Урок по физике «Электронно-дырочный переход и его свойства» (10 класс)
Электронно-дырочный переход и его свойства.
Граница между двумя соседними областями полупроводника, одна из которых обладает проводимостью n-типа, а другая p-типа, называется электронно-дырочным переходом (p-n-переходом). Он является основой большинства полупроводниковых приборов. Наиболее широко применяются плоскостные и точечные p-n-переходы. Граница между двумя соседними областями полупроводника, одна из которых обладает проводимостью n-типа, а другая p-типа, называется электронно-дырочным переходом (p-n-переходом). Он является основой большинства полупроводниковых приборов. Наиболее широко применяются плоскостные и точечные p-n-переходы.
Плоскостной p-n-переход представляет собой слоисто-контактный элемент в объеме кристалла на границе двух полупроводников с проводимостями p- и n-типов. Плоскостной p-n-переход представляет собой слоисто-контактный элемент в объеме кристалла на границе двух полупроводников с проводимостями p- и n-типов. В производстве полупроводниковых приборов и интегральных микросхем применяются переходы типа р+- n- или р- п+ переходы. Индекс «+» подчеркивает большую электропроводность данной области монокристалла. Рис. 1.2 Плоскостный (а) и точечный (б) p-n переходы
Рис. 1.3 Структура p-n перехода
Плотности дырочной и электронной составляющих диффузионного тока, обусловленных перемещением основных носителей, определяются выражениями: Плотности дырочной и электронной составляющих диффузионного тока, обусловленных перемещением основных носителей, определяются выражениями: где Dn и Dp – коэффициенты диффузии соответственно электронов и дырок.
Запирающий слой – это слой обладающий малой электропроводностью, так как в нем практически отсутствуют подвижные носители заряда. Запирающий слой – это слой обладающий малой электропроводностью, так как в нем практически отсутствуют подвижные носители заряда. Плотность дырочной и электронной составляющих дрейфового тока можно определить, воспользовавшись значениями проводимостей собственного полупроводника:
В равновесном состоянии общая плотность тока через p-n-переход равна: В равновесном состоянии общая плотность тока через p-n-переход равна: Наличие двойного электрического слоя обусловливает возникновение в p-n-переходе контактной разности потенциалов, претерпевающей наибольшее изменение на границе полупроводников n-p-типов и называемой потенциальным барьером .
Если подключить к p-n-переходу источник внешнего напряжения таким образом, чтобы плюс был приложен к области полупроводника n-типа, а минус – к области полупроводника p-типа (такое включение называют обратным, рис. 1.4), то обедненный слой расширяется, так как под воздействием внешнего напряжения электроны и дырки смещаются от p-n-перехода в разные стороны. Если подключить к p-n-переходу источник внешнего напряжения таким образом, чтобы плюс был приложен к области полупроводника n-типа, а минус – к области полупроводника p-типа (такое включение называют обратным, рис. 1.4), то обедненный слой расширяется, так как под воздействием внешнего напряжения электроны и дырки смещаются от p-n-перехода в разные стороны. Рис 1.4 Обратное смещение перехода
При |Uпр| >> jТ переход по существу исчезает и ток ограничивается лишь сопротивлением (единицы и даже десятки ом) базовой области rб. При |Uпр| >> jТ переход по существу исчезает и ток ограничивается лишь сопротивлением (единицы и даже десятки ом) базовой области rб. Рис. 1.8 Вольтамперная характеристика (а) и схема включения стабилитрона (б)
Пробоем называют резкое изменение режима работы перехода, находящегося под обратным напряжением. Пробоем называют резкое изменение режима работы перехода, находящегося под обратным напряжением. На ВАХ перехода (рис. 1.9) пробою соответствует область резкого изгиба характеристики вниз в третьем квадранте. Рис. 1.9 ВАХ p-n-перехода
Различают три вида пробоя p-n-перехода: туннельный, лавинный и тепловой. И туннельный, и лавинный пробой принято называть электрическим пробоем. Различают три вида пробоя p-n-перехода: туннельный, лавинный и тепловой. И туннельный, и лавинный пробой принято называть электрическим пробоем. Туннельный пробой происходит, когда геометрическое расстояние между валентной зоной и зоной проводимости (ширина барьера) достаточно мало, то возникает туннельный эффект – явление прохождения электронов сквозь потенциальный барьер. Туннельный пробой имеет место в р-n-переходах с базой, обладающей низким значением удельного сопротивления.
Механизм лавинного пробоя подобен механизму ударной ионизации в газах. Лавинный пробой возникает, если при движении до очередного соударения с атомом дырка (или электрон) приобретает энергию, достаточную для ионизации атома. В результате число носителей резко возрастает, и ток через переход растёт. Расстояние, которое проходит носитель заряда до соударения, называют длиной свободного пробега. Механизм лавинного пробоя подобен механизму ударной ионизации в газах. Лавинный пробой возникает, если при движении до очередного соударения с атомом дырка (или электрон) приобретает энергию, достаточную для ионизации атома. В результате число носителей резко возрастает, и ток через переход растёт. Расстояние, которое проходит носитель заряда до соударения, называют длиной свободного пробега.
При тепловом пробое увеличение тока объясняется разогревом полупроводника в области р-n-перехода и соответствующим увеличением удельной проводимости. Тепловой пробой характеризуется отрицательным дифференциальным сопротивлением. При тепловом пробое увеличение тока объясняется разогревом полупроводника в области р-n-перехода и соответствующим увеличением удельной проводимости. Тепловой пробой характеризуется отрицательным дифференциальным сопротивлением. Вследствие диффузии электронов и дырок через p-n-переход в области перехода возникают нескомпенсированные объемные (пространственные) заряды ионизированных атомов примесей, которые закреплены в узлах кристаллической решетки полупроводника и поэтому не участвуют в процессе протекания электрического тока.
p-n-переход ведет себя как плоский конденсатор, емкость которого, определяемая отношением изменения пространственного заряда к изменению напряжения при обратном включении перехода, называется барьерной и может быть найдена из уравнения: p-n-переход ведет себя как плоский конденсатор, емкость которого, определяемая отношением изменения пространственного заряда к изменению напряжения при обратном включении перехода, называется барьерной и может быть найдена из уравнения: где e – относительная диэлектрическая проницаемость; S – площадь p-n-перехода; d – толщина обедненного слоя (толщина p-n-перехода).
