Применение полупроводниковых приборов

Лекция 39

 

Тема № 14 Конденсированные среды и плазма

 

Занятие № 14/3 Полупроводники

 

 

Тольятти 2007

Тольяттинский военный технический институт

 

Кафедра «Математика и физика»

 

Н.А. Леонова

 

У Т В Е Р Ж Д А Ю

Заведующий кафедрой

к.э.н А. Баранов

«___» ________ 200_ г.

 

 

Дисциплина «Физика»

 

 

Лекция № 39

 

 

Тема № 14Конденсированные среды и плазма

 

Занятие № 14/3Полупроводники

 

 

Обсуждено на заседании

кафедры «__» ______ 200__ г.

Протокол № ___

 

Тольятти 2007

Содержание

Цель занятия: Раскрыть физические процессы, происходящие в полупроводниках.

Введение

Основная часть

Вопросы: 1. Физика полупроводников.

2. Запирающий слой.

3. Применение полупроводниковых приборов.

 

Выводы

Список используемой литературы

1. Савельев И.В. «К Ф» т.3 стр. 200 - 201

 

Наглядные пособия

1. Электронные слайды

2. Плакаты

 

Введение

Почему одни тела являются проводниками, а другие полупровод­никами и изоляторами — на этот вопрос нельзя ответить в рамках моде­ли газа свободных электронов. Необходимо учитывать взаимодействие атомов между собой и с электронами. Представим себе, что кристал­лическая решетка металла или полупроводника образуется в резуль­тате сближения изолированных атомов. Наружные, так называемые валентные, электроны атомов металла сравнительно слабо связаны с атомными ядрами, а такие же электроны полупроводников — зна­чительно сильнее. При сближении атомов последние приходят во вза­имодействие друг с другом. В результате этого валентные электроны отрываются от атомов металла и становятся свободными электронами, которые могут перемещаться по всему металлу, коллективизируются, по образному выражению Я.И. Френкеля. В полупроводниках, благо­даря значительно более сильной связи валентных электронов с ядрами атомов, положение иное. Чтобы оторвать электрон от атома и пре­вратить его в электрон проводимости, требуется сообщить ему неко­торую энергию, называемую энергией ионизации. Такая энергия по­ставляется тепловыми колебаниями атомов решетки. Она может быть сообщена и иначе, например облучением полупроводника короткими электромагнитными волнами, потоком быстрых частиц, воздействием сильного электрического поля и т. д. Для разных полупроводников энергия ионизации валентного электрона лежит в пределах от 0,1 до 2 эВ, т. е. заметно выше средней кинетической энергии теплово­го движения атома (3/2)kT ≈ 0,04 эВ. Несмотря на это, тепловое движение вызывает ионизацию атомов, так как из-за его хаотично­сти мгновенная кинетическая энергия атома может в несколько раз превышать ее среднее значение. Число атомов с энергией, равной или превышающей энергию ионизации, относительно очень мало. Поэтому в полупроводниках мала и концентрация свободных электронов, обра­зующихся в результате ионизации. Однако с повышением температуры эта концентрация и связанная с ней электрическая проводимость повы­шаются. Процессы ионизации, конечно, сопровождаются обратными процессами рекомбинации, в результате которых свободные электроны вновь захватываются атомами. В состоянии равновесия средние числа актов ионизации и рекомбинации одинаковы, и устанавливается вполне определенная равновесная концентрация свободных электронов, зави­сящая от температуры полупроводника.

 

1. Физика полупроводников

Полупроводниками являются кристаллические вещества при ОК валентная зона полностью заполнена электронами, а ширина запрещенной зоны невелика. Проводимость проводников растет с повышением температуры.

 

В собственном полупроводнике при абсолютном нуле все уровни валентной зоны полностью заполнены электронами, а в зоне проводимости отсутствуют

Электрическое поле не может перебросить электроны из валентной зоны в зону проводимости.

Поэтому собственные полупроводники ведут себя при абсолютном нуле как диэлектрики. При температурах отличных от нуля часть электронов с верхних уровней валентной зоны переходят в результате теплового возбуждения на нижние уровни зоны проводимости.

При наличии вакантных уровней поведение электронов валентной зоны может быть представлено как движение положительно заряженных квантовых частиц, получивших название «дырок».

По своим электрическим свойствам валентная зона с небольшим числом вакантных состояний эквивалентна пустой зоне содержащей небольшое число положительно заряженных квазичастиц, называемых дырками.

Типичными полупроводниками являются элементы IV группы периодической системы Менделеева – германий и кремний.

При достаточно высокой температуре тепловое движение может разорвать отдельные пары, освободив один электрон.

Покинутое место перестает быть нейтральным, в его окрестности возникает избыточный положительный заряд + е, т.е. образуется дырка. На это место может перескочить электроны одной из соседних пар. В результате дырка начинает странствовать по кристаллу, как освободившийся электрон. Оба движения – и дырок, и электронов – приводят к переносу заряда вдоль кристалла.

Собственная проводимость обусловлена как бы носителями заряда двух знаков – отрицательными электронами и положительными дырками.

Примесная проводимость возникает, если некоторые атомы данного полупроводника заменить в узлах кристаллической решетки атомами, валентность которых отличается на единицу от валентности основных атомов.

 

При повышении температуры концентрация примесных носителей быстро достигает насыщения.

Практически освобождаются все донорные или заполняются электронами все акцепторные уровни. По мере роста температуры все в большей степени начинает сказывается собственная проводимость полупроводника, обусловлена переходом электронов непосредственно из валентной зоны в зону проводимости. При высоких температурах проводимость полупроводника будет складываться из премесной и собственной проводимостей. При низких температурах преобладает примесная, а при высоких – собственная проводимость.

Запирающий слой

Металлическое тело представляет для валентных электронов потенциальную яму.

Потенциальная энергия валентных электронов внутри металла меньше, чем в не металла, на величину, равную глубине потенциальной ямы.

Граница соприкосновения двух полупроводников, один из которых имеет электронную, а другой – дырочную проводимость, называется электронно-дырочным переходом (р-п переход). Эти переходы имеют большое практическое значение, являясь оновой работы многих полупроводниковых приборов.

Область различной проводимости создают либо выращивании кристаллов, либо при соответствующей обработке кристаллов.

На кристаллах германия n -типа накладывается индиевая таблетка.

 

Эта система нагревается примерно при 500 ⁰ С в вакууме или в атмосфере инертного газа, атомы индия диффундируют на некоторую глубину германия.

Так как германий, содержащий индий, обладает дырочной проводимостью, то на границе закристаллизовавшегося расплава и германия n -типа образуется р-п переход.

Рассмотрим физические процессы, проходящие в р-п переходе.

Пусть донорный проводник (работа выхода – Аn, уровень фермы - Е_F) приводится в контакт с акценторной полупроводником (работа выхода – Аn, уровень ферм - Е_{F р}).

Электроны из n -полупроводника, где их концентрация, диффундировать в р -полупроводник, где их концентрация ниже. Диффузия дырок происходит в обратном направлении р → n.

В n -полупроводнике из-за ухода электронов в близи границы некомпенсированный положительный объемный заряд неподвижных ионизированных донорных атомов. В р -полупроводнике из-за ухода дырок в близи границы отрицательный объемный заряд неподвижных ионизированных акцепторов.

Эти объемные заряды образуют у границы двойной электрический слой d₁ и d₂ поле которого, направленное от n -облости к р -облости препятствует дальнейшему переходу электронов в направлении n → р и дырок р → n.

Если концентрация доноров и акцепторов в полупроводниках n -типа и р -типа, то потенциал слоев, в которых локализируется неподвижные заряды, равны (d ₁ = d ₂).

При определенной толщине р - n перехода наступает равновесное состояние, характеризуемое выравниванием равней Ферми для обоих проводников.

В области р - n перехода энергетические зоны искривляются, в результате чего возникает потенциальные барьеры для электронов и дырок.

Высота потенциального барьера определяется первоначальной разностью положений уровней Ферми.

Запирающий слой может работать в прямом или обратном направлении.

Применение полупроводниковых приборов

Полупроводниковые приборы:

- диод – (выпрямляет электрический ток);

- триод (усиливает мощность выделяемую в цепи)

 

 

Выводы

В настоящее время для генерации синусоидальных и несинусо­идальных колебаний и их усиления, наряду с электронными лампами, успешно применяются полупроводниковые приборы, обладающие рядом преимуществ по сравнению с электронными лампами. Полупроводни­ковые приборы не имеют накаливаемого катода и потому потребляют относительно меньшую мощность. Они не требуют вакуума, который может портиться при работе лампы. По этой причине они более долго­вечны и надежны в работе, чем электронные лампы. Благодаря своим малым габаритам полупроводниковые приборы незаменимы во многих радиотехнических схемах, например в счетно-решающих устройствах. Однако полупроводниковые приборы обладают и рядом недостатков (изменение свойств полупроводников с температурой, усложнения схем из-за малости входных сопротивлений, шумы, вызываемые случайны­ми изменениями путей токов внутри сопротивлений). По этой причине, когда габариты и вес не являются определяющими, в технике экспери­мента пока отдается предпочтение схемам на электровакуумных и газо­наполненных приборах. Не останавливаясь на всех этих вопросах, отно­сящихся к области радиотехники, ограничимся краткими замечаниями. Для усиления и генерации колебаний применяются полупроводни­ковые приборы не с двумя (как в выпрямителях), а с тремя и более электродами. Рассмотрим полупроводниковый триод (транзистор), содержащий три электрода. Он представляет собой кристалл германия или кремния, в котором введением донорной и акцепторной примесей созданы три области с чередующимися типами проводимости: электронной и дырочной. Существуют два типа транзисторов. В транзисто­рах n-p-n-типа крайние области обладают электронной, а средняя (база, или основание) — дырочной проводимостью. В транзисторах p-n-p-типа

наоборот, электронной проводимостью обладает база, а дырочной — крайние области. Кристалл снабжен соответствующими металлическими электродами, с помощью которых транзистор включается в цепь.

Контактное поле Б_к в обоих n-p-переходах направлено от элек­тронного к дырочному полупроводнику. Направление Е_к — запорное, противоположное направление — пропускное. Включим тран­зистор в схему согласно. Половина, включенная в проходном направлении, называется эмиттером, а включенная в запорном на­правлении — коллектором. Ширина базы, разделяющей эти половины, всегда мала и измеряется десятками (или даже единицами) микро­метров. Электрический ток внутри эмиттера создается главным образом движением электронов, являющихся основными но­сителями заряда. Эти электроны проходят через левый п-р-переход в область базы и там под действием электрического поля Е движутся по направлению к коллектору. Толщина базы должна быть такова, чтобы значительная часть электронов прошла через нее. Пройдя через правый р—n-переход, электроны попадают в коллектор уже в качестве основных носителей заряда. Тем самым они меняют ток в коллекторе. Те же рассуждения относятся и к рис. б (только роль электро­нов будут выполнять положительные дырки). Таким образом, всякое изменение тока в цепи эмиттера будет вызывать изменение тока и в цепи коллектора. В этом отношении транзистор действует аналогично электронной лампе. Роль катода играет эмиттер, анода — коллектор, сетки — база.