина обратного тока определяется только движением через переход неосновных носителей, количество которых в полупроводнике не зависит от напряжения. Повышение обратного напряжения до определенного значения, называемого напряжением пробоя U_{ОБР.ПРОБ}, приводит к пробою электронно-дырочного перехода, т. е. к резкому уменьшению обратного сопротивления и, соответственно, росту обратного тока. Свойство p-n-перехода проводить электрический ток в одном направлении значительно больший, чем в другом, называют односторонней проводимостью. Электронно-дырочный переход, электрическое сопротивление которого при одном направлении тока на несколько порядков больше, чем при другом, называют выпрямляющим переходом. На рис. 2, а пунктирной линией показано влияние повышения температуры на прямую и обратную ветви вольтамперной характеристики p-n-перехода. Прямая ветвь при более высокой температуре располагается левее, а обратная - ниже. Таким образом, повышение температуры при неизменном внешнем напряжении приводит к росту как прямого, так и обратного токов, а напряжение пробоя, как правило, снижается. Причиной такого влияния повышения температуры является уменьшение прямого и обратного сопротивлений из-за термогенерации пар носителей заряда, а также из-за снижения потенциального барьера ц₀.

Размещено на Allbest.ru