2) сложные п/п вещества: арсенид галлия, фосфид галлия и др.
Это элементы 4 – й группы таблицы Менделеева, имеющие кристаллическое строение.
Чистые полупроводники имеют концентрацию электронов и дырок 1016 …. 1018 на 1 см3,
удельное электрическое сопротивление − 0,65 - 10 Ом.
Большое влияние на подвижность зарядов оказывают примеси и температура.
Согласно зонной теории Паули электроны атомов размещаются на уровнях,
соответствующих энергий. При взаимодействии атомов между собой уровни
одинаковых энергий образуют зоны: валентную, запрещенную и проводимости.
В валентной зоне при температуре абсолютного нуля все энергетические
уровни заняты электронами, а в зоне проводимости все уровни свободны.
Для перехода из валентной зоны в зону проводимости электроны должны
преодолеть запрещенную зону, т. е. получить дополнительную энергию.
Перейдя в зону проводимости электроны становятся свободными и при
определенных условиях образуют ток.
Ширина запрещенной зоны ΔW – важный показатель полупроводников:
для Ge = 0,72 эВ, для Si = 1,12 эВ.
Зоны полупроводников
Собственные полупроводники имеют кристаллическую структуру.
В такой решетке каждый атом взаимно связан с четырьмя соседними атомами ковалентными связями, в результате этой связи происходит образование устойчивых электронных оболочек, состоящих из восьми электронов.
Собственные полупроводники
+4
+4
+4
+4
+4
При температуре абсолютного нуля(T=0°K) все валентные электроны находятся
в ковалентных связях, следовательно, свободные носители заряда отсутствуют,
и полупроводник подобен диэлектрику.
Химическую связь двух соседних атомов с образованием на одной орбите пары электронов называют ковалентной или парноэлектронной.
При повышении температуры или при облучении полупроводника лучистой энергией валентный электрон может выйти из ковалентной связи и стать свободным носителем электрического заряда.
При этом ковалентная связь становится дефектной, в ней образуется свободное (вакантное) место, которое может занять один из валентных электронов соседней связи, в результате чего вакантное место переместится к другой паре атомов.
Перемещение вакантного места внутри кристаллической решетки можно рассматривать как перемещение некоторого фиктивного (виртуального) положительного заряда, величина которого равна заряду электрона. Такой положительный заряд принято называть дыркой.
Полупроводниками называются материалы, занимающие промежуточное
положение между проводниками и диэлектриками.
Особенностью металлических проводников является наличие свободных
электронов – носителей электрических зарядов.
В диэлектриках свободных электронов нет и поэтому они не проводят
тока. В отличие от проводников полупроводники имеют не только
электронную, но и «дырочную» проводимости, которые в сильной
степени зависят от температуры, освещенности, сжатия, электрического поля
поля и других факторов.
Электропроводность полупроводника при отсутствии в нем примесей называется его собственной электропроводностью
Проводимость, возникающая в результате перемещения дырок, называется дырочной
проводимостью или р- проводимостью.
Примеси полупроводников
Свойства р-п-перехода
1. Образуется запирающий слой, образованный зарядами ионов примеси:d=10-7 м, Dj = 0.4—0,8 В.
Модель p-n – перехода (а), график концентрации основных носителей (б)
и график потенциала поля (в)
Едиф
Работа P-N- перехода
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
+
+
+
+
+
+
- положительный ион
-
- отрицательный ион
- дырка
- электрон
Работа всех полупроводниковых приборов основана на явлениях, происходящих в области контакта твердых тел.
pn переход это тонкая область, которая образуется в том месте, где контактируют два полупроводника разного типа проводимости. Каждый из этих полупроводников электрически нейтрален. Основным условием является то что в одном полупроводнике основные носители заряда это электроны а в другом дырки.
При контакте таких полупроводников в результате диффузии зарядов дырка из p области попадает в n область. Она тут же рекомбинирует с одним из электронов в этой области. В результате этого в n области появляется избыточный положительный заряд. А в p области избыточный отрицательный заряд.
Таким же образом один из электронов из n области попадает в p область, где рекомбинирует с ближайшей дыркой. Следствием этого также является образование избыточных зарядов. Положительного в n области и отрицательного в p области.
В результате диффузии граничная область наполняется зарядами, которые создают электрическое поле. Оно будет направлено таким образом, что будет отталкивать дырки находящиеся в области p от границы раздела. И электроны из области n также будут отталкиваться от этой границы.
Если говорить другими словами на границе раздела двух полупроводников образуется энергетический барьер. Чтобы его преодолеть электрон из области n должен обладать энергией больше чем энергия барьера. Как и дырка из p области.
Наряду с движением основных носителей зарядов в таком переходе существует и движение неосновных носителей зарядов. Это дырки из области n и электроны из области p. Они также двигаются в противоположную область через переход. Хотя этому способствует образовавшееся поле, но ток получается, ничтожно мал. Так как количество неосновных носителей зарядов очень мало.
Модель P-N – перехода при прямом включении (а) и график распределения потенциала (б)
∆φ2 = ∆φ0 – Uпр
Евн
Едиф
Δφ2
Uпр
Прямое включение P-N- перехода
Если к pn переходу подключить внешнюю разность потенциалов в прямом направлении, то есть к области p подвести высокий потенциал, а к области n низкий. То внешнее поле приведет к уменьшению внутреннего. Таким образом, уменьшится энергия барьера, и основные носители заряда смогут легко перемещаться по полупроводникам. Иначе говоря, и дырки из области p и электроны из области n будут двигаться к границе раздела. Усилится процесс рекомбинации и увеличится ток основных носителей заряда.
Модель P-N- перехода при обратном включении (а) и график распределения потенциала поля (б)
∆φ1 = ∆0 + Uобр.
Евн
Едиф
Обратное включение P-N- перехода
Если разность потенциалов приложить в обратном направлении, то есть к области p низкий потенциал, а к области n высокий. То внешнее электрическое поле сложится с внутренним. Соответственно увеличится энергия барьера не дающего перемещаться основным носителям зарядов через переход. Другими словами электроны из области n и дырки из области p будут двигаться от перехода к внешним сторонам полупроводников. И в зоне pn перехода попросту не останется основных носителей заряда обеспечивающих ток.
Если обратная разность потенциалов будет чрезмерно высока, то напряжённость поля в области перехода увеличится до тех пор, пока не наступит электрический пробой. То есть электрон ускоренный полем не разрушит ковалентную связь и не выбьет другой электрон и так далее.
P-N- переход
График зависимости емкости
P-N – перехода от
приложенного напряжения
Вольт-амперная
характеристика
P-N - перехода
В
Таким образом, Р-N переход обладает следующими свойствами:
- односторонней проводимостью;
- создавать собственное электрическое поле (диффузионное поле);
- способность накапливать электрические заряды;
- свойства эмиссии (переход зарядов из одной области в другую).
А
С
Imin
Характеристики P-N- перехода и его свойства
Полупроводниковые резисторы и диоды
Содержание
1. Классификация и графические обозначения полупроводниковых приборов
полюсу источника питания, называют анодом, подключённый к отрицательному полюсу — катодом
Основные параметры: Iпр.max ; Uпр = (0,5 − 1,5)B;
Uобр. max ; Iобр; Ppac.max; Cмеж.эл; fпред.
Обозначения: Г − германий, К − кремний,
А − арсенид галлия.
Uобр
Iпр
Iобр
Uпр
Uпр
Iпр.мах
Uобр.мах
Выпрямительные диоды
Полупроводниковый стабилитронработает в области электрического пробоя.
Служит для стабилизации напряжения. Это кремниевый диод, работающий при электрическом пробое n-p-перехода. При этом напряжение на диоде незначительно зависит от протекающего тока. Электрический пробой не вызывает разрушения перехода, если ограничить ток до допустимой величины.
Основные параметры стабилитрона: напряжение стабилизации Uст.ном, минимальный Icт.min и максимальный Iст.max токи стабилизации, максимальная мощность Pст.max. Важным параметром стабилитрона является температурный коэффициент напряжения ТКU , который показывает, на сколько процентов изменится напряжение стабилизации при изменении температуры полупроводника на 1С. Для большинства стабилитронов ТКU =(–0,05 +0,2)% /С.
Стабилитрон
Туннельный диод — полупроводниковый диод на основе вырожденного полупроводника, в котором туннельный эффект приводит к появлению на вольт-амперных характеристиках при прямом напряжении участка
с отрицательной дифференциальной электрической
проводимостью. Материалом для туннельных диодов
служит сильнолегированный германий или арсенид галлия.
Основными параметрами туннельного диода я вляются ток пика Iп и отношение тока пика к току впадины Iп/ Iв. Для выпускаемых диодов Iп=0.11000 мА
и Iп/ Iв=520.
Iп
Iв
Туннельный диод
Варикап — полупроводниковый диод, в котором используется зависимость ёмкости p-n-перехода от обратного напряжения и который предназначен для применения в качестве элемента с электрически управляемой ёмкостью.
Основными параметрами варикапа являются общая ёмкость Св, которая фиксируется обычно при небольшом обратном напряжении Uобр = 25 В, и коэффициент перекрытия по ёмкости Kc = Cmax/Cmin.
Для большинства выпускаемых варикапов С = 10500 пФ и Kc = 520.
Варикапы применяют в системах дистанционного управления и автоматической подстройки частоты и в параметрических усилителях с малым уровнем собственных шумов.
Варикап
Светодиод (СИД) — это полупроводниковый прибор, преобразующий электрический ток непосредственно в световое излучение. Его принцип работы основан на явлении электролюминесценции - холодного свечения возникающего при протекании тока.
Светодиод (СИД) — это полупроводниковый прибор, преобразующий электрический ток непосредственно в световое излучение. Его принцип работы основан на явлении электролюминесценции - холодного свечения возникающего при протекании тока.
Состав материалов, образующих p-n переход определяет тип излучения.
Светодиод состоит из полупроводникового кристалла на подложке,
корпуса с контактными выводами и оптической системы.
Достоинства светодиодов: низкое потребление эл.эн. – не более 10% от потребления при использовании ламп накаливания; долгий срок службы – до 100 000часов;высокий ресурс прочности – ударная и вибрационная устойчивость;
долгий срок службы – до 100 000 часов; чистота и разнооб-разие цветов, направленность излучения; регулируемая интенсивность; низкое рабочее напряжение; экологическая и противопожарная безопасность - отсутствие в составе ртути и почти не нагреваются
Недостатки: более высокую стоимость по сравнению с другими источниками освещения. Однако вышеуказанные достоинства с лихвой оправдывают вложенные затраты
Свечение возникает при рекомбинации электронов и дырок в области p-n-перехода. Применяется контакт двух
