Перевезенцев С.В., Сухова В.Ф. Физические основы электроники. Часть 1 - файл n1.doc

Перевезенцев С.В., Сухова В.Ф. Физические основы электроники. Часть 1
скачать (1267.5 kb.)
Доступные файлы (1):

n1.doc

2272kb.

28.11.2005 15:01

скачать

n1.doc

Министерство транспорта Российской Федерации

Государственная служба речного флота

Волжская государственная академия водного транспорта


Кафедра радиоэлектроники


С.В. Перевезенцев, В.Ф. Сухова
ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОНИКИ


Методическое пособие.

Часть 1


Методическое пособие для выполнения лабораторных работ по курсу «Физические основы электроники» для студентов очного обучения по специальностям: 201300 “Техническая эксплуатация транспортного радиооборудования”, 240600 “Эксплуатация судового электрооборудования и средств автоматики ”
Издательство ВГАВТ

Н.Новгород, 2002

УДК 681.5

П 27
Перевезенцев С.В., Сухова В.Ф.

Физические основы электроники. Учебно–методическое пособие. Часть 1. – Н.Новгород: Издательство ВГАВТ, 2002. – 37с.

В Методическом пособии изложены общие вопросы из курса «Физические основы электроники» и приведена методика выполнения лабораторных работ. Пособие предназначено для студентов очного обучения по специальностям: 201300 “Техническая эксплуатация транспортного радиооборудования”, 240600 “Эксплуатация судового электрооборудования и средств автоматики”
Рекомендовано к изданию кафедрой радиоэлектроники. Протокол № 1 от 26 сентября 2002г.

 ВГАВТ, 2002

Краткие теоретические сведения.

Контакт двух полупроводников p- и n- типа

Переходы между двумя областями полупроводника с различным типом электропроводности называют электронно-дырочными или p-n переходами. Электронно-дырочный переход, у которого p_pn_n, называют симметричным. Если концентрации основных носителей заряда в областях p- и n- различны, (n_n>>p_p или p_p>>n_n) и отличаются в 100-1000 раз, то такие переходы называют несимметричными. На практике для изготовления полупроводниковых приборов используют несимметричные p-n переходы.

В зависимости от характера распределения примесей, обеспечивающих требуемый тип электропроводности в областях, различают два типа перехода: резкий и плавный. В резком переходе концентрация примесей на границе раздела областей изменяется на расстоянии, соизмеримом с диффузионной длиной; в плавном – на расстоянии, значительно большем диффузионной длины.

Резкость границы играет существенную роль, так как в плавном p-n переходе трудно получить те вентильные свойства, которые необходимы для работы диодов и транзисторов.

Параметры и характеристики несимметричного p-n перехода

Рассмотрим переход между двумя областями полупроводника, где концентрация дырок в p-области намного выше концентрации электронов в n- области Если основные носители в двух областях связаны между собой отношением p_p>>n_n, то и для неосновных носителей выполняется неравенство n_p<
n (рис.1б)

Поскольку концентрация дырок в р-области значительно больше, чем в n-области, а концентрация электронов в n-области значительно больше, чем в в р-области, то на границе двух областей р и n возникают градиенты концентрации электронов и дырок (рис.1б). Они являются причиной диффузии дырок из р-области в n-область, а электронов из n-области в р-область.

Плотность суммарного диффузионного тока, направление которого совпадает с направлением движения дырок, определяется двумя составляющими

(1)

а
б
в
г
д

Рис. 1
Здесь D_p,D_n – коэффициенты диффузии дырок и электронов соответственно.В кремнии и германии эти коэффициенты разные:

D_n=38см²/c; D_р=13cм²/c – для кремния;

D_n=93см²/c; D_p=44см²/c – для германия.

В формуле (1) знак “минус” перед дырочной составляющей появляется потому, что дырки, как и электроны, движутся против вектора градиента концентрации, но имеют положительный заряд. Электроны имеют отрицательный заряд, поэтому “минус” перед электронной составляющей диффузионного тока исчезает.

Диффузионный перенос носителей заряда нарушает электрическую нейтральность прилегающих к металлургической границе частей монокристалла полупроводника. В p-области вследствие ухода дырок остается нескомпенсированный отрицательный заряд неподвижных ионов акцепторных примесей, а в n-области из-за ухода электронов остается нескомпенсированный положительный заряд неподвижных ионов донорной примеси (рис.1в). Таким образом, на металлургической границе двух полупроводников образуется слой, обедненный подвижными носителями заряда, т.е. слой с высоким сопротивлением. Его и принято называть p-n переходом. За пределами p-n перехода все заряды взаимно компенсируют друг друга, и полупроводник остается электрически нейтральным.

Между образовавшимися зарядами возникает контактная разность потенциалов _к = _n - _p и электрическое поле Е_о, направленное от n-области к p-области (рис.1г,д). Электрическое поле препятствует движению основных носителей заряда через переход. Однако, это же поле является ускоряющим для неосновных носителей – дырок из n-области и электронов – из p-области, и в поле напряженности Е_о происходит их дрейф.

Плотность дрейфового тока равна

jдр=jдрр+jдрn=q(pnpE+npnE)

(2)

Здесь _p,_n –подвижности дырок и электронов, для германия и кремния они имеют разные значения.

Для германия _p=1900см²/Вс, _n=3900см²/Вс.

Для кремния _р=430см²/Вс, _n=1350cм²/Вс.

Перемещение неосновных носителей приводит к уменьшению объемного заряда и электрического поля p-n перехода. Как следствие, имеет место дополнительная диффузия основных носителей, в результате чего электрическое поле принимает исходное значение. При равенстве потоков основных и неосновных носителей заряда наступает динамическое равновесие, и суммарная плотность токов равна нулю.

jдиф+jдр=0

Контактная разность потенциалов в p-n переходе _к= _n - _p в первом приближении может быть рассчитана по формуле

(3),

где k - постоянная Больцмана; q- заряд электрона; Т – температура; N_a, N_{d -} концентрация акцепторов и доноров в дырочной и электронной областях соответственно; p_p,p_n – концентрация дырок в p- и n-областях; n_i – собственная концентрация полупроводника.

Из анализа формулы (3) можно сделать следующие выводы:

1) контактная разность потенциалов зависит от типа полупроводника (в знаменателе формулы присутствует n_i²). Поскольку концентрация пар электрон-дырка в собственном полупроводнике n_i зависит от ширины запрещенной зоны полупроводника, то чем шире запрещенная зона полупроводника, тем меньше n_i, тем выше контактная разность потенциалов.

2)контактная разность потенциалов тем выше, чем выше концентрация примесей в p-и n-областях, так как в этом случае увеличиваются объемные заряды по обе стороны от перехода и усиливается внутреннее электрическое поле.

3)контактная разность потенциалов зависит от температуры. Хотя в формуле (3) имеется прямая зависимость _к от температуры, но значительно сильнее ее влияние проявляется через механизм воздействия на концентрацию носителей в собственном полупроводнике: чем выше температура, тем больше n_i, тем ниже _к.

Для наиболее освоенных полупроводников характерны следующие значения контактной разности потенциалов:

Ge _к = (0,30,4)В

Si _к = (0,70,8)В

GaAs _к = 1В

Ширину p-n перехода  можно определить по формуле

где _p,_n – соответственно области p-n перехода, лежащие в областях p и n, N_a, N_d - концентрации примесей в p- и n- областях, ? - диэлектрическая проницаемость полупроводника, ?_o – диэлектрическая проницаемость воздуха.

Из формулы (4) следует, что ширина p-n перехода зависит от концентрации примесей в p- и n-областях. В случае рассматриваемого несимметричного p-n перехода N_a>>N_d и 1/N_a0 формула принимает вид

(4),

что еще раз подтверждает положение о том, что p-n переход практически полностью располагается в слабо легированной области полупроводника.

В реальных полупроводниковых приборах ширина p-n перехода составляет от сотых долей до единиц микрометров.

---