Лекція 25.09.13

Енергетична Електроніка

План

1. Акцепторні та донорні домішки.

2. Електронно-дірковий перехід властивості p/n переходу в рівноважному стані.

3. ВАХ переходу.

4. Природа p/n зворотнього струму.

5. Рівняння неперервності.

За електро-провдністю напівпровідники займають провідне місце між діелектриками та металами. Класифікують також тверді тіла за їхньою зонною будовою. Якщо є n атомів, які утворюють тверде тіло то атомні рівні розщеплюються утворюють зони або енергетичні зони. Зони складаються з n розміщених рівнів. Енергія в енергетичній зоні змінюється неперервно. За зонною будовою тіла поділяються на метали напівпровідники та діелектрики. Напівпровідники характеризуються малою забороненої зони для більшості напівпровідників . При низьких температурах заборонена зона і вільна від носіїв щаряду зона провідності із зростанням температури з’являється певна кількість електронів здатних подолати заборонену зону, вони здатні проводити струм. Опір напівпровідника залежить від температури. Власні напівпровідники, в яких не має акцепторних і донорних домішок, а кількість носіїв заряду електронів і дірок однакова. У таких напівпровідниках рівень Фермі посередині забороненої зони. Домішкові напівпровідники мають домішки заміщення такими домішки можуть бути тривалентні домішки або п’ятивалентні. Відомо, що напівпровідники характер ковалентним типом зв’язку це тип зв’язку, під час, якого виникають електронні пари. Введення тривалентної домішки утворює діркову провідність. Нехай вводять п’ятивалентну домішку тоді утвориться зайвий електрон при кімнатній температурі покидають домішку і є іонізована домішка і утворюється електронна провідність.

Мал1. Власний напівпровідник.

Мал2. Напівпровідник n типу провідності.

Мал3. Напівпровідник р типу провідності.

Якщо маємо донорний напівпровідник то позначимо концентрацію основних носіїв заряду в таких напівпровідниках існує кількість не основних носіїв заряду p/n. В власному напівпровіднику ні" 2

Закон діючих мас

(ф1)

Знаючи концентрації домішки ми можемо визначити кількість носіїв заряду. Концентрація не основних носіїв заряду на 6 порядків менша ніж основних.

2) Електронно дірковий або p/n-перехід це контакт двох однакових напівпровідників з різним типом провідності.

Мал4.

На практиці електронно-діркові переходи отримують вводом акцепторів і донорів дифузійним методом, вплавленням, епітаксійним нарощенням.

До (мал5) металургійна межа, виник дифузійний потік 1 і 2. Якщо провести два напівпровідники n і p то утвориться перехід електронів і дірок. Ці зустрічні дифузійні потоки будуть рекомбінувати. Утворюється шар збіднений на вільні носії заряду і формується об’ємний заряд зумовлений іонізованими іонами донорів та акцепторів відповідно.

Цей об’ємний заряд зв’язаний і він утворює так зване контактне поле. контактна різниця потенціалу дорівнює

(ф2)

якщо підставити

(ф3)

Внутрішнє поле направлене від напівпровідника n-типу до напівпровідника p-типу і перешкоджає руху основних носіїв заряду. Контактне поле сприяє руху не основних носіїв заряду тобто перекидаю дірки з n-типу і електронів з р-типу. мал5 (3, 4).

Через деякий час ці потоки зрівняються і утвориться рівноважний динамічний стан p/n переходу. Оскільки існує внутрішнє поле то воно сприяє викривленню провідних зон у напівпровіднику у місці їх дотику поява об’ємного заряду додатнього приведе до зниження всіх енергетичних рівнів і рівнів фермі. В акцепторному на оборот.

Мал5.Зонна діаграма.

У випадку коли настає рівноважний стан у напівпровіднику p-типу і n-типу провідності зрівнюється рівень фермі і за рахунок того ми маємо стан який відповідає запірному шару.

Слід запам’ятати: по осі у потенціальний бар’єр становить величину

(ф4)

Чому шар називають запірний? Тому, що у нього дуже великий опір. дифузійна довжина для дірок. дифузійна довжина для електронів. З зонної теорії випливає що дифузійна довжина.

(ф5)

Рівноважний стан виникає

А) Вирівнюється рівень фермі.

Б) Вирівнюються дрейфові рівні.

Через p/n перехід протікають струми утворені потоками основних носіїв дифузійні струми, дрейфові струми. Припустимо, що у нас на одиницю площі густина струму діркового є сумою струмів утворених дірками у напівпровіднику p-типу і електронів n-типу дорівнюють 0. При рівновазі через p/n перехід ніякі струми не протікають.

(ф6)

Вирази для струму дифузійного дірок.

(ф7)

Значення струмів для електронів

(ф8)

Зворотнє зміщення

Мал6.

Якщо до p/n переходу прикласти зворотнє зміщення то напрям зовнішнього та внутрішнього поля співпадають в результаті рівні в п області зменшуються і потенціальний бар’єр зростає.

У випадку зовнішнього зміщення рівень Фермі вже не співпадають і є два квазірівні Фермі.

Діаграма енергетичних зон прямого зміщення p/n переходу

Мал7.

у разі прямого зміщення потенціальний бар’єр становить.

(ф9)

Положення рівня фермі в напівпровіднику n-типу зросла і положення стало вище. Для основних носіїв заряду при прикладанні прямого зміщення потенціальний бар’єр зменшується і відповідно струм, який протікає через p/n перехід різко зростає.

Зворотній струм не змінюється бо він визначає концентрацією термогенерованих носіїв заряду.

Струм рівноважних не основних носіїв заряду називають зворотнім струмом.

Мал8. область p/n переходу.

Оскільки дифузійна довжина фактично є середньою відстанню, на яку дифундує термогенерований носій за час свого життя, то відповідно електрони, які з’являються у виділено у циліндрі у тепловій генерації стають основними носіями заряду. Швидкість теплової генерації в умовах теплової генерації рівна їх рекомбінації. Розглянемо ці струми,

(ф10)

(ф11)

якщо під дією прямого зсуву висота потенціального бар’єру p/n переходу для основних носіїв зменшується то потік електронів з n в p область і потік дірок з р в n область збільшиться у порівняння з рівноважним в експоненту,

(ф12)

що призводить до зростання струму. Коли прикласти зворотне зміщення то потік основних носіїв зменшиться.

Залежність струму та напруги в прямому зміщення зростає при зворотньому зменшиться. В результаті маємо вираз

(ф13)

маємо відповідно такі характеристики

Мал9. ВАХ