Лекция 4 /1 Общи свойства на полупроводниците. P-N преход. Полупроводникови диоди .

1. Лекция 4/1Общи свойства на полупроводниците. P-N преход. Полупроводникови диоди.

2. Основни въпроси: 1. Общи свойства на полупроводниците. Видове проводимост. 2. P-N преход. Свойства. 3. Полупроводникови диоди.

3. 1. Общи свойства на полупроводниците. Видове проводимост. 1.1. Свойства на полупроводниците (пп). -определение - обширна група от веществата, които по своята електропроводимост заемат междинно положение спрямо проводниците и изолаторите (диелектриците); -видове - две групи: елементарни пп - Силиций, Германий, Телур, Въглерод, Бор, Сяра,Фосфор, Арсен и др.и пп съедине-ния- Меден окис,Кадмиев сулфид, Силициев карбит, Галиев арсенид и др. Към тази група спадат още и съединенията меж-ду елементите от IV и V група, както и редица органични съе-динения; -основни свойства : а) По своята обикновена проводимост (проводимост при стай-на температура) чистите пп заемат междинно място между проводниците и диелектриците;

4. б) Прибавянето на нищожен процент примеси повишава силно електрическата им проводимост; в) Температурата силно влияе върху електрическото съпротивление на пп, като при повишаването й, то пада (т.е.имат отрицателен ТК за разлика от проводниците); г) Механизмът на проводимостта на пп корено се различава от този на металите- тя може да бъде едновременно и електрон-на и дупчеста и само дупчеста или само електронна; д) При въздействие върху пп със светлина или друго корпускулярно лъчение електропроводимостта им силно нараства и се приближава до тази на металите; - същност на Зонната теория: Фиг.1.1. Е Е Е ЗП a) ЗЗ ЕЗ=3-15 eV б) в) ЗП ЕЗ ЗЗ ВЗ ВЗ ВЗ

5.   Ширината на ЗЗ е важна характеристика на твърдите тела, играеща важна роля в теорията на пп; 1.2.Проводимост на пп. Видове. 1.2.1.Собствена проводимост на пп. -генериране на свободни електрони и дупки в пп - ni =pi ; -характерна особеност на собствената концентрация - силна температурна зависимост; при дадена температура,       а) б) Фиг.1.2.Модел на конфигурацията, изграждана от един Si -атом: пространствен (а) и равнинен (б)

6.     концентрацията ще бъде толкова по-голяма, колкото е по-тяснаЗЗ. Например при стайна температура, за Ge ni = 2,5.1019 m-3 (EЗ = 0,72 eV); за Si ni = 2,0.1018 m-3 (EЗ = 1,12 eV); -рекомбинация на токоносителите; -хаотичното движение на дупките и електроните в пп- резултат на рекомбинацията им; Фиг.1.3.Механизъм за движение на дупките в пп -механизъм на токопренасянето при включване на външно ел. поле - дрейфов ток, електронна и дупчеста проводимост в чи-стия пп; ni = qnin; pi = qpip ; i = ni + pi = q(nin +pip ) (1.1)   а) в) б)

7. Зависимостта (1.1) оиказва, че собствената проводимост на пп е пропорционална на собствената концентрация и на подвижността на електроните и дупките; -противопосочно влияние на температурата - определяща роля на концентрацията на дупки и електрони; резултат - основна зависимост за всички пп е: собствената специфична концентрация на дупки и електрони нараства експоненциално с увеличаване на температурата. 1.2.2.Примесна проводимост на пп. -малка специфична проводимост на чистите пп (Ge - 3,8 пъти по-малка проводимост от тази на медта); -рязко увеличаване на проводимостта при наличие на примесиот други вещества -стотици и хиляди пъти, дори при нищожно количество примеси; -получаване на р-проводимост - ако към чистия Ge се прибави в качеството на примес елемент от трета валенция (индий,

8. алуминий или бор), броят на дупките става много по-голям от броя на електроните и пп придобива преобладаваща р-проводимост (р-германий) която е много по-голяма от тази на чис-тия германий. Примесните атоми, генериращи дупки се наричат акцептори, Електрическия заряд на отрицателните акцепторни йони се компенсира от движещите се дупки и като цяло пп е електронеутрален; -по аналогичен може да се получи и пп с електронна (n) при-месна, ако към чист силиций се прибави в качеството на при-мес елемент от V-група (валенция), например Фосфор. В този случай фосфора изгражда 4 ковалентни връзки със силиция, като един електрон остава незаангажиран (свободен). Така пп придобива преобладаваща електронна, n-проводимост. При-месните атоми в този случай се наричат донори. Получената проводимост и в двата случая се нарича примес-на и играе главна роля при токопренасянето в ППП.; -критична концентрация Nкр - изродени пп;

9. -закон за действащите маси; -закон за електрическата неутралност; -прибори с р- и n-силиций - концентрация на примесите от 1018 до 1023 (Nкр = 10-21 m-3 ( един примесен атом се пада сред-но.на 10 - 100 милиона силициеви атома). 2. P-N (електронно-дупчест) преход.Свойства. P-N преходът е основен елемент на съвременните диоди и транзистори. Представлява тясна област (с дебелина от поря-дъка на m),която възниква на граничната повърхност между контакта (на молекулярно ниво) на два пп с различна примес-на проводимост; -механизъм на получаване на потенциалната бариера (спиращ слой в прехода) - дифузно преместване на дупки от р-в n- германия и на електрони от n- в р- германия; рекомбинация, в резултат на което акцепторните и донорните атоми в различните области не са вече неутрални, а представляват обемни

10. d1 d2 d1 d2 d1 d2 p n p n p n заряди с противоположни знаци, създаващи електрическо по-ле Е0 , насочено n-областта към р-областта; Фиг.2.1.P-N- преходи:симетричен (а); несиметрични (б и в) -при несиметричните преходи е валидно съотношението, Na d1 = Nd d2(2.1) Физически тази зависимост показва, че потенциалната бариера (запиращия слой) се намира изцяло в кристала с по-малка концентрация на основни токоносители т.е., в кристала с по-голямо специфично съпротивление; d0 d0 d0 Na<Nd Na=Nd Na>Nd в) a) б)

11. Потенциалът в краищата на запиращия слой, наричан контактна потенциална разлика се определя така, е0 = Е0d0 = (kT/q)ln(ppnn / n2i) (2.2) Поради извънредно малката ширина на прехода напрегнатостта на електрическото поле в него Е0 е значителна. Така при стайна температура за силициев преход с ширина d0 =0,3.10-6m,E0 = e0 /d0 = 2.106 V/m -неосновни токоносители в p-n прехода - създават така наречения топлинен ток I0 = I0p +I0n ; Iдиф = Iдифn +Iдифр ;I0 = Iдиф ; -основни свойства на p-n прехода - 1.Еднопосочна (вентилна) проводимост I   = 0 - U 0 ; -инжектиране на токоносители;   p n  Фиг.2.2 E E0 U

12. 2.Друго важно свойство на прехода - при протичане на ток в права посока през него, концентрацията на дупки в р-областта и на електрони в n- областта остава неизменна; 3.Съпротивлението на прехода в права посока е малко (1-100) ома и зависи нелинейно от приложеното напрежение към не-го; 4.Зависимостта на тока през прехода в права посока от приложеното напрежение е експоненциална ; 5. Ако прехода се свърже обратно към ТИ, то двете полета Е и Е0 са съпосочни, което води до разширяване ширината на пре-хода (на потенциална бариера  = 0 + U), а следователно и до рязко увеличаване на съпротивлението му.Поради тази причина поведението на основните и неосновните токоноси-тели е различно, което води до изменението на съотношението между дифузионния и топлинния (обратен) ток; 6. Волт-амперна характеристика на p-n прехода - зависимостта на тока през прехода от приложеното напрежение към него;

13. I, ma -право свързване: I = I0 (e qU/kT - 1) (2.3) I = I0 (e -qU/kT - 1)  -I0 (2.4) Фиг. 2.4.Волт-амперна характеристика на P-N преход -видове p-n преходи - плавен p-nпреход, преход между при-месен собствен пп (p-i иn-i преход), преход между еднотипни пп (p+- n+- n), хетеропреходи и преход метал-полупроводник (МОС). U, V

14. 3.Полупроводникови диоди Представлява елемент с два извода, в който се използват свойствата на p-n прехода. -видове - в зависимост от конструкцията: точкови и плоскост-ни; в зависимост от предназначението си: изправителни, детекторни, импулсни, опорни, параметрични, обърнати, тунелни, светещи и др.; в зависимост от мощността, която разсейват: маломощни, средномощни и мощни; в зависимост от използвания пп: германиеви, силициеви, галиево - арсенидни и др.; в зависимост от честотния обхват в който работят: нискочестотни, високочестотни и свръхвисокочестотни; 3.1.Силициеви и германиеви диоди -намират широко приложение; свойствата им са сходни; V-A характеристика се описва с израза, I = I0 (e( U-Irв) / т -1) ; (3.1.) където т = 0,026 еV - температурен потенциал при стайна температура; rв - съпротивление на базата и изводите;

15. Влфрамово острие n-кристал Корпус p-област P-n преход Анод n-кристал Катод Стъклен изолатор -устройство ; Фиг. 3.2.Устройство на пп диоди:точкови (а) и плоскостни (б) -основни параметри:максималнообратно напрежение -Uобрmax; максимален изправен ток -Iпрmax ; средна стойност на изправения ток - Iср; обратен ток - Iобр ; пад на напрежени- Анод Ал, капка Катод Пружина б) а)

16. Iпр , ma Ge Si Фиг. 3.3. ето в права посока - Uпр; -VA-характеристика на пп диодите -различия между Ge и Si диоди; Ge Si Uпр , V 0,25 0,5