Слайд 1) Общие сведения о полупроводниках (слайд 2) Полупроводники
 Скачать 118.61 Kb.
|
|
(Слайд 1) Общие сведения о полупроводниках (СЛАЙД 2) Полупроводники  Полупроводниками называют вещества, электрическая проводимость которых занимает промежуточное место между проводимостью металлов и диэлектриков. К полупроводникам относятся вещества 4-й группы таблицы Менделеева кремний (Si), германий (Ge), ), а также соединения, например арсенид галлия (GаАs), удельное электрическое сопротивление которых убывает с ростом температуры, изменяясь в пределах от 10 в 8-ой степени до 10в 3-ей степени Ом×см. В последнее время широкое применения при изготовлении полупроводниковых приборов получил арсенид галия, обладающий лучшими температурными и частотными свойствами. Чтобы понять механизм электропроводности полупроводников, рассмотрим строение двух наиболее часто используемых полупроводниковых материалов – германия (Ge) и кремния (Si). Их атомы, обладая четырьмя валентными электронами, образуют кристаллическую решетку типа алмаза с ковалентной связью. Число ближайших соседей у каждого из этих атомов равно четырем. На рисунке изображена условная плоская схема структуры связей в кристалле германия. Основным признаком полупроводников является сильное влияние на их электропроводимость внешних факторов (теплоты, света электрического поля). Например, при увеличении температуры на один градус проводимость полупроводников возрастает на 5-6%, проводимость же металлов с повышением температуры уменьшается. Проводимость полупроводников возрастает также при наличии небольшого количества примесей. В твердых кристаллических телах атомы располагаются настолько близко друг к другу, что их валентные оболочки пересекаются, взаимодействуют. В результате валентные электроны вращаются не только вокруг своего ядра, но и взаимодействуют с другими атомами, обмениваются энергией. Четыре валентных электрона германия и кремния сравнительно слабо связаны с ядром атома и любой из них легко может покинуть атом и стать подвижным при сообщении ему некоторой дополнительной энергии извне путем нагревания, воздействия электрического поля, облучения светом, бомбардировки элементарными частицами и т.д. Остальные электроны атома расположены на внутренних заполненных орбитах и прочно связаны с ядром. Они не создают электропроводность вещества и вместе с ядром образуют атомный остаток. Освободившиеся от связей электроны могут перемещаться по кристаллической решетке полупроводника. Такие электроны называются электронами проводимости и обуславливают электронную проводимость кристалла. Из-за взаимодействия электронных оболочек соседних атомов между каждой парой, у таких атомов возникает ковалентная связь, в которой участвуют два атома. При низких температурах все валентные электроны атомов заняты в этих связях и потому свободными не являются. Из-за отсутствия свободных электронов полупроводники при очень низких температурах ведут себя как диэлектрики. Структура полупроводников и диэлектриков одинакова. Но у полупроводника разрываются ковалентные связи при более низких температурах, чем у диэлектрика. Для того. чтобы полупроводник стал проводить электрический ток, нужно разорвать эти ковалентные связи. Сделать это можно либо за счет нагревания полупроводника, либо за счет его освещения. И в том и в другом случае валентные электроны атомов могут получить достаточную для этого энергию и стать свободными. Освободившиеся от связей электроны могут перемещаться по кристаллической решетке полупроводника. После разрыва ковалентных связей в полупроводнике образуются носители электрического тока двух типов: свободные электроны и дырки. Для полупроводниковых изделий из кремния диапазон рабочих температур от -60 до +125 градусов. Для германиевых изделий диапазон рабочих температур от -60 до +80 градусов цельсия. Слайд 3. Подвижные носители электрического заряда. Дыркой называют вакантное (то есть не занятое электроном) состояние в связях между атомами полупроводника, которое характеризуется избыточным положительным электрическим зарядом. Если в каком-то месте возникла дырка, то через некоторое время она может быть занята каким-нибудь электроном соседнего атома. Тогда дырка появится в новом месте – там, откуда ушел этот электрон. Результатом непрерывных повторений подобного процесса является беспорядочное перемещение дырки по всему кристаллу. Проводимость, обусловленная перемещением дырок называется дырочной проводимостью. Механизм дырочной проводимости отличается от электронной проводимости. При дырочной проводимости, как и в электронной, в действительности перемещаются электроны. Однако, при дырочной проводимости электроны перемещаются на ограниченное расстояние, от данных атомов к соседним. Результатом этого перемещения является перемещение дырок в направлении, противоположном движению электронов и появление их в другом месте. Так как в месте ее появления возникает нескомпенсированный положительный электрический заряд, то ее перемещение становится эквивалентным движению свободной положительно заряженной частицы. При наличии электрического поля в полупроводнике возникает дрейф свободных электронов в одну сторону, а дырок в другую. В результате увеличения температуры полупроводника или воздействия на него светом число носителей электрического тока в нем увеличивается, и электрическая проводимость полупроводника возрастает. (СЛАЙД 4) Собственная и примесная проводимость Полупроводник, не содержащий примесей, называется собственным. Проводимость собственных полупроводников обычно невелика. Так, например, в германии число свободных электронов составляет примерно одну десятимиллиардную часть от общего числа атомов. Понятно, что когда разрушается ковалентная связь, появляется и электрон и дырка. Концентрация дырок и электронов в собственном полупроводнике одинаковы. Электрическая проводимость полупроводников, обусловленная внесением в их кристалл примесей, называется примесной проводимостью, а процесс введения примесей – легированием. При наличии примесей число носителей электрического тока в полупроводнике резко возрастает, и он приобретает либо преимущественно электронную проводимость, либо преимущественно дырочную проводимость. (СЛАЙД 5) Донорные и акцепторные примеси  На рисунке а) мы видим пример донорной примесной проводимости. При изготовлении полупроводниковых приборов обычно используются не собственные полупроводники, а примесные, электропроводность которых обусловлена электронами и дырками, освобожденными при ионизации примесей. Современная техника позволяет снизить концентрацию вредных примесей до одного атома примеси на 10 миллиардов атомов полупроводника. После очистки полупроводникового материала в него вносят полезные примеси. Атом примеси, обычно, замещает атом полупроводника в узлах кристаллической решетки. Если в качестве примеси взять пятивалентный элемент Б, то 4 валентных электрона атома примеси располагаются в узлах кристаллической решетки. создают связи с атомами основного материала полупроводника, а пятый валентный электрон примеси оказывается очень слабо связан с узлом кристаллической решетки, поэтому даже при малых энергиях , сообщаемых извне (чаще всего в виде тепла ) этот электрон может освободиться от связей и стать электроном проводимости. При этом атом примеси, потерявшей электрон, превращается в положительно заряженный ион-донор, который из-за сильных валентных связей соседних атомов является неподвижным и находится в узле кристаллической решетки. Однако, не нужно забывать, что что в целом кристалл остается электрически нейтральным, т.к неподвижные положительные заряды донора компенсируются подвижными зарядами электронов проводимости. Проводимость полупроводников с донорными примесями называется электронной проводимостью, или проводимостью типа n (negativ-отрицательный) Если при выращивании монокристалла германия в расплав добавить небольшое количество мышьяка или сурьмы, то при кристаллизации атомы примеси вытесняют отдельные атомы германия из их мест в кристаллической решетке. Мышьяк (As) и сурьма (Sb) имеют по пять валентных электронов. Поэтому атомы примеси, образовав ковалентные связи с четырьмя ближайшими атомами германия и использовав для этого четыре валентных электрона, будут иметь по одному лишнему электрону, слабо связанному с атомным ядром. Вследствие теплового движения почти все лишние электроны атомов примеси оказываются свободными При добавлении одной десятимиллионной доли атомов мышьяка концентрация свободных электронов становится в тысячу раз больше концентрации свободных электронов в чистом полупроводнике. Примеси, легко отдающие электроны и, следовательно, увеличивающие число свободных электронов, называют донорными примесями (от латинского слова dono – , что означает дарю). При наличии электрического поля свободные электроны приходят в упорядоченное движение в кристалле полупроводника, и в нем возникает электронная примесная проводимость. Полупроводники с такой проводимостью называют полупроводниками n-типа (от латинского слова negativus (негативус) – отрицательный). Поскольку в проводнике n-типа число электронов значительно больше числа дырок, то электроны являются основными носителями заряда, а дырки – неосновными. (Рассмотрим рисунок б Акцепторные примеси) Если при выращивании монокристалла германия в расплав добавить некоторое количество трехвалентных атомов, например, индия (In) или галлия (Ga), то при образовании кристалла атомы примеси вытеснят из своих мест отдельные атомы германия. При замещении в кристаллической решетке атома германия атомом примеси, имеющим три валентных электрона, три связи атома примеси с атомами германия окажутся заполненными, а одна связь четвертого атома германия (соседа атома примеси) – незаполненной. Следовательно, в решетке образуется дырка Каждый атом трехвалентной примеси образует в кристалле полупроводника одну дырку. Такого рода примеси называются акцепторными (от латинского слова acceptor (акцептор) – принимающий). Под действием электрического поля дырки перемещаются в направлении вектора напряженности электрического поля (от более высокого электрического потенциала к более низкому), и в полупроводнике возникает дырочная примесная проводимость. Полупроводники с преобладанием дырочной проводимости над электронной называются полупроводниками р-типа (от латинского слова positivus (позитивус) – положительный). В полупроводниках р-типа основными носителями электрического заряда являются дырки, а неосновными – электроны. (СЛАЙД 6) Проводимость n-типа и p-типа. Итак: Существуют полупроводники n-типа и p-типа. Если при наличии электрического поля свободные электроны приходят в упорядоченное движение в кристалле полупроводника, и в нем возникает электронная примесная проводимость, то полупроводники с такой проводимостью называют полупроводниками n-типа. в полупроводнике n-типа основными носителями заряда являются электроны, а не основными – дырки. Если основными носителями электрического заряда являются дырки, а неосновными – электроны, то это полупроводники p-типа. Свободный электрон и концентрация электронов обозначаются буквой n а дырка или концентрация дырок обозначаются буквой p. Если в полупроводник одновременно вводятся и донорные и акцепторные примеси, то характер проводимости полупроводника (n- или р- тип) определяется примесью с более высокой концентрацией носителей электрического заряда – электронов или дырок. (СЛАЙД7 ) Электронно-дырочный p-n-переход В большинстве полупроводниковых приборов используется контакт полупроводников с разными типами примесной проводимости. P-n переход находится в монокристалле, состоящем из p-области и n- области. Если одна область полупроводникового кристалла имеет электронную проводимость, а другая – дырочную, то на границе между ними возникает слой, называемый электронно-дырочным переходом. p – n переходом называют область, находящуюся на границе раздела между дырочной и электронной областями одного кристалла. Переход создаётся не простым соприкосновением полупроводниковых пластин p и n типа. Он создаётся в одном кристалле введением двух различных примесей, создающем в нём электронную и дырочную области. Место соприкосновения этих областей называется металлургической границей перехода. Вблизи границы раздела электронной и дырочной областей полупроводника возникает область, состоящая из двух слоёв противоположного знака. Между p и n областями устанавливается потенциальный барьер.  (рассмотрим рисунок.Как только переход образован, часть свободных электронов из области n-типа вблизи границы переходит в область р-типа. Здесь они рекомбинируют с дырками В результате этого пары свободных носителей исчезнут, и в это же время, оставшиеся без электрона положительно заряженные ионы ионизированных атомов акцептора, не скомпенсированные зарядом электронов создают пространственный положительный электрический заряд ионизированных атомов акцептора, не скомпенсированный отрицательным электрическим зарядом электрона. Одновременно происходит диффузия дырок в n-область. Здесь они рекомбинируют с электронами. Лишенные дырок ионы становятся отрицательно заряженными и создается не скомпенсированный пространственный отрицательный электрический заряд ионов донорной примеси. Таким образом, на границе создается двойной слой пространственного электрического заряда, обедненный основными носителями электрического тока (обедненный слой). В этом слое возникает контактное электрическое поле Eп , препятствующее дальнейшему переходу электронов и дырок из одной области в другую. Собственное электрическое поле p-n перехода является тормозящим – для диффундирующих основных носителей (образует потенциальный барьер). Это же поле вызывает встречный дрейф неосновных носителей, т.е. встречный дрейфовый ток. Возникает устойчивое равновесие диффузионного и дрейфового токов, в результате чего тока во внешней цепи нет и выравнивания концентраций не происходит. Состояние равновесия находится на определенном уровне. Но и в этом случае под действием тепла часть электронов и дырок будет продолжать проходить через потенциальный барьер, обусловленный пространственными электрическими зарядами, создавая электрический ток диффузии за счет разности концентраций. Однако одновременно с этим под действием электрического поля неосновные носители электрического заряда p- и n-областей (электроны и дырки) создают небольшой электрический ток проводимости. Этот ток называется дрейфовым. В состоянии равновесия эти токи взаимно компенсируются. Потенциальный барьер возрастает, он является тормозящим для диффузионного тока. Наступает момент, когда собственной энергии электронов и дырок не хватает, чтобы преодолеть барьер, называемый потенциальным. Наступает равновесное состояние. Стоит также отметить, что p-n переход электро-нейтрален. Из равновесного состояния p-n переход можно вывести, приложив к нему напряжение. Под действием поля электроны начнут преодолевать потенциальный барьер, получив дополнительную энергию. Такое перемещение электронов под действием поля называется дрейфовым током. Путем включения полупроводника с электронно-дырочным переходом в электрическую цепь потенциальный барьер обедненного слоя можно либо ослабить, либо усилить. В соответствии с этим различают прямое и обратное включение Контактное поле поддерживает состояние равновесия на определенном уровне. Но и в этом случае под действием тепла часть электронов и дырок будет продолжать проходить через потенциальный барьер, обусловленный пространственными электрическими зарядами, создавая электрический ток диффузии. Однако одновременно с этим под действием контактного поля неосновные носители электрического заряда p- и n-областей (электроны и дырки) создают небольшой электрический ток проводимости. В состоянии равновесия эти токи взаимно компенсируются. Путем включения полупроводника с электронно-дырочным переходом в электрическую цепь потенциальный барьер обедненного слоя можно либо ослабить, либо усилить. В соответствии с этим различают прямое и обратное включение. (СЛАЙД 8) Прямое и обратное включение Прямое включение.  При прямом включении р-область полупроводника подключается к положительному полюсу источника тока, а n-область – к отрицательному (посмотрите на левый рисунок). Под действием внешнего электрического поля E потенциальный барьер понижается, и через электронно-дырочный переход начинают двигаться основные носители электрического тока: из n- в р-область – электроны, а из р- в n-область – дырки. Поскольку основных носителей в полупроводнике достаточно много, через р-n-переход может идти значительный электрический ток. Электрическое сопротивление перехода при прямом включении невелико. Обратное включение. (теперь посмотрим на обратное включение). В этом случае р-область полупроводника подключается к отрицательному полюсу источника тока, а n-область – к положительному. Под действием внешнего электрического поля потенциальный барьер увеличивается, а обедненный слой расширяется, и через электронно-дырочный переход смогут теперь идти лишь неосновные носители электрического тока: из n- в р-область – дырки, а из р- в n-область – электроны. Но в р-области мало свободных электронов, а в n-области мало дырок. Поэтому электрический ток через р-n -переход при обратном включении оказывается пренебрежимо малым. (СЛАЙД 9) Вольтамперная характеристика (ВАХ) Зависимость тока через переход от приложенного напряжения называют вольтамперной характеристикой (ВАХ) перехода. Ее общий вид показан на рисунке слева. Часть характеристики при токе i ≥ 0 называют прямой ветвью, а другую часть при токе i ≤ 0 – обратной. Как видно из рисунка, вольтамперная характеристика имеет явно выраженный вентильный эффект – большой прямой ток и весьма малый ток обратного включения. Если обратное напряжение увеличивать, то при его некотором (определенном) значении Uпроб обратный ток резко возрастает – происходит пробой перехода. Различают два вида пробоя: электрический и тепловой. На правом рисунке показаны вольтамперные характеристики р-n-перехода при пробое: 1 – электричеcком, 2 – тепловом. При электрическом пробое напряжение на переходе практически не изменяется, структура полупроводника не нарушается, поэтому после снижения или отключения напряжения работоспособность перехода полностью восстанавливается. При тепловом пробое р-n -переход разогревается, вызывая лавинообразное повышение обратного тока, что приводит к дальнейшему разогреву перехода и его разрушению. КОНЕЦ ЛЕКЦИИ Мы рассмотрели основные сведения о полупроводниках. примечание образуются ионы? Положительные и отрицательные ионы образуются в результате добавления примеси с другой валентностью, чем сам кристалл. Например 5-ти валентный атом примеси образует ковалентные связи с 4-х валентными атомами кристалла В результате 5-й электрон, оказался свободным и покинул свою орбиту . Тогда у нас возникает повышенное количество свободных электронов и положительных ионов, даже, если они не перейдут металлургическую границу. |