Презентация Физические основы полупроводниковых приборов онлайн

Содержание слайда:

Содержание слайда: Физические основы полупроводниковых приборов 1.1. Электропроводимость полупроводников

Содержание слайда: Дисциплина: Электротехника и электроника Лектор: Погодин Дмитрий Вадимович Кандидат технических наук, доцент кафедры РИИТ (кафедра Радиоэлектроники и информационно-измерительной техники)

Содержание слайда:

Содержание слайда: Энергетические уровни и зоны Электропроводность веществ удобно объяснять зонной теорией. В соответствии с квантовой теорией энергия электрона, вращающегося по своей орбите вокруг ядра, не может принимать произвольных значений. Согласно принципу Паули на одном энергетическом уровне не может находится более двух электронов, причем спины этих электронов должны быть противоположны. В результате этого в твердых телах происходит расщепление энергетических уровней электронов, на большое количество почти сливающихся подуровней (рис. 1.3), образующих энергетические зоны. Разрешенная зона, в которой при температуре абсолютного нуля все энергетические зоны заняты электронами, называется валентной. Разрешенная зона, в которой при температуре абсолютного нуля электроны отсутствуют, называется зоной проводимости. Между валентной зоной и зоной проводимости расположена запрещенная зона; ∆W – ширина запрещенной зоны..

Содержание слайда: 1.1.2. Собственные полупроводники Атомы собственного полупроводника располагаются в пространстве в строго определённом порядке, образуя кристаллическую решётку. Она возникает за счёт обобществления валентных электронов соседними атомами и называется ковалентной. Плоская модель кристаллической решётки собственного четырехвалентного полупроводника приведена на рис.2.1. В собственных полупроводниках при Т=00K свободных носителей заряда нет. Все электроны участвуют в образовании ковалентной связи, и полупроводник является диэлектриком. С повышением температуры электроны приобретают дополнительную энергию, и некоторые из них покидают ковалентные связи, становясь свободными. При этом образуется два свободных носителя заряда: электрон и дырка (вакансия). Дырку можно рассматривать, как свободный положительный носитель заряда. Процесс образования свободного электрона и дырки называется генерацией электронно-дырочной пары. Свободные электроны, двигаясь по объёму полупроводника, теряют часть своей энергии и могут занимать место дырки. Этот процесс взаимного исчезновения электрона и дырки называется рекомбинацией. В результате рекомбинации электрон и дырка перестают существовать. В чистом беспримесном полупроводнике (их называют полупроводниками i – типа) всегда выполняется условие ni = pi причем где: ni и pi – соответственно концентрация электронов и дырок в полупроводнике; А - постоянный коэффициент; Т - температура по шкале Кельвина; Е - ширина запрещённой зоны (это энергия, которую должен приобрести электрон, чтобы разорвать ковалентную связь и стать свободным, она зависит от материала полупроводника). Она составляет 0,803 эВ для Ge, для Si - 1,12эВ, а для GaAs - 1,43эВ; k – постоянная Больцмана. Чистые полупроводники при создании полупроводниковых приборов практически не используются, так как их электропроводность зависят только от температуры и других внешних факторов.

Содержание слайда: 1.1.3. Примесные полупроводники

Содержание слайда: 1.1.4. Токи в полупроводнике. Дрейф и диффузия В полупроводнике возможны два механизма движения зарядов (создания тока): дрейф и диффузия. 1. Дрейф- это движение носителей заряда под влиянием электрического поля. Если между двумя точками есть разность потенциалов , то градиент потенциала Е=d/dx называется напряженностью поля. Электроны движутся от меньшего потенциала к большему, а дырки навстречу. Плотность полного дрейфового тока состоит из электронной и дырочной составляющих: где: - плотность полного дрейфового тока; и - электронная и дырочная составляющая ; -Vn, Vp – средняя скорость электронов и дырок; qe, qp – заряд электронов и дырок в единице объма полупроводника; n, p – концентрация электронов и дырок в полупроводнике; е и -е – заряд дырки и электрона; n, р – подвижности электронов и дырок (=V/ E); E- напряжённость электрического поля. Отсюда: где - удельная электропроводность полупроводника. 2. Диффузия - это движение носителей под действием градиента концентрации. Диффузия всегда происходит из области c большей концентрации в область c меньшей концентрации. Плотность тока диффузии дырок и электронов пропорциональна градиенту концентрации т.е. : (2.13) где q -заряд электрона, Dp и Dn - коэффициенты диффузии электронов и дырок. Подвижности и коэффициенты диффузии связаны соотношением Эйнштейна:Dp = тn, Dn = тp, где т- температурный потенциал. Если электроны и дырки движутся в одну сторону, то это токи встречные, поэтому и появляется знак минус в одной из формул (2.13). В общем случае могут присутствовать все четыре составляющих, тогда плотность полного тока равна векторной сумме: In.др +Ip.др+ In.диф+Ip.диф =0 (2.16)

Содержание слайда:

Содержание слайда: 1.2. Электрические переходы 1.2.1. Классификация электрических переходов Электрический переход в полупроводнике – это граничный слой между двумя областями полупроводника с различным физическими свойствами. Различают следующие переходы: 1. Электронно-дырочный или p-n переход - возникает на границе между двумя областями полупроводника с разным типом проводимости. 2. Электронно – электронный (n+-n) и дырочно – дырочный переходы (p+-p) переходы - возникают между областями полупроводника с различной удельной проводимостью. Знаком + - обозначена область, где концентрация свободных носителей заряда выше. 3. Переход на границе металл-полупроводник. Если работа выхода электронов из полупроводника Ап/п меньше работы выхода электронов из металла Ам (Ап/п Ам), то, такой переход обладает выпрямительными свойствами и используется в диодах Шотки. Если Ап/п Ам, то сопротивление перехода оказывается малым независимо от полярности напряжения на нем. Такой переход называется омический контакт, он используется для создания металлических контактов к областям полупроводника. 4. Гетеропереход - возникает между двумя разнородными полупроводниками, имеющими различную ширину запрещенной зоной. 5. Переход на границе металл- диэлектрик- полупроводник (МДП). Процессы, протекающие в системе МДП, связаны с эффектом электрического поля. Эффект поля состоит в изменении концентрации носителей заряда, а следовательно и проводимости в приповерхностном слое полупроводника под действием электрического поля создаваемого напряжением Е (рис. .). Режим обогащения и режим обеднения. Приповерхностный слой с повышенной концентрацией свободных носителей заряда называется обогащенным, а с пониженной концентрацией – обедненным.

Содержание слайда: 1.2.2. P-n переход

Содержание слайда: Образование и основные параметры p-n-перехода Основным элементом большинства полупроводниковых приборов, например диодов, является электронно-дырочный переход (р-n-переход). Р-n переход представляет собой переходный слой lp-n (Рис.1.1), между двумя областями полупроводника с разным типом электропроводности, обеднённый свободными носителями заряда со своим диффузионным электрическим полем Едиф, которое возникает за счет контактной разности потенциалов φк, и препятствует диффузии основных носителей заряда, и является ускоряющим для неосновных зарядов

Содержание слайда: Токи p-n перехода Различают три режима работы p-n-перехода 1. Р-n переход в равновесном состоянии: Up-n= φк, (рис. а) Без внешнего напряжения на р и n областях через p-n-переход течет два тока диффузионной Iдиф и дрейфовой Iдр. Диффузионный ток, создается основными носителями заряда, а дрейфовый ток – неосновными. В равновесном состоянии сумма диффузионного и дрейфового токов равна нулю: Iр-n = Iдиф + Iдр = 0 Это соотношение называют условие динамического равновесия процессов диффузии и дрейфа в изолированном (равновесном) p-n- переходе. 2) Р-n переход смещён в прямом направлении: Up-n= φк-U, (рис. б). Iр-n = Iпр Инжекция – процесс преобразования основных носителей заряда в неосновные при протекании прямого тока. Ширина p-n- переходе уменьшается: lp-n ~(φк-U)1/2. 3) Р-n переход смещён в обратном направлении: Up-n= φк+U, (рис.в). Iр-n = Iобр Экстракция – процесс преобразования неосновных носителей заряда в основные при протекании обратного тока. Ширина p-n- переходе увеличивается: lp-n ~(φк+U)1/2.

Содержание слайда: 1.1.3. ВАХ р-n перехода Уравнение ВАХ p–n-перехода

Содержание слайда: 1.2.6. Ёмкости p-n - перехода

Содержание слайда: Пробой p-n- перехода Резкое возрастание тока при обратном смещении p-n перехода, называют пробоем p-n-перехода, а напряжение при котором это происходит – напряжением пробоя.

Содержание слайда: Дисциплина: Электротехника и электроника Лектор: Погодин Дмитрий Вадимович Кандидат технических наук, доцент кафедры РИИТ (кафедра Радиоэлектроники и информационно-измерительной техники)