WWW.REFERATCENTRAL.ORG.UA - Я ТУТ НАВЧАЮСЬ

... відкритий, безкоштовний архів рефератів, курсових, дипломних робіт

ГоловнаТехнічні науки → Електронно-дірковний перехід (pn - перехід) - Реферат

Електронно-дірковний перехід (pn - перехід) - Реферат

Реферат на тему:

Електронно-дірковний перехід (pn - перехід)

Виникнення потенціального бар'єру. Контактна різниця потенціалів.

Електронно-дірковий перехід - основний елемент біполярних приладів, pn - перехід створюють у кристалі змінюючи тип його провідності, шляхом уведення акцепторної та донорної домішок. На рис. 19 схематично показано кристал з різким pn-переходом та розподіл акцепторної та донорної домішок в ньому.

Рис. 19. Схема кристалу з різким pn-переходом (вверху) та розподілакцепторної (Na) та донорної (Nd) домішок в ньому.

Енергетичну дыаграму для pn переходу можна отримати достатньо просто, якщо скористатися положенням про те, що в системі, яка знаходиться в рівноважному стані, відбувається вирівнювання середньої енергії між її частинами і, відповідно, рівень Фермі повинен для всієї системи мати одне і те ж значення.

Припустимо, що у нас є дві ізольовані напівпровідникові області p та n типів (ми можемо їх отримати, відрізавши з лівої та правої сторони кристалу, який показано на рис. 19). Тоді для цих областей можна побудувати енергетичну діаграму, яка показана в верхній частині рис. 20 (вона аналогічна розглянутій раніше діаграмі рис. 5). Як ілюструє діаграма, матеріали p та n типу відрізняються положенням рівнів Фермі Fp та Fn і, відповідно, роботою виходу Фp та Фn.

Рис. 20. Енергетична діаграма: (а) ізольовані p та n області, (б) pn - перехід.

Коли утворюється pn перехід, між p та n областями відбувається обмін електронами та дірками і енергією так, що між областями встановлюється рівновага, і рівень Фермі, що характеризує цей урівновважений стан, стає єдиним для усієї системи, як це показано на рис. 20,б. Області, які знаходяться на значній віддалі від місця контакту p та n областей, не піддаються впливові pn переходу, тому їх повинна характеризувати енергетична діаграма, що показана на верхньому рисунку (рис. 20,а). Таким чином, умови збереження властивостей окремих матеріалів та єдиності рівня Фермі для вісєї системи викликають появу стрибка в області pn переходу. Цей стрибок відповідає виникненню потенціального бар'єру, який перешкоджає переходові основних носіїв у потенціальну область (дірок з p в n область та електронів з n в p область). потенціальний бар'єр виникає в результаті появи внутрішнього електричного поля та відповідаючої йому різниці потенціалів Uк, яку прийнято називати контактною.

Як видно з діаграм рис. 20:

qUк = Фp - Фn = Fn - Fp (39)

Тобто, контактна різниця потенціалів дорівнює різниці термодинамічних робіт виходу чи різниці енергій рівнів Фермі в матеріалах p та n типів. Щоб розрахувати положення рівнів Фермі, скористаємось формулами для концентрацій електронів (дірок) в n та p областях:

(40)

аналогічно можна отримати:

Оскільки концентрація основних носіїв приблизно дорівнює концентрації легуючої домішки (pp0 = Na, nn0 = Nd), та добуток рівноважних концентрацій електронів та дірок в одній області при заданій температурі дорівнює квадратові концентрації власних носіїв заряду (18), то з (41) отримаємо:

(42)

Таким чином, потенціальний бар'єр в pn переході є тим вищим, чим сильніше леговані p та n області.

Розглянемо, яка фізична природа явищ, що приводять до виникнення на межі між p та n областями потенціального бар'єру. Якщо б між p та n областями не було контакту, то кажна з них була б електронейтральною, при цьому виконувалися б наступні умови: pp = Na-, nn = Nd+. При наявності між p та n областями контакту вільні електрони будуть виходити з n області в сусідню, залишаючи поблизу межі в n області незкомпенсований заряд додатніх донорів - Nd+. Вільні дірки будуть виходити з p області в сусідню, залишаючи поблизу межі в p області незкомпенсований заряд від'ємних акцепторів - Na-. Оскільки донори та акцептори зв'язані з решіткою, подвійний шар заряду, що виникає, також вбудований в решітку і не може переміщуватись. При цьому в області просторового заряду (ОПЗ) виникає електричне поле, яке напрямлене від n області до p області, і перешкоджає переходові основних носіїв через межу областей. Чим більше переходить основних носіїв, тим є більшим незкомпенсований заряд в ОПЗ, тим є вищим енергетичний бар'єр, що перешкоджає переходові. Рівновага наступає при деякій умові, яка описується формулами (41), (42). При цьому необхідно відмітити, що основні носії з області просторового заряду перекидуються в сусідню область, де вони стають неосновними. В самій ж області просторового заряду концентрація носіїв є малою (вона є близькою до власної), оскільки усі носії, що попадають в ОПЗ, викидуються з цієї області електричним полем. Тому можна вважати, що область просторового заряду володіє провіднітю, яка на декілька порядків меньша, за леговані p та n області. Тому в подальшому будемо вважати, що опір областей за межами ОПЗ на декілька порядків менший, аніж опір самої ОПЗ і, якщо до напівпровідникової структури з одним pn переходом прикладена зовнішня напруга, то вона падає, в основному, на ОПЗ, а в прилеглих до переходу p та n областях електричного поля практично немає.

Діаграми рис. 21 ілюструють розглянуті процеси. Область, в якій є електричне поле (ОПЗ), на рисунку позначена d.

Рис. 21. Діаграма, яка пояснює виникнення області просторового заряду(подвійного зарядженого шару) в pn переході.

Уважно проаналізувавши діаграму рис. 21, можна ще раз переконатись в тому, що напрямок контактного електричного поля (Еконт) такий, что воно перешкоджає дифузії в сусідню область основних носіїв заряду і сприяє переходові неосновних. Іменно ця асиметрія потенціального бар'єру по відношенню до носіїв різного типу в кіцевому рахунку і викликає асиметрію вольтамперної характеристики електронно-діркового переходу відносно полярності зовнішньої напруги. При цьому, при одній полярности зовнішньої напруги, поле зовнішньої батареї буде додаватись до внутрішнього поля Еконт, збільшуючи бар'єр, при іншій - відніматись, зменшуючи при цьому бар'єр.

Із формули (42) випливає, що чим сильніше леговані області pn переходу, тим є більшою контактна різниця потенціалів. З фізичної точки зору це зрозуміло: при збільшенні степені легування p області рівень Фермі наближується до валентної зони, при збільшенні степені легування n області рівень Фермі наближується до зони провідності, в той же час як випливає з діаграми рис. 20, контактна різниця дорівнює різниці рівнів Фермі в ізольованих p та n областях. Діаграма рис. 22 ілюструє залежність контактної різниці потенціалів від степені легування областей. При збільшенні степени легування областей контактна різниця в межі наближається до ширини забороненої зони Eg.

Рис. 22. Залежність контактної різниці pn переходу від рівня легуванняобластей pn переходу (Si, Т=300 К)

Контактна різниця потенціалів також залежить від температури: зі збільшенням температури вона зменшується. Цей результат також буде зрозумілим, якщо згадати, що при збільшенні температури збільшується ймовірність міжзонного збудження електронів, тобто при високих температурах починає домінувати власна провідність, а рівень Фермі у власних напівпровідниках лежить поблизу середини забороненої зони. Таким чином, оскільки зі зростанням температури різниця між рівнями Фермі в ізольованих p та n областях зменшується, то, відповідно, повинна зменшуватисья і контактна різниця потенціалів, як це ілюструє рис. 23.

Залежність контактної різниці потенціалів pn переходів від температури часто використовують для створення датчиків температури. За чутлвістю ці датчики будуть поступатись датчикам, які використовують температурну залежність електропровідності напівпроводників (термістори), однак до їх переваг можна віднести близьку до лінійної залежність контактної різниці потенціалів від температури, що значно полегшує їх калібрування.

Рис. 23. Залежність контактної різниці pn переходу від температурипри різному рівні легування областей (Si - крива 1: NdNa=1032, крива 2: NdNa=1028)

Використана література:

  1. Основы промышленной электроники/ Под ред. В.Г. Герасимова. -М.: Высшая школа, 1978.

  2. Изъюрова Г.И., Кауфман М.С. Приборы и устройства промышленной электроники. -М.: Высшая школа, 1975.

  3. Миклашевский С.П. Промышленная электроника. -М.: Высшая школа, 1973.

  4. Горбачев Г.Н., Чаплыгин Е.Е. Промышленная электроника. - М.: Высшая школа, 1988.

  5. Основы промышленной электроники/Под ред. В.Г. Герасимова. - М.: высшая школа, 1982.

  6. Гершунский В.С. Основы электроники. - К.: Вища школа, головн. из-во, 1982.

  7. Жеребцов И.П. Основы электроники. - Л.:Энергоатомиздат, 1985.

Нагорский В.Д. Электроника и электрооборудование. - М.: Высшая школа, 1986.

Loading...

 
 

Цікаве