Методи формування електронно-діркових переходів

Размещено на http://www.allbest.ru/

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

НАЦІОНАЛЬНИЙ АВІАЦІЙНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

Комп'ютерна електроніка

Індивідуальне завдання №1

Методи формування електронно-діркових переходів.

Виконав:

Студент групи ФКС 205

Варченко Денис

Київ 2011

План

потенціал бар'єр електрон напруга

1. Основні відомості

2. Методи формування елекронно діркових переходів.

3. Виникнення потенціального бар'єру. Контактна різниця потенціалів

1. Основні відомості

Електронно-дірковий перехід ( p -- n -перехід), область напівпровідника, в якій має місце просторова зміна типа провідності (від електронної n до діркової p ) . Оскільки в р -області електронно-діркового переходу концентрація дірок набагато вища, ніж в n -області, дірки з n -області прагнуть дифундувати в електронну область. Електрони дифундують в р -область. Проте після відходу дірок в n -області залишаються негативно заряджені акцепторні атоми, а після відходу електронів в n -області -- позитивно заряджені донорні атоми. Так як акцепторні і донорні атоми нерухомі, то в області Е.-д. п. утворюється подвійний шар просторового заряду -- негативні заряди в р -області і позитивних зарядах в n -області ( мал. 1 ).

Мал. 1. Схема p-n -перехода: чорні кухлі -- електрони; світлі кухлі -- дірки.

Контактне електричне поле, що виникає при цьому по величині і напряму таке, що воно протидіє дифузії вільних носіїв струму через Е.-д. п.; в умовах теплової рівноваги за відсутності зовнішньої електричної напруги повний струм через Е.-д. п. дорівнює нулю. Тобто, в Е.-д. п. існує динамічна рівновага, при якій невеликий струм, що створюється неосновними носіями (електронами в р -області і дірках в n -області), тече до Е.-д. п. і проходить через нього під дією контактного поля, а рівний по величині струм, що створюється дифузією основних носіїв (електронами в n -області і дірках в р -області), протікає через Е.-д. п. у зворотному напрямі. При цьому основним носіям доводиться долати контактне поле ( потенційний бар'єр ) . Різниця потенціалів, що виникає між p- і n -областями із-за наявності контактного поля ( контактна різниця потенціалів або висота потенційного бар'єру), зазвичай складає десяті долі вольта.

В той же час потоки неосновних носіїв не змінюються, оскільки для них бар'єру не існує. Потоки неосновних носіїв визначаються швидкістю теплової генерації електронно-діркових пар. Ці пари дифундують до бар'єру і розділяються його полем, внаслідок чого через Е.-д. п. тече струм I _s (струм насичення), який зазвичай малий і майже не залежить від прикладеної напруги. Тобто, залежність струму 1 через Е.-д. п. від прикладеної напруги U (вольтамперна характеристика) володіє різко вираженою не лінійністю ( мал. 2 ).

Мал. 2. Вольтамперна характеристика р -- n-переходу: U -- прикладена напруга; I - струм через перехід; Is -- струм насичення; Unp -- напруга пробою.

При зміні знаку напруги струм через Е.-д. п. може мінятися в 10 ⁵ --10 ⁶разів. Завдяки цьому Е.-д. п. є вентильним пристроєм, придатним для випрямлення змінних струмів. Залежність опору Е.-д. п. від U дозволяє використовувати Е.-д. п. як регульований опір ( варістора ) .

При подачі на Е.-д. п. досить високого зворотного зсуву U = U _пр виникає електричний пробій, при якому протікає великий зворотний струм ( мал. 2 ). Розрізняють лавинний пробій, коли на довжині вільного пробігу в області об'ємного заряду носій набуває енергії, достатньої для іонізації кристалічної решітки , тунельний (зінеровський) пробій, що виникає при туннелірованії носіїв крізь бар'єр, і тепловий пробій, пов'язаний з недостатністю тепловідводу від Е.-д. п., що працює в режимі великих струмів.

Окрім використання не лінійності вольтамперної характеристики і залежності ємкості від напруги, Е.-д. п. знаходить багатообразні вживання, засновані на залежності контактної різниці потенціалів і струму насичення від концентрації неосновних носіїв. Їх концентрація істотно змінюється при різних зовнішніх діях -- теплових, механічних, оптичних і ін. На цьому засновані різного роду датчики: температури, тиску, іонізуючих випромінювань і т. д. Е.-д. п. використовується також для перетворення світлової енергії в електричну (сонячна батарея ) .

Е.-д. п. є основою різного роду напівпровідникових діодів, а також входять як складові елементи в складніші напівпровідникові прилади -- транзистори, тиристори і т. д.

2. Методи формування електронно-діркових переходів

Е.-д. п. може бути створений різними шляхами:

1) у об'ємі одного і того ж напівпровідникового матеріалу, легованого в одній частині донорною домішкою ( р -область), а в іншій -- акцепторною ( n -область);

2) на кордоні двох різних напівпровідників з різними типами провідності (напівпровідниковий гетероперехід );

3) поблизу контакту напівпровідника з металом, якщо ширина забороненої зони напівпровідника менше різниці робіт виходу напівпровідника і металу;

4) додатком до поверхні напівпровідника з електронною (дірковою) провідністю досить великого негативного (позитивного) потенціалу, під дією якого в поверхні утворюється область з дірковою (електронною) провідністю (інверсний шар).

Якщо Е.-д. п. отримують вплавленням домішок в монокристалічний напівпровідник (наприклад, акцепторній домішці в кристал з провідністю n -тіпа), то перехід від n- до р -області відбувається стрибком (різкий Е.-д. п.). Якщо використовується дифузія домішок, то утворюється плавний Е.-д. п. Плавні Е.-д. п. можна отримувати також вирощуванням монокристала з розплаву, в якому поступово змінюють вміст і характер домішок. Набув поширення метод іонного впровадження домішкових атомів, що дозволяє створювати Е.-д. п. заданого профілю.

3. Виникнення потенціального бар'єру. Контактна різниця потенціалів

Електронно-дірковий перехід - основний елемент біполярних приладів, pn - перехід створюють у кристалі змінюючи тип його провідності, шляхом уведення акцепторної та донорної домішок. На мал. 3 схематично показано кристал з різким pn-переходом та розподіл акцепторної та донорної домішок в ньому.

Мал. 3. Схема кристалу з різким pn-переходом (вверху) та розподіл
акцепторної (Na) та донорної (Nd) домішок в ньому.

Енергетичну діаграму для p-n переходу можна отримати достатньо просто, якщо скористатися положенням про те, що в системі, яка знаходиться в рівноважному стані, відбувається вирівнювання середньої енергії між її частинами і, відповідно, рівень Фермі повинен для всієї системи мати одне і те ж значення.

Припустимо, що у нас є дві ізольовані напівпровідникові області p та n типів (ми можемо їх отримати, відрізавши з лівої та правої сторони кристалу, який показано на мал. 3). Тоді для цих областей можна побудувати енергетичну діаграму, яка показана в верхній частині мал. 4 . Як ілюструє діаграма, матеріали p та n типу відрізняються положенням рівнів Фермі Fp та Fn і, відповідно, роботою виходу Фp та Фn.

Мал. 4. Енергетична діаграма: (а) ізольовані p та n області, (б) pn - перехід.

Коли утворюється pn перехід, між p та n областями відбувається обмін електронами та дірками і енергією так, що між областями встановлюється рівновага, і рівень Фермі, що характеризує цей урівноважений стан, стає єдиним для усієї системи, як це показано на мал. 4б. Області, які знаходяться на значній віддалі від місця контакту p та n областей, не піддаються впливові pn переходу, тому їх повинна характеризувати енергетична діаграма, що показана на верхньому рисунку (мал. 4а). Таким чином, умови збереження властивостей окремих матеріалів та єдиності рівня Фермі для всієї системи викликають появу стрибка в області pn переходу. Цей стрибок відповідає виникненню потенціального бар'єру, який перешкоджає переходові основних носіїв у потенціальну область (дірок з p в n область та електронів з n в p область). потенціальний бар'єр виникає в результаті появи внутрішнього електричного поля та відповідаючої йому мал. 4:

qUк = Фp - Фn = Fn - Fp (39)

Тобто, контактна різниця потенціалів дорівнює різниці термодинамічних робіт виходу чи різниці енергій рівнів Фермі в матеріалах p та n типів. Щоб розрахувати положення рівнів Фермі, скористаємось формулами для концентрацій електронів (дірок) в n та p областях:

(40)

аналогічно можна отримати:

Оскільки концентрація основних носіїв приблизно дорівнює концентрації легуючої домішки (p_p0 = Na, n_n0 = Nd), та добуток рівноважних концентрацій електронів та дірок в одній області при заданій температурі дорівнює квадратові концентрації власних носіїв заряду (18), то з (41) отримаємо:

(42)

Таким чином, потенціальний бар'єр в pn переході є тим вищим, чим сильніше леговані p та n області.

Розглянемо, яка фізична природа явищ, що приводять до виникнення на межі між p та n областями потенціального бар'єру. Якщо б між p та n областями не було контакту, то кожна з них була б електронейтральною, при цьому виконувалися б наступні умови: p_p = Na^-, n_n = Nd⁺. При наявності між p та n областями контакту вільні електрони будуть виходити з n області в сусідню, залишаючи поблизу межі в n області незкомпенсований заряд додатніх донорів - Nd⁺. Вільні дірки будуть виходити з p області в сусідню, залишаючи поблизу межі в p області незкомпенсований заряд від'ємних акцепторів - Na^-. Оскільки донори та акцептори зв'язані з решіткою, подвійний шар заряду, що виникає, також вбудований в решітку і не може переміщуватись. При цьому в області просторового заряду (ОПЗ) виникає електричне поле, яке напрямлене від n області до p області, і перешкоджає переходові основних носіїв через межу областей. Чим більше переходить основних носіїв, тим є більшим незкомпенсований заряд в ОПЗ, тим є вищим енергетичний бар'єр, що перешкоджає переходові. Рівновага наступає при деякій умові, яка описується формулами (41), (42). При цьому необхідно відмітити, що основні носії з області просторового заряду перекидаються в сусідню область, де вони стають неосновними. В самій ж області просторового заряду концентрація носіїв є малою (вона є близькою до власної), оскільки усі носії, що попадають в ОПЗ, викидаються з цієї області електричним полем. Тому можна вважати, що область просторового заряду володіє провідністю, яка на декілька порядків менша, за леговані p та n області. Тому в подальшому будемо вважати, що опір областей за межами ОПЗ на декілька порядків менший, аніж опір самої ОПЗ і, якщо до напівпровідникової структури з одним pn переходом прикладена зовнішня напруга, то вона падає, в основному, на ОПЗ, а в прилеглих до переходу p та n областях електричного поля практично немає.

Діаграми мал.. 5 ілюструють розглянуті процеси. Область, в якій є електричне поле (ОПЗ), на рисунку позначена d.

Мал. 5. Діаграма, яка пояснює виникнення області просторового заряду(подвійного зарядженого шару) в pn переході.

Уважно проаналізувавши діаграму мал. 5, можна ще раз переконатись в тому, що напрямок контактного електричного поля (Еконт) такий, що воно перешкоджає дифузії в сусідню область основних носіїв заряду і сприяє переходові неосновних. Саме ця асиметрія потенціального бар'єру по відношенню до носіїв різного типу в кінцевому рахунку і викликає асиметрію вольтамперної характеристики електронно-діркового переходу відносно полярності зовнішньої напруги. При цьому, при одній полярності зовнішньої напруги, поле зовнішньої батареї буде додаватись до внутрішнього поля Еконт, збільшуючи бар'єр, при іншій - відніматись, зменшуючи при цьому бар'єр.

Із формули (42) випливає, що чим сильніше леговані області pn переходу, тим є більшою контактна різниця потенціалів. З фізичної точки зору це зрозуміло: при збільшенні степені легування p області рівень Фермі наближується до валентної зони, при збільшенні степені легування n області рівень Фермі наближується до зони провідності, в той же час як випливає з діаграми мал. 4, контактна різниця дорівнює різниці рівнів Фермі в ізольованих p та n областях. Діаграма мал.. 6 ілюструє залежність контактної різниці потенціалів від степені легування областей. При збільшенні степені легування областей контактна різниця в межі наближається до ширини забороненої зони Eg.

Мал. 6. Залежність контактної різниці pn переходу від рівня легування
областей pn переходу (Si, Т=300 К).

Контактна різниця потенціалів також залежить від температури: зі збільшенням температури вона зменшується. Цей результат також буде зрозумілим, якщо згадати, що при збільшенні температури збільшується ймовірність міжзонного збудження електронів, тобто при високих температурах починає домінувати власна провідність, а рівень Фермі у власних напівпровідниках лежить поблизу середини забороненої зони. Таким чином, оскільки зі зростанням температури різниця між рівнями Фермі в ізольованих p та n областях зменшується, то, відповідно, повинна зменшуватися і контактна різниця потенціалів, як це ілюструє мал.7.

Залежність контактної різниці потенціалів pn переходів від температури часто використовують для створення датчиків температури. За чутливістю ці датчики будуть поступатись датчикам, які використовують температурну залежність електропровідності напівпровідників (термістори), однак до їх переваг можна віднести близьку до лінійної залежність контактної різниці потенціалів від температури, що значно полегшує їх калібрування.

Мал.7. Залежність контактної різниці pn переходу від температури

при різному рівні легування областей (Si - крива 1: NdNa=1032, крива 2: NdNa=1028).

Список використаної літератури

1. Стільбанс Л.С., Фізика напівпровідників, М., 1967;

2. Пікус Р.Е., Основи теорії напівпровідникових приладів, М., 1965;

3. Федотов Я.А., Основи фізики напівпровідникових приладів, 2 видавництва, М., 1970;

4. СВЧ(надвисокі частоти)напівпровідникові прилади і їх вживання, пер.(переведення) з англ.(англійський), М., 1972;

5. Бонч-Бруєвіч Ст.Л., Калашников С.Р., Фізика напівпровідників, М., 1977.

6. Гершунский В.С. Основы электроники. - К.: Вища школа, головн. вид-во, 1982.

7. Жеребцов И.П. Основы электроники. - Л.:Энергоатомиздат, 1985.

8. Нагорский В.Д. Электроника и электрооборудование. - М.: Высшая школа, 1986.

Размещено на Allbest.ru