Файл: Лекция Полупроводники. Рn переход Физические основы полупроводников Общие понятия. Проводники, полупроводники и диэлектрики.pdf

13 уменьшается.
Диффузионная ёмкость характеризует накопление подвижных носителей заряда в n- и p- областях при прямом напряжении на переходе. Она практически существует только при прямом напряжении, когда носители заряда диффундируют (инжектируют) в большом количестве через пониженный потенциальный барьер и, не успев рекомбинировать, накапливаются в n- и p-областях.
Диффузионная ёмкость значительно больше барьерной, но использовать ее не удается, т.к. она шунтируется малым прямым сопротивлением p-n-перехода. Численные оценки величины диффузионной ёмкости показывают, что ее значение доходит до нескольких единиц микрофарад.
Таким образом, р-n-переход можно использовать в качестве конденсатора переменной емкости, управляемого величиной и знаком приложенного напряжения.
Выводы:
1. p-n-переход образуется на границе p- и n-областей, созданных в монокристалле полупроводника.
2. В результате диффузии в p-n-переходе возникает электрическое поле - потенциальный барьер, препятствующий выравниванию концентраций основных носителей заряда в соседних областях.
3. При отсутствии внешнего напряжения Е
вн
в p–n-переходе устанавливается динамическое равновесие: диффузионный ток становится равным по величине дрейфовому току, образованному неосновными носителями заряда, в результате чего ток через p-n-переход становится равным нулю.
4. При прямом смещении p-n-перехода потенциальный барьер понижается и через переход протекает относительно большой диффузионный ток.
5. При обратном смещении p-n-перехода потенциальный барьер повышается, диффузионный ток уменьшается до нуля и через переход протекает малый по величине дрейфовый ток.
Это говорит о том, что p-n-переход обладает односторонней проводимостью. Данное свойство широко используется для выпрямления переменных токов.
6. Ширина p-n-перехода зависит: от концентраций примеси в p- и n-областях, от знака и величины приложенного внешнего напряжения Е
вн
. При увеличении концентрации примесей ширина
p-n- перехода уменьшается и наоборот. С увеличением прямого напряжения ширина p-n-перехода уменьшается. При увеличении обратного напряжения ширина p-n-перехода увеличивается.
Подготовить ответы на вопросы:
1.
Что такое ковалентная связь?
2.
Что такое зонная теория твердых веществ?
3.
Что такое полупроводник, какие материалы к нему относятся?
4.
Что понимается под собственным полупроводником, каков механизм его электропроводности?
5.
Что понимается под примесным полупроводником, каков механизм его электропроводности?
6.
Как объяснить температурную зависимость концентрации носителей заряда в полупроводнике?
7.
Что такое дрейфовый ток?
8.
Что такое диффузный ток?
9.
Поясните механизм образования электронно-дырочного перехода.
10.
Что такое инжекция и экстракция носителей заряда?
11.
Нарисовать вольт-амперную характеристику p-n-перехода и определить основные параметры, влияющие на его работу.
12.
Объяснить механизм лавинного пробоя.
13.
При каких условиях в p-n-переходе возможен туннельный пробой?
14.
Что такое барьерная емкость p-n-перехода?
15.
Что такое диффузионная емкость?
Видео:
https://vk.com/video-185894601_456239035

14
1. ПРИЛОЖЕНИЯ
Характеристики электрического поля.
Напряженность – силовая характеристика электрического поля.
Электрическое поле всегда существует вокруг электрического заряда и имеет две характеристики: силовую (напряженность электрического поля в данной точке) и энергетическую
(потенциал электрического поля в данной точке).
Напряженность Е электрического поля в какой-либо точке измеряется силой F, с которой поле действует на единичный положительный точечный заряд q, помещенный в эту точку:
Е = F/ q.
Напряженность электрического поля – векторная величина. Направление вектора
напряженности совпадает с направлением вектора силы F, действующей в данной точке на
положительный заряд.
В кулоновском поле точечного заряда вектор напряженности Е направлен вдоль радиальной прямой, проходящий через заряд и данную точку поля от заряда, если q > 0, и к заряду, если q < 0
(рис.1).
Рис. 1. Вектор напряженности электрического поля отрицательного и положительного точечного заряда.
Если заряд положительный, то сила, действующая на заряд, направлена в ту же сторону, что и напряжённость. Если заряд отрицательный, то сила направлена противоположно напряжённости
(рис.2).
Рис.2. Направление силы, действующий на заряд, в зависимости от величины заряда и направления напряженности поля
Потенциал электрического поля
Потенциалом электрического поля в данной точке называется величина, численно равная значению потенциальной энергии единичного положительного точечного заряда, помещенного в этой точке.
Потенциалы точек электрического поля положительно заряженного тела положительны и уменьшаются по мере удаления от тела, а потенциалы точек электрического поля отрицательно заряженного тела отрицательны и увеличиваются при удалении от тела.
Разность потенциалов (φ
1
– φ
2
) между двумя точками электрического поля получила название напряжения (U). Напряжение численно равно работе А, которую производят электрические силы при перемещении единичного положительного заряда q между двумя точками:
U = А
1-2
/ q = (φ
1
– φ
2
).
В системе СИ за единицу разности потенциалов (единицу напряжения) принимается один вольт
(1 В) – разность потенциалов между двумя точками электрического поля, при которой силы поля, перемещая один кулон электричества из одной точки в другую, совершают работу в один джоуль.

15

ПРИЛОЖЕНИЕ 2.
Задачи на напряженность электрического поля.
Задача 1.
Два одинаковых положительных точечных заряда расположены на расстоянии r друг от друга в вакууме.
Определите напряжённость электрического поля в точке, расположенной на одинаковом расстоянии r от этих зарядов.
Решение
Согласно принципу суперпозиции полей искомая напряжённость равна геометрической сумме напряжённостей полей, созданных каждым из зарядов (рис. 14.17): Е= Е
1
+Е
2
. Модули напряжённостей полей зарядов равны:
Диагональ параллелограмма, построенного на векторах 1 и 2, есть напряжённость результирующего поля, модуль которой равен:
Задача 2.
В однородное электрическое поле напряжённостью Е
0
= 3 кН/Кл внесли точечный заряд
q = 4•10
-10
Кл.
Определите напряжённость электрического поля в точке А, находящейся на расстоянии r = 3 см от точечного заряда. Отрезок, соединяющий заряд и точку А, перпендикулярен силовым линиям однородного электрического поля.
Решение
Согласно принципу суперпозиции напряжённость электрического поля в точке А равна векторной сумме напряжённостей однородного поля
0
и поля
1
, созданного в этой точке внесённым электрическим зарядом. На рисунке 14.18 показаны эти два вектора и их сумма. По условию задачи векторы
0
и
1
взаимно перпендикулярны. Напряжённость поля точечного заряда
Тогда напряжённость электрического поля в точке А равна:

16
Задача 3.
Расстояние между двумя неподвижными зарядами q
1
= -2 *10
-9
Кл и q
2
= 10
-9
Кл равно 1 м.
В какой точке напряжённость электрического поля равна нулю?
Решение
Очевидно, что на отрезке между зарядами напряжённость не может быть равна нулю, так как напряжённости полей
1
и
2
, созданных этими зарядами, направлены в одну сторону (рис. 14.20).
Следовательно, напряжённость поля может быть равна нулю или справа, или слева от зарядов на линии, проходящей через эти заряды. Так как модуль первого заряда больше, чем модуль второго, то эта точка должна находиться ближе ко второму заряду, т. е. в нашем случае справа от зарядов.
Расстояние от второго заряда до точки А обозначим через х. Тогда из условия, что |
'1| =
'2, можно записать:
Решая это уравнение, получаем
ПРИЛОЖЕНИЕ 3.
История развития полупроводниковой техники
Физика полупроводников является основой твердотельной и микроэлектроники, является базовой дисциплиной для большинства других специальностей электронно-технического профиля.
Она изучает процессы явления и эффекты, протекающие в полупроводниках и определяющие принципы работы полупроводниковых приборов. Физика полупроводников содержит научные знания, которые необходимы для понимания других специальных курсов.
Эпоха насчитывает более 100 лет. Еще в первой половине 19 века Фарадей обнаружил, что электропроводность некоторых тел растет по экспоненциальному закону с ростом температуры.
Электропроводность большинства проводников уменьшается с ростом температуры по линейному закону. Спустя несколько лет Беккерель обнаружил что электропроводность “плохих” проводников, которых изучал Фарадей, увеличивается при их освещении, в них появляется ЭДС. В 1906 Браун обнаружил явление выпрямления переменного электрического тока на контакте свинца и феррита
(FeS
2
). Эти плохие проводники, имеющие к тому времени загадочные свойства назвали полупроводниками. В 1879 г. Холл открыл явление электрического поля в проводнике с током, помещенным в поперечное магнитное поле (эффект Холла).
Исследование полупроводников активизировались в начале 20 века после создания квантовой механики. Квантовая механика позволила создать зонную теорию твердых тел. Квантовая теория объясняет поведение электронов в твердых телах. Согласно этой теории, электроны в кристаллах не могут иметь любую энергию. Разрешенные значения энергии образуют определенные интервалы, которые получили названия разрешенных зон. Разрешенные зоны отделены промежутками запрещенных значений энергии.

17
Зонная теория твердых тел указала строгий критерий их разделения на металлы, диэлектрики и полупроводники. Если самая верхняя зона, содержащая электроны при Т = 0 0
K заполнена не полностью, а частично то такое твердое тело обладает высокими проводящими свойствами. Если самая верхняя зон содержащая электроны при Т = 0 0
K полностью заполнена, а следующая за ней зона полностью пуста и разделена небольшим промежутком запрещенных энергий ΔЕg, то такое твердое тело относят к полупроводникам, а если ΔЕg велико, то это диэлектрик. (ΔЕg ≥ 2 эВ). Сама верхняя зона называется валентной (V – зона), а следующая за ней пустая зона называется зоной проводимости (С - зона).
При возбуждении полупроводника электроны из V – зоны могут переходить в С – зону и в ней они будут участвовать в переносе электрического тока. В этом случае в V – зоне остается свободное место
(дырки). Эта вакансия будет также участвовать в переносе электрического тока, она будет положительной. Выяснилось, что можно создать полупроводники, у которых носителями заряда будут являться только электроны, такие полупроводники называются электронного типа или n – типа. Также можно создать полупроводники, у которых основными носителями будут являться дырки p – тип.
Зонная теория твердых тел позволила раскрыть к концу 30-х годов 20 века природу явлений на контакте полупроводника n и p типа, т.е. физическую теорию выпрямления. В связи с этим были созданы p-n-переходы – важнейшие приборы твердотельной электроники. В 1948 г. были созданы транзисторы n-p-n и p-n-p переходов. Сегодня полупроводники определяют прогресс в целом ряде отраслей народного хозяйства развитых стран.
Началом широкого производства полупроводниковых приборов можно считать середину 50-х годов. На этом этапе создавались новые виды дискретных p-n-переходов и транзисторов. Однако к концу 50-х годов наряду с дискретной твердотельной электроникой начала развиваться интегральная электроника. Это стало возможным благодаря разработке планарной технологии, она представляет собой высокопроизводительный метод группового изготовления полупроводниковых приборов и интегральных схем. Основой планарной технологии является нанесение тонкой диэлектрической пленки на поверхность полупроводникового кристалла или полупроводниковой пленки. Затем производится удаление этой пленки с отдельных участков полупроводника методом фотолитографии.
Рисунок, отражающий схему расположения элементов на кристалле, проецируется на него световым или электронными лучами. После этого через незащищенные диэлектрической пленкой участки полупроводника вводится специальная примесь (лигатура) переводит в n или p тип. В результате этих операций образуется области с p-n-переходами.
На протяжении достаточно длительного времени наблюдается тенденция экспоненциального увеличения степени интеграции твердотельных микросхем. Возможны 3 пути ее роста:
1) связан с уменьшением топологического размера и соответственно повышением плотности упаковки и элементов на кристалле;
2) увеличение площади кристалла. Однако получение бездефектных кристаллов большой площади сложная технологическая задача. Наличие дефектов в кристалле снижает процент выхода интегральных схем;
3) оптимизация компоновки элементов на кристалле. Расчеты показывают, что на монолитном кристалле кремния может быть достигнута степень интеграции 10 7
элементов на кристалле.