Сегодня: четверг, 20 апреля, 2023

ТЕМА:Электрические переходы в Ме и в п/п

1. Контакт двух металлов

2. Электронно-дырочный переход

3. Вентильные свойства р-n перехода

4. Вольт-амперная характеристика р-n перехода

5. Емкость р-n перехода

6. Контакт металл-полупроводник

7. Контакт между п/п одного типа проводимости

8. Гетеропереходы

1. Контакт двух металлов

Энергетическая диаграмма электронов в металле

Энергетические диаграммы электронов двух разнородных металлов                     

Образование зарядов по разные стороны границы перехода.Изменение концентрации свободных электронов в области  перехода

Изменение потенциала электрического поля в области перехода

,21

e

WW

2

1lnn

n

e

kT

Возникновение внутренней и внешней контактной разности потенциалов

e

AA 2121

Термоэлектрические явления

,ln2

1112 n

n

e

kTB

CB2112

2

121 ln

n

n

e

kTT

,ln1

2221 n

n

e

kTС

Возникновение тока в замкнутой цепи, составленной из разнородных металлов, контакты которых находятся при

разных температурах, получило название термоэлектрического эффекта Зеебека

,21 TT dTd /

Эффект Пельтье – выделение или поглощение дополнительной, помимо джоулевой, теплоты при

прохождении через контакт двух различных проводников электрического тока в зависимости от его направления

ItkqкQ pp p

Эффект Томпсона – выделение или поглощение дополнительной теплоты при прохождении электрического

тока по неравномерно нагретому проводнику

,dVjdldx

dTdQT TItQT

2. Электронно-дырочный переход

Электронно-дырочный или p-n-переход – переход между двумя областями полупроводника, имеющие разный тип

электропроводности

Начальный момент образования p-n-перехода

p-n-переход при отсутствии внешнего напряжения

,A D D AN d N d

0,n ð n ðäèô äèô äð äðI I I I I

2ln ,A D

ke i

N NkT

q n

2 1 1k

e A D

dq N N

Зонная диаграмма p-n-перехода, иллюстрирующая баланс токов в равновесном

состоянии

Прямое смещение p-n-перехода

3. Вентильные свойства p-n перехода

Зонная диаграмма прямого смещения p-n-перехода, иллюстрирующая дисбаланс токов

exp e ï ðï ð äèô äð äèô

q UI I I I

kT

Обратное смещение p-n-перехода

Зонная диаграмма обратного смещения p-n-перехода, иллюстрирующая дисбаланс токов

exp e î áðäèô î áð

q UI I

kT

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 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 . 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.

4. Вольт-амперная характеристика p-n перехода

Вольт-амперная характеристика p-n-перехода – это зависимость тока через p-n-переход от величины

приложенного к нему напряжения

– электронный ток дрейфа

– дырочный ток дрейфа

– электронный ток диффузии

– дырочный ток диффузии

,дрдрдифдиф pnpnnp IIIII

дрдр npn qnI 0

дрдр pnp qpI

0

kT

qU

pnnpn enqqnIдифдифдиф

вн

0

kT

qU

nppnp epqqpIдифдифдиф

вн

0

– концентрация электронов, инжектированных в p-область

– концентрация дырок, инжектированных в n-область

, где и неосновные носители, и

– собственные концентрации носителей зарядов (без примеси) электронов и дырок соответственно

kT

qU

pp ennвн

0

kT

qU

nn eppвн

0

дон

in N

pp

2

0

,2

0

акц

ip N

nn

,äèô äðp p p

äèô äð nn n

0 1ÂÍqU

kTp nI I e

0 0

0 00 ,p n n pp n n p

p n

qD p qD nI q p n

L L

где – коэффициент диффузии дырок или электронов, – диффузионная

длина дырок или электронов. Так как параметры очень сильно зависят от температуры, обратный ток иначе называют тепловым

током.

,n pD ,n pL

0 0, ,, , ,n p n p n pD p n L

Схема, иллюстрирующая лавинный пробой в p-n-переходе:а – распределение токов; б – зонная диаграмма,

иллюстрирующая лавинное умножение при обратном смещении перехода

Лавинный пробой свойственен полупроводникам, со значительной толщиной p-n-перехода, образованных слаболегированными полупроводниками. При этом ширина обедненного слоя гораздо больше диффузионной длины носителей. Пробой происходит под действием сильного электрического поля с напряженностью 68 12 10 /E B ì

Параметром, характеризующим лавинный пробой является коэффициент лавинного умножения , определяемый как количество актов лавинного

умножения в области сильного электрического поля

0

1

1

n

p

IM

I UU

Туннельный пробой происходит в очень тонких p-n-переходах, что возможно при очень высокой концентрации примесей и при небольших значениях обратного напряжения (несколько вольт), когда возникает большой градиент электрического поля. Высокое значение напряженности электрического поля, воздействуя на атомы кристаллической решетки, повышает энергию валентных электронов и приводит к их туннельному «просачиванию» сквозь «тонкий» энергетический барьер из валентной зоны p-области в зону проводимости n-области. Причем «просачивание» происходит без изменения энергии носителей заряда. Для туннельного пробоя также характерен резкий рост обратного тока при практически неизменном обратном напряжении.

19 310N ñì

Зонная диаграмма туннельного пробоя p-n-перехода при

обратном смещении

5. Емкость p-n перехода

p-n-переход ведет себя подобно конденсатору, емкость которого определяется как отношение изменения накопленного в p-n-переходе заряда к

обусловившему это изменение приложенного внешнего напряжения

Различают барьерную (или зарядную) и диффузионную емкость р-n-перехода

Барьерная емкость соответствует обратно включенному p-n-переходу, который рассматривается как обычный

конденсатор, где пластинами являются границы обедненного слоя, а сам обедненный слой служит несовершенным

диэлектриком с увеличенными диэлектрическими потерями

Зависимость барьерной емкости от обратного напряжения

S

Сбар0

Диффузионная емкость 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

дифU

QС диф

диф

6. Контакт металл-полупроводник

Контакт «металл – полупроводник», не обладающий выпрямляющим свойством

Контакт «металл – полупроводник», обладающий выпрямляющим свойством

7. Контакт между п/п одного типа проводимости

Переход между двумя областями с одним типом электропроводности, отличающиеся значением концентрации примесей

8. Гетеропереходы

Гетеропереход - переходный слой с существующим там диффузионным электрическим полем между двумя

различными по химическому составу полупроводниками, обладающие

различной шириной запрещенной зоны

(Ge-GaAs), (GaAs-InP), (GaAs-InAs), (Ge-Si)

Зонные энергетические диаграммы гетеропереходов:а – выпрямляющий гетеропереход между полупроводниками p- и n-

типа с преимущественной инжекцией электронов в узкозонный полупроводник;

б – выпрямляющий гетеропереход между полупроводниками n-типа без инжекции неосновных носителей заряда