Принципы радиоизмерений Исследование стабилизированного выпрямителя Исследование усилительных каскадов Расчет трехфазной цепи Исследование нелинейных цепей постоянного тока Исследование электрических фильтров

Лабораторные работы по электронике и электротехнике

 Основные физические процессы в плоскостном транзисторе

  При отсутствии внешних напряжений на переходах в области каждого p-n перехода имеется двойной электрический слой пространственного заряда (рис.3.2.), образованный в результате диффузии основных носителей через переход. Напомним, что электронно - дырочный p-n переход можно создать внутри полупроводника, если ввести в одну его область донорную примесь, а в другую – акцепторную. При этом уже при комнатной  температуре атомы примесей полностью ионизированы, т.е. концентрацию основных носителей заряда вдали от границы перехода можно считать равной концентрации соответствующей примеси. На границе между областями с различными типами электропроводности возникают большие градиенты концентрации подвижных носителей зарядов. Это приводит к тому, что через границу проходят диффузионные токи ( скажем, в p-области дырок много и они перемещаются туда, где их мало, т.е. в n-область, а электроны наоборот перемещаются  из n-области в p-область ) : Iдиф=Ipдиф+Inдиф . Направление этого тока совпадает с направлением диффузии дырок. При своём движении, как дырки, так и электроны  «оставляют» в соответствующих областях ионизированные атомы акцепторов и доноров, которые не могут принять участия в проводимости, т.к. они жёстко связаны с кристаллической  решёткой полупроводника и обладают большой массой. В результате слева от границы раздела (рис.3.3.) появляются нескомпенсированные отрицательные заряды ионизированных акцепторов, а справа - нескомпенсированные положительные заряды ионизированных доноров. Подвижные дырки и электроны при встречном движении усиленно рекомбинируют  в приконтактных областях и «исчезают». Уход этих основных носителей и их рекомбинация приводит к образованию около границы слоя, обедненного подвижными носителями. Этой слой обладает относительно малой удельной проводимостью и поэтому называется запорным слоем.


Рис. 3.3. Модель p-n-перехода и потенциальный барьер;

а) p-n- переход без внешнего смещения; б) p-n- переход, смещенный в обратном направлений; в) p-n-переход, смещенный в прямом направлении.

 Образующаяся при этом  разность потенциалов вызывает появление внутреннего электрического поля в переходе  , где - ширина области перехода, в которой располагаются ионизированные примеси. Это внутреннее поле в переходе в дальнейшем будет препятствовать « перемешиванию» дырок и электронов. Когда разность потенциалов в переходе достигнет значения φ0 , а поле φ0 /δ0 , то ток прекратится. Такое состояние p-n перехода называется равновесным, а внутренняя разность потенциалов φ0 является равновесной разностью потенциалов.

 В равновесном состоянии при постоянной температуре произведение nnpn =ppnp=ni2=const, где nn- электроны в электронном полупроводнике; pp- дырки в дырочном полупроводнике; pn (дырки в электронном полупроводнике); np – электроны в дырочном полупроводнике. nn и pp – являются основными носителями, а np и pn – неосновными. Например, при комнатной температуре для германия ni2=6,25∙1026см-6, а для кремния ni2 =5∙1020см-6.

 Концентрация основных носителей по обе стороны от перехода однозначно определяют величину равновесной разности потенциалов, которая может быть подсчитана по формуле

 , (1)

где φт=kT/e –тепловой потенциал; k–постоянная Больцмана (1,38∙10-23кул∙в/град); e – заряд электрона (1,6∙10-19кул); T – абсолютная температура (T =273+t˚С). При комнатной температуре T=300К, φт =25мв; ppNa ,a nnNd ,Na и Nd – концентрации введённых в полупроводник акцепторов и доноров. Например, =при Na =1017см-3 и Nd =1015см-3 у германиевого перехода φ00,3в, а у кремниевого φ0 0,7в. Этот пример показывает, что равновесная разность потенциалов составляет десятые доли вольта и при прочих равных условиях будет больше в том полупроводнике, у которого больше удельное сопротивление. У химически чистого кремния удельное сопротивление порядка 105Ом∙см, а у германия 50 Ом∙см.

 Наличие внутреннего электрического поля приводит к тому, что в узкой области δ0 полупроводник обеднен подвижными носителями (дырками и электронами), т.к. электрическое поле «расталкивает» их по обе стороны от барьера. Поэтому в отличие от однородных областей p и n сопротивление обедненного слоя шириной δ0 оказывается даже больше, чем у химически чистого полупроводника, у которого при комнатной температуре всегда имеется вполне определенная концентрация собственных дырок и электронов. Таким образом, обедненный слой имеет большое сопротивление, и его называют запорным слоем, препятствующим диффузии основных носителей. Одновременно с этим возникшее электрическое поле (поле неподвижных ионов) создаёт благоприятные условия для перехода из одной области в другую неосновных носителей, концентрация которых мала (и зависит от температуры). Так, некоторые электроны проводимости, являющиеся в р-области неосновными носителями, совершая, тепловое движение, подходят к приконтактному слою, где их захватывает электрическое поле и, совершая дрейф под действием сил этого поля, они переходят в n-область. Аналогичный процесс происходит с некоторыми дырками n-области, которые в этой области являются неосновными носителями. Следовательно, через границу двух сред существуют встречные потоки одноимённо заряженных частиц: диффузионный поток дырок из р-области и дрейфовый поток дырок из n-области и аналогично диффузионный поток электронов из n-области и дрейфовый поток электронов из р-области. Электрическое поле (потенциальный барьер) в переходе растёт до такого значения, при котором встречные потоки дырок (и аналогично встречные потоки электронов) становятся одинаковыми. Наступает состояние равновесия перехода. Для кремния φ0=0,6-0,8В, для германия φ0=0,2-0,4В.

 Дрейфовый ток через границу двух сред, создаваемый неосновными носителями, называется

тепловым  током IT. Он имеет электронную и дырочную составляющие:IT=IpT+InT. Так как концентрация неосновных носителей относительно мала, то и ток, образуемый ими, не может быть большим. Кроме того, он практически не зависит от величины поля в p=n переходе, т.е. является током насыщения неосновных носителей. Все неосновные носители, которые подходят к переходу, совершают переход через него под действием сил поля, независимо от его величины. Концентрация неосновных носителей, а следовательно, и тепловой ток очень сильно зависит от температуры. По своему направлению тепловой ток противоположен току диффузии и поэтому называется также обратным током(ITI0=Iдр).В общем случае для p-n перехода получаем: 

  (2)

При состоянии равновесия эти токи взаимно компенсируются.  При этом Ip-n=Iдиф-Iдр=0.

 Основные носители при встречной диффузии усиленно рекомбинируют в приконтактных областях. Средняя глубина проникновения диффундирующих дырок в n-область тем меньше, чем больше там концентрация электронов проводимости. Это объясняется зависимостью времени жизни дырок в этой области от nn. То же самое утверждение справедливо для средней глубины проникновения диффундирующих электронов в p-область. Следовательно, при Na Nd запирающий слой оказывается смещённым (относительно металлургической границы) в сторону полупроводниковой области с меньшей концентрацией примеси. В общем случае толщина запирающего слоя определяется примерным равенством:

  , (3)

где dp и dn- толщина слоя, принадлежащая p и n – областям; ε0=8,85∙10-12 Ф/м – электрическая постоянная,ε – относительная диэлектрическая проницаемость кристалла ( для германия 16, для кремния 12);φ – потенциальный барьер в р-n переходе (при отсутствии внешних равен φ0 – равновесной контактной разности потенциалов).

 Если концентрация примеси в одной из областей оказывается на 2-3 порядка больше, чем в другой, то в этом случае запирающий слой практически сосредотачивается в области с малой концентрацией примеси, а его граница в сильнолегированной области практически совпадает с металлургической границей p-n перехода. Например, при Na»Nd членом 1/ Na можно пренебречь, поэтому 

 , (4)

где   – некоторый коэффициент, характеризующий слаболегированный полупроводник n –типа. Толщина запирающего слоя обычно составляет десятые доли микрона.


Исследование выпрямителя однофазного и трехфазного токов