Контакт электронного и дырочного полупроводников

БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

КАФЕДРА ФИЗИКИ ПОЛУПРОВОДНИКОВ И НАНОЭЛЕКТРОНИКИ

 

 

 

 

 

 

 

Реферат на тему: «Контакт электронного и дырочного полупроводников»

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Подготовил: Новик А. В.

3 курс,1 группа

Физический факультет

 

 

 

 

 

 

Минск 2015

Содержание

 

 

Введение………...………………………………………………………………...3

Физика p-n перехода………………………………….…………………………4

Вольт-амперная характеристика…………………..…………………………5

Пробой p — n-перехода…………………………….…………………………..6

Ёмкость p — n-перехода……………………………………………………….7

Заключение……………………………………………..……………………….8

Список используемых ресурсов……………………….……………………...9

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

 

     Граница соприкосновения двух полупроводников, один из которых имеет электронную, а другой - дырочную проводимость, называется электронно-дырочным переходом (или p-n-переходом). Эти переходы имеют большое практическое значение, являясь основой работы многих полупроводниковых приборов. Этот переход нельзя осуществить просто механическим соединением двух полупроводников. Обычно области различной проводимости создают либо при выращивании кристаллов, либо при соответствующей их обработке. Если p-n-переход получают вплавлением примесей в монокристаллический полупроводник, то переход от n к р-области происходит скачком (резкий переход), если используется диффузия примесей, то образуется плавный переход. Например, на кристалл германия n-типа накладывается индиевая «таблетка» (рис. 1 а). Эта система нагревается примерно при 500° С в вакууме или в атмосфере инертного газа; атомы индия диффундируют на некоторую глубину в германий. Затем расплав медленно охлаждают. Так как германий, содержащий индий, обладает дырочной проводимостью, то на границе закристаллизовавшегося расплава и германия n-типа образуется p-n-переход (рис. 1 б).   

 

      

  Рис. 1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Физика p-n перехода

 

     Пусть донорный полупроводник приводится в контакт (рис. 2 а) с акцепторным полупроводником.

   

      Электроны из n-полупроводника, где их концентрация выше, будут диффундировать в p-полупроводник, где их концентрация ниже. Диффузия же дырок происходит в обратном направлении — в направлении р→n.

                               

                                Рис. 2                                                  

     При уходе  дырок из р-области в n-область  в р-области остаются отрицательные  ионы акцепторов, а при уходе  электронов из n-области в р-область  в n-области остаются положительные  ионы доноров. Положительные и  отрицательные ионы примесных  атомов прочно связаны с атомами  основного полупроводника  и не могут перемещаться. Поэтому в р-области на границе с n-областью создается отрицательный заряд, а в n-области на границе с р-областью — положительный заряд. Наличие зарядов противоположных знаков на границе между р- и n-областями приводит к появлению между этими областями так называемой контактной разности потенциалов и электрического поля. Это поле названо диффузионным. Оно характеризуется напряженностью Eдиф, направленной из n-области в р-область.  Данное поле препятствует дальнейшей диффузии основных носителей через контакт — устанавливается равновесное состояние.

     Помимо основных в полупроводнике имеется небольшая концентрация неосновных носителей — электронов в р-области и дырок в n-области. Неосновные носители хаотически движутся в полупроводнике. При попадании дырок n-области и электронов р-области в пределы диффузионного поля они захватываются этим полем и перебрасываются в противоположные области. Следовательно, кроме электрического тока, образованного в результате диффузии основных носителей через границу р- и n-областей, через нее протекает также ток, образованный движением неосновных носителей. Такой ток тоже содержит две составляющие — электронную и дырочную — и называется дрейфовым, или током проводимости. Дрейфовый ток направлен из n-области в р-область, т. е. навстречу диффузионному току. Если к р- и n-областям не подключен внешний источник напряжения и они не подвергаются никаким другим энергетическим воздействиям, потенциальный барьер между р-и n-областями достигает такой величины, при которой диффузионный ток полностью компенсируется дрейфовым током и результирующий ток равен нулю. 
Область вблизи места контакта содержит объемные заряды, образованные отрицательными и положительными ионами примесных атомов, но в ней практически нет подвижных носителей зарядов — электронов и дырок. Вследствие этого сопротивление данной области оказывается очень большим, и ее называют запирающим слоем, или областью объемного заряда, а чаще всего — электронно-дырочным переходом (р-n-переходом).

     Сопротивление запирающего слоя можно изменить с помощью внешнего электрического поля. Если приложенное к p-n-переходу внешнее электрическое поле направлено от n-полупроводника к p-полупроводнику (рис. 3 а), т. е. совпадает с полем контактного слоя, то оно вызывает движение электронов в n-полупроводнике и дырок в p-полупроводнике от границы р-n-перехода в противоположные стороны.

                                      

 

 

  Рис. 3

 

  

  В результате запирающий слой расширится и его сопротивление возрастет. Направление внешнего поля, расширяющего запирающий слой, называется запирающим (обратным). В этом направлении электрический ток через p-n-переход практически не проходит. Ток в запирающем слое в запирающем направлении образуется лишь за счет неосновных носителей тока (электронов в p-полупроводнике и дырок в n-полупроводнике).

     Если приложенное к p-n-переходу внешнее электрическое поле направлено противоположно полю контактного слоя (рис. 3 б), то оно вызывает движение электронов в n-полупроводнике и дырок в p-полупроводнике к границе p-n-перехода навстречу друг другу. В этой области они рекомбинируют, толщина контактного слоя и его сопротивление уменьшаются. Следовательно, в этом направлении электрический ток проходит сквозь p-n-переход в направлении от p-полупроводника к n-полупроводнику; оно называется пропускным  (прямым). Таким образом, p-n-переход обладает односторонней (вентильной) проводимостью.

 

Вольт-амперная характеристика

 

     На рис. 4 представлена вольт-амперная характеристика p-n-перехода. Как уже указывалось выше, при пропускном (прямом) напряжении внешнее электрическое поле способствует движению основных носителей тока к границе p-n-перехода. В результате толщина контактного слоя уменьшается. Соответственно уменьшается и сопротивление перехода (тем сильнее, чем больше напряжение), а сила тока становится большой (правая ветвь на рис. 4). Это направление тока называется прямым.

     При запирающем (обратном) напряжении внешнее электрическое поле препятствует движению основных носителей тока к границе p-n-перехода и способствует движению неосновных носителей тока, концентрация которых в полупроводниках невелика. Это приводит к увеличению толщины контактного слоя, обедненного

 

                   Рис. 4                          основными носителями тока. Соответственно увеличивается и сопротивление перехода. Поэтому в данном случае через p-n-переход протекает только небольшой ток (он называется обратным), полностью обусловленный неосновными носителями тока (левая ветвь рис. 4). Быстрое возрастание этого тока означает пробой контактного слоя и его разрушение.

 

Пробой p — n-перехода

 

     Пробой диода — это явление резкого увеличения обратного тока через диод при достижении обратным напряжением некоторого критического для данного диода значения. В зависимости от физических явлений, приводящих к пробою, различают лавинный, туннельный, поверхностный и тепловой пробои.

     Лавинный пробой (ударная ионизация) является наиболее важным механизмом пробоя p –n перехода. Пробой связан с образованием лавины носителей заряда под действием сильного электрического поля, при котором носители приобретают энергии, достаточные для образования новых электронно-дырочных пар в результате ударной ионизации атомов полупроводника.

       Туннельным пробоем электронно-дырочного перехода называют электрический пробой перехода, вызванный квантовомеханическим туннелированием носителей заряда сквозь запрещённую зону полупроводника без изменения их энергии.

       Поверхостный пробой (ток утечки). Реальные p-n-переходы имеют участки, выходящие на поверхность полупроводника. Вследствие возможного загрязнения и наличия поверхостных зарядов между p- и n- областями могут образовываться проводящие пленки и проводящие каналы, по которым идет ток утечки Iут. Этот ток увеличивается с ростом обратного напряжения и может привысить тепловой ток I0 и ток генерации Iген. Ток Iут слабо зависит от температуры. Для уменьшения Iут применяют защитные пленочные покрытия.

    Тепловой пробой — это пробой, развитие которого обусловлено выделением в выпрямляющем электрическом переходе тепла вследствие прохождения тока через переход. При подаче обратного напряжения практически всё оно падает на p — n-переходе, через который идёт, хотя и небольшой, обратный ток. Выделяющаяся мощность вызывает разогрев p-n-перехода и прилегающих к нему областей полупроводника. При недостаточном теплоотводе эта мощность вызывает дальнейшее увеличение тока, что приводит к пробою. Тепловой пробой, в отличие от предыдущих, необратим.

 

Ёмкость p — n-перехода

     Можно рассматривать p — n-переход как плоский конденсатор, обкладками которого служат области n- и p-типа вне перехода, а изолятором является область объемного заряда, обеднённая носителями заряда и имеющая большое сопротивление. Такая ёмкость называется барьерной. Она зависит от внешнего приложенного напряжения, поскольку внешнее напряжение меняет пространственный заряд. Действительно, повышение потенциального барьера при обратном смещении означает увеличение разности потенциалов между n- и p-областями полупроводника, и, отсюда, увеличение их объёмных зарядов. Поскольку объёмные заряды неподвижны и связаны с ионами доноров и акцепторов, увеличение объёмного заряда может быть обусловлено только расширением его области и, следовательно, уменьшением электрической ёмкости перехода. В зависимости от площади перехода, концентрации легирующей примеси и обратного напряжения барьерная емкость может принимать значения от единиц до сотен пикофарад. Барьерная ёмкость проявляется при обратном напряжении; при прямом напряжении она шунтируется малым сопротивлением p — n-перехода.

     Кроме барьерной ёмкости p — n-переход обладает так называемой диффузионной ёмкостью. Диффузионная ёмкость связана с процессами накопления и рассасывания неравновесного заряда в базе и характеризует инерционность движения неравновесных зарядов в области базы. Диффузионная ёмкость обусловлена тем, что увеличение напряжения на p — n-переходе приводит к увеличению концентрации основных и неосновных носителей, то есть к изменению заряда. Величина диффузионной ёмкости пропорциональна току через p — n-переход. При подаче прямого смещения значение диффузионной ёмкости может достигать десятков тысяч пикофарад.

     Суммарная ёмкость p — n-перехода определяется суммой барьерной и диффузионной ёмкостей.

 

 

Заключение

 

     P—n переходом называется граница соприкосновения двух полупроводников, один из которых имеет электронную, а другой - дырочную проводимость. В зависимости от направления внешнего поля, наложенного на p—n переход, выделяют два направления: прямое (ток проходит через сквозь p-n-переход в направлении от p-полупроводника к n-полупроводнику) и обратное ( в этом направлении электрический ток через p-n-переход практически не проходит ). В случае пробоя ток резко возрастает в обратном направлении. В некотором приближении p—n можно рассматривать как конденсатор, обладающий некоторой ёмкостью, зависящей от площади перехода, концентрации легирующей примеси и обратного напряжения (барьерная ёмкость), и пропорциональной току через p — n-переход (диффузионная ёмкость).

      Все  эти характерные для р—n-перехода свойства положены в основу работы большого числа полупроводниковых приборов: различных типов диодов, транзисторов, тиристоров и т.д

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Список используемых ресурсов

 

Л. С. Стильбанс «Физика полупроводников» Москва, «Советское радио», 1967

https://ru.wikipedia.org

http://don.on.ufanet.ru

http://traditio-ru.org/wiki/P_—_n-переход

http://datagor.ru