Файл: Lektsia_12.doc

Лекція 12

Тема: «Електрофізичні властивості напівпровідників, власна та домішкова електропровідність. Переваги напівпровідникових приладів. р-n-перехід, його властивості. ВАХ р-n-переходу».

Мета: «Розглянути основні електрофізичні властивості напівпровідників, переваги та недоліки напівпровідникових приладів, р-n-перехід, його властивості та вольт-амперну характеристику; навчитися »

Література: Л1, ст. 385..389, ст. 389..390.

Основні питання:

1. Електроніка. Загальні відомості.

2. Електрофізичні властивості напівпровідників.

3. р-n-перехід, його властивості. ВАХ р-n-переходу.

1. Електроніка. Загальні відомості.

Електроніка – напрям електротехніки, який на базі досліджень процесів і явищ, зв’язаних з електричними розрядами в вакуумі, газах, напівпровідниках – розробляє, випускає і експлуатує електронні пристрої в різних напрямках людської діяльності.

Промислова електроніка - наука про застосування електронних приладів і пристроїв у промисловості.

В промисловій електроніці можна виділити три області:

- інформаційну електроніку (ІЕ);

- енергетичну електроніку (ЕЕ);

- електронну технологію (ЕТ).

Інформаційна електроніка являється основою електронно-обчислювальної, інформаційно-вимірювальної техніки і автоматизації виробництва.

Енергетична електроніка є основою пристроїв і систем перетворення електричної енергії середньої та великої потужностей. Сюди відносяться випрямлячі, інвертори, потужні перетворювачі частоти та ін.

Електронна технологія містить у собі методи і пристрої, які використовуються в технологічних процесах, заснованих на дії електричного струму і електромагнітних хвиль різної довжини (високочастотне нагрівання й плавка, ультразвукове різання та зварювання і т.д.), електронних та іонних пучків (електронна плавка, зварювання і т.д.).

Головні властивості електронних пристроїв (ЕП):

- висока чутливість;

- швидкодія;

- універсальність.

Чутливість електронних пристроїв – це абсолютне значення вхідної величини, при якому електронний пристрій починає працювати. Чутливість сучасних електронних пристроїв становить 10^-17 А по струму, 10^-13 В по напрузі, 10^-24 Вт по потужності.

---

Швидкодія електронних пристроїв обумовлює їхнє широке застосування в автоматичному регулюванні, контролі та керуванні швидкоплинними процесами, що досягають частки мікросекунди.

Універсальність полягає в тому, що в електронних пристроях використовується електрична енергія, що порівняно легко отримується з різних видів енергії і легко перетворюєься в інші види енергії. Це дуже важливо, так як в промисловості використовуються всі види енергії.

В цей час широке застосування в промисловій електроніці знаходять напівпровідникові прилади, тому що вони мають важливі переваги:

- високий ККД (до 99%); - довговічність;

- надійність; - малі маса й габарити;

- відсутність нагрівних катодів.

До недоліків відносять:

• залежність параметрів від випадкових домішок;

• залежність параметрів від температури, опромінення;

• складність технологій.

Одним з головних напрямків розвитку напівпровідникової електроніки в останні десятиліття являється інтегральна мікроелектроніка. В останні роки широке застосування одержали напівпровідникові інтегральні мікросхеми (ІС). Мікросхема – мікромініатюрний функціональний вузол електронних апаратур, в якому елементи і сполучні провідники виготовляються в єдиному технологічному циклі на поверхні або в об’ємі напівпровідника і мають загальну герметичну оболонку. У великих інтегральних схемах (ВІС) кількість елементів (резисторів, діодів, конденсаторів, транзисторів і т.д.) досягає декількох сотень тисяч, а їхні мінімальні розміри становлять 2...3…3 мкм. Швидкодія ВІС призвела до створення мікропроцесорів і мікрокомп'ютерів. Останнім часом широкого розвитку одержав новий розділ науки і техніки – оптоелектроніка.

Фізичну основу оптоелектроніки складають процеси перетворення електричних сигналів в оптичні і назад, а також процеси поширення випромінювання в різних середовищах.

Оптоелектроніка відкриває реальні шляхи подолання протиріччя між інтегральною напівпровідниковою електронікою і традиційними електрорадіокомпонентами (резистори змінні, кабелі, ЭПТ, лампи накалювання і т.д.).

Перевагою оптоелектроніки є невичерпні можливості підвищення робочих частот і використання принципу паралельної обробки інформації.

---

2. Електрофізичні властивості напівпровідників.

Принцип дії напівпровідникових приладів заснований на використанні властивостей напівпровідників. Напівпровідники займають проміжне положення між провідниками і діелектриками. До напівпровідників відносяться елементи IV групи періодичної системи елементів Д. И. Менделєєва, які на зовнішній оболонці мають чотири валентних електрони. Типові напівпровідники — Ge (германій) і Si (кремній).

Чисті напівпровідники кристалізуються у вигляді решітки (рис. 1а). Кожний валентний зв'язок містить два електрони, оболонка атома має вісім електронів, і атом перебуває в стані рівноваги. Щоб «вирвати» електрон в зону провідності, необхідно затратити велику енергію.

Чисті напівпровідники мають високий питомий опір (від 0,65 Ом*м до 10⁸ Ом*м). Для зниження високого питомого опору чистих напівпровідників до них вводять домішки. Такий процес називається легуванням, а відповідні напівпровідникові матеріали - легованими. В якості легуючих домішок застосовують елементи III і V груп періодичної системи елементів Д.И. Менделєєва.

Елементи III групи мають три валентних електрони, тому при утворенні валентних зв'язків один зв'язок виявляється тільки з одним електроном (рис.1б). Такі напівпровідники володіють дірковою електропровідністю, тому що в них основними носіями заряду є дірки. Під діркою розуміють місце, не зайняте електроном, якому привласнюється позитивний заряд. Такі напівпровідники також називаються напівпровідниками р-типу, а домішка, завдяки якій в напівпровіднику виявився недолік електронів, називається акцепторною.

Елементи V групи мають п'ять валентних електронів, тому при утворенні валентних зв'язків один електрон виявляється зайвим (рис. 1в). Такі напівпровідники мають електронну електропровідність, тому що в них основними носіями заряду є електрони. Вони називаються напівпровідниками n-типу, а домішка, завдяки якій в напівпровіднику виявився надлишок електронів, називається донорною.

Рис. 1. Фрагмент решітки: а) чистого напівпровідника; б) напівпровідника з акцепторними домішками; в) напівпровідника з донорними домішками.

Питомий електричний опір легованого напівпровідника істотно залежить від концентрації домішок. При концентрації домішок 10²⁰ ÷ 10²¹ на 1 див³ речовини він може бути знижений до 5*10^-6 Ом*м для германію і 5*10^-5 Ом*м для кремнію.

---

3. р-n-перехід та його властивості, ВАХ р-n-переходу.

Основне значення для роботи напівпровідникових приладів має електронно-дірковий перехід, що називають р-n-переходом (область на межі двох напівпровідників, один із яких має діркову, а інший -електронну електропровідність).

На практиці р-n-перехід одержують введенням до напівпровідника додаткової легуючої домішки. Наприклад, при введенні донорної домішки в певну частину напівпровідника р-типа в ньому утвориться область напівпровідника n-типу, що межує з напівпровідником р-типу.

Схематично утворення р-n-переходу при зіткненні двох напівпровідників з різними типами електропровідності показане на рис. 2.

До зіткнення в обох напівпровідниках електрони, дірки, іони були розподілені рівномірно (мал. 2а).

Рис. 2. Утворення р-n-переходу: розподіл носіїв заряду

в напівпровідниках з різними типами електропровідності

до зіткнення (а); після зіткнення (б)

При зіткненні напівпровідників у прикордонному шарі відбувається рекомбінація (возз'єднання) електронів і дірок. Вільні електрони із зони напівпровідника n-типу займають вільні рівні у валентній зоні напівпровідника р-типу. В результаті поблизу границі двох напівпровідників утвориться шар, позбавлений рухливих носіїв заряду, так званий запираючий шар, який володіє високим питомим опором. Товщина запираючого шару l звичайно не перевищує декількох мікрометрів.

Розширенню запираючого шару перешкоджають нерухомі іони донорних і акцепторних домішок, які утворюють на границі напівпровідників подвійний електричний шар. Цей шар визначає контактну різницю потенціалів ∆φ_к на границі напівпровідників (рис. 3). Виникає різниця потенціалів, яка створює в запираючому шарі електричне поле напруженістю Е_зап. Дане поле перешкоджає як переходу електронів з напівпровідника n-типу до напівпровідника р-типа, так і переходу дірок до напівпровідника n-типу. В той же час електрони можуть вільно рухатися з напівпровідника р-типу до напівпровідника n-типу, як і дірки з напівпровідника n-типу в напівпровідник р-типу. Таким чином, контактна різниця потенціалів перешкоджає руху основних носіїв заряду і не перешкоджає руху неосновних носіїв заряду. Однак при русі через р-n-перехід неосновних носіїв (дрейфовий струм I_др) відбувається зниження контактної різниці потенціалів, що дозволяє деякій частині основних носіїв, які володіють достатньою енергією, перебороти потенційний бар'єр, обумовлений контактною різницею потенціалів. З'являється дифузійний струм I_диф, що спрямований назустріч дрейфовому струму I_др, тобто виникає динамічна рівновага, при якому I_др = I_диф.

---

Якщо до р-n-переходу прикласти зовнішню напругу U_обр, що створює в запираючому шарі електричне поле напруженістю Е_вн, що збігається по напрямку з полем нерухомих іонів напруженістю Е_зап, (рис. 4а), то це призведе до розширення запираючого шару, так як носії заряду уйдуть від контактної зони. При цьому опір р-n-переходу великий, струм через нього малий, так як обумовлений рухом неосновних носіїв заряду. В цьому випадку струм називають зворотним I_обр, а р-n-перехід - закритим.

При протилежній полярності джерела напруги (рис. 4б) зовнішнє поле спрямоване назустріч полю подвійного електричного шару, товщина запираючого шару зменшується. Опір р-n-переходу різко знижується і виникає порівняно великий струм. В цьому випадку струм називають прямим I_пр, а р-n-перехід - відкритим.

Рис. 3. Утворення контактної різниці потенціалів на границі напівпровідників різних типів електропровідності

Рис. 4. р-n-перехід у зовнішньому електричному полі:

а) до р-n-переходу прикладена зворотна напруга;

б) до р-n-переходу прикладена пряма напруга.

На рис. 5 показана вольт-амперна характеристика р-n-переходу. Пробій р-n-переходу пов'язаний з тим, що при русі через р-n-перехід під дією електричного поля неосновні носії заряду здобувають енергію, достатню для ударної іонізації атомів напівпровідника. В переході починається лавиноподібне розмноження носіїв заряду, що приводить до різкого збільшення зворотного струму через р-n-перехід при майже незмінній зворотній напрузі. Цей вид електричного пробою називають лавинним. Звичайно він розвивається у відносно широких р-n-переходах, які утворюються в слаболегованих напівпровідниках.

У сильнолегованих напівпровідниках ширина запираючого шару менша, що перешкоджає виникненню лавинного пробою, так як рухомі носії не здобувають енергії, достатньої для ударної іонізації. В таких напівпровідниках можливе виникнення ефекту Зенера, коли при досягненні критичної напруженості електричного поля в р-n-переході за рахунок енергії поля з'являються пари носіїв електрон - дірка та істотно зростає зворотний струм р-n-переходу.

---