Электротехника и электроника. - Немцов М.В.
Скачать (прямая ссылка):
Если с помощью внешнего источника электрической энергии создать в одном полупроводниковом стержне электрическое поле напряженностью if, то наряду с хаотическим (тепловым) движением электронов и дырок возникнет их упорядоченное движение (дрейф) в противоположных направлениях, т. е. электрический ток, называемый током проводимости:
J= In +Ip, (13-І)
где In н Ip — электронная и дырочная составляющие тока.
За время свободного пробега среднего расстояния /ср между атомами полупроводника подвижные носители зарядов приобретают кинетическую энергию
W=elC(f. (13.2)
Этой энергии при напряженности электрического поля '? > > 6 МВ/м достаточно для ударного возбуждения атомов полупроводника, т.е. разрыва в них валентных связей и рождения пары «электрон—дырка». При этом происходит резкое увеличение числа подвижных носителей заряда и, следовательно, удельной проводимости полупроводника. Описанное явление называется лавинным пробоем. Лавинный пробой обратим. Свойства полупроводника восстанавливаются при уменьшении напряженности электрического поля. Этим лавинный пробой отличается от теплового пробоя, который наступает за лавинным пробоем при дальнейшем увеличении напряженности электрического поля и вызывает разрушение полупроводника.
13.2. Контактные явления в полупроводниках
В полупроводниковых приборах используются явления, возникающие на границе раздела как между полупроводниками р- и я-типов, так и между этими полупроводниками и диэлектриками, а также металлами.
305
/7-тип
и-тип
00 GjO 0O0IO 0001© 000!©
© © © ©
© © © © © © © ©
Переход
и _ ------ Контактные явления на границе раздела полупроводников р- и л-типов. Для удобства анализа воспользуемся идеализированной плоскопараллельной конструкцией границы раздела полупроводников (рис. 13.4, а). Рассмотрим сначала явления на границе раздела идеальных полупроводников р- и и-типов, в которых будем пренебрегать термогенерацией, т.е. неосновными носителями.
При разомкнутой цепи источника энергии вследствие разности концентраций свободных дырок и электронов по обе стороны от границы раздела полупроводников из полупроводника />типа часть дырок диффундирует (перемещается) в полупроводник и-типа, а из полупроводника и-типа часть электронов диффундирует в полупроводник />типа, полностью рекомбинируя между собой. В результате вдоль границы раздела полупроводников возникают слои неподвижных отрицательных и положительных ионов соответственно со стороны полупроводников р- и и-типов, которые образуют />и-переход. Абсолютные значения зарядов обоих слоев одинаковые. Возникающее между этими слоями электрическое поле напряженностью & препятствует дальнейшей диффузии свободных дырок и электронов через границу раздела. При некотором значении напряженности электрического поля в />и-переходе диффузия через границу раздела полностью прекращается. Если на границе раздела (х=0, рис. 13.4, б) принять значение потенциала V(O) = 0, то распределение потенциала в полупроводниках р- и «-типов будет определяться зависимостью
б
Рис. 13.4
V = J#dx.
(13.3)
Разность потенциалов ДР"в р-и-переходе называется высотой потенциального барьера. Если к свободным торцам полупроводников р- и и-типов подключить источник энергии напряжением U< 0, то высота потенциального барьера возрастает и в цепи не будет тока. Если напряжение источника U> 0, то высота потенциального барьера уменьшится и в цепи возникнет электрический ток. Следовательно, в идеальном />и-переходе может быть электрический ток диффузии основных носителей только одного направления.
306
Термогенерация изменяет процессы в р-и-переходе. При увеличении потенциального барьера под действием внешнего источника энергии ток уже не равен нулю. Вследствие малой интенсивности термогенерации значение этого тока невелико.
Контактные явления на границе раздела полупроводника и металла. Если потенциал выхода для металла Уы меньше потенциала выхода для полупроводника и-типа VSi(n), то происходит преимущественный переход электронов из металла в полупроводник, в приграничном слое которого возникает обогащенный слой. Такая граница раздела проводит ток в обоих направлениях и используется для конструирования выводов полупроводниковых приборов.
Если VM > VSi{n), то у границы раздела с полупроводником в металле образуется слой с отрицательным зарядом, а в полупроводнике — обедненный слой с положительным зарядом. Такая граница раздела обладает односторонней проводимостью. Электрические переходы такого типа называются барьерами Шоттки по имени исследовавшего их ученого.
13.3. Полупроводниковые диоды
По функциональному назначению различают полупроводниковые диоды выпрямительные, импульсные, стабилитроны, фотодиоды, светоизлучающие диоды и т.д.
Выпрямительные диоды предназначены для преобразования переменного тока в постоянный и используют свойство р-п-перехо-да, а также других электрических переходов хорошо проводить электрический ток в одном направлении и плохо — в противоположном. Эти токи и соответствующие им напряжения между выводами диода называются прямым и обратным токами, прямым и обратным напряжениями. На рис. 13.5 приведены условное обозначение выпрямительного диода и его типовая вольт-амперная характеристика.
