МЕТОДИЧНА РОЗРОБКА

для позааудиторної самостійної роботи

До теми: Електропровідність напівпровідників . Домішкова електропровідність п- і р- типу

1 Навчальна мета:

Вивчити способи утворення домішковпх (електронної і діркової) провідностей напівпровідників, утворення і вентильні властивості електронно-діркового переходу, пробій р-n-переходу.

2. Студент повинен знати:

1.Відмінність напівпровідникових матеріалів від металів і діелектриків.

2.Власна провідність і способи утворення домішковпх (електронної і діркової) провідностей напівпровідників.

3.Фізичні основи утворення і вентильні властивості електронне-діркового переходу. Вольт-амперна характеристика р-n-переходу.

4.Пробій р-n-переходу: тепловий і електричний (зворотній ы незворотній).

3. Студент повинен вміти:

1. Побудувати елемент кристалічної гратки утворення домішкової електропровідності;

2. Побудувати вольт амперну характеристику р-n-переходу;

3. Визначати на ВАХ дільниці пробою електронно- діркового переходу;

4. Визначати параметри електронно- діркового переходу.

3.Базові знання, необхідні для засвоєння теми:

4.Орієнтовна карта роботи з літературою:

5.Методичні вказівки з вивчення.

Матеріал даної теми можна вивчати по кожному з рекомендованих у темі підручників.

Зверніть увагу на власну і домішкову провідності. Домішкова p-провідність утворюється тривалентними домішками (індій, галій, бор та ін.); домішкова n-провідність-п'ятивалентними домішками (миш'як, сурма, олово та ін.).

p- i n- області в кристалі германію (Ge) чи кремнію (Si) утворюють p- n- перехід шириною між областями 0,01- 1 мкм; цей шар збіднений зарядами, тому його опір великий. Потенціальний бар'єр p- n- переходу для германієвого діода Uп = 0,3 - 0,5В; для кремнієвого - Un - 0,5 - 0,8 В.

Вентильні властивості р - n- переходу визначаються полярністю зовнішньої напруги і перевагою основних носіїв над неосновними; якщо "+" (плюс) зовнішньої напруга підключений до р- області (анод (емітер)), а його "-" (мінус) до n- області (катод), то p - n -перехід відкритий, його опір малий, протікає великій дифузійній (прямий) струм через р - n - перехід від р- області до n - області (від анода до катода); якщо "+" (плюс) підключений до n- області (катод база " - " (мінус)) до р- області (анод), то р - n - перехід закритий, його опір великий, протікає тільки малий зворотній струм від катода до анода (дрейфовій) за рахунок неосновних носіїв р- і n - областей (це тепловий чн струм насичення).

Вольт-амперну характеристику р-n-переходу розглянути в (3,с.1), її пряму і зворотню вітки. Потрібно зрозуміти пробій р-n-переходу: тепловий і електричний (лавинний і тунельній).

5.Питання для самоконтролю:

6. 1. У чому відмінність напівпровідника від металу і діелектрика?

7. 2. Поясніть власну провідність напівпровідника.

8. 3. Поясніть утворення діркової і електронної провідностей при наявності домішок.

9. 4. Охарактеризуйте струми в р-n-переході при прямому і зворотному підключенні зовнішньої напруги.

10. 5. Чим обумовлене утворення потенційного бар'єра в р-n-переході?

11. 6. Як змінюється потенційний бар'єр при прямому і зворотньому включеннях р-n-переходу?

12. 7. Поясніть пряму і зворотню вітки вольт-амперної характеристики р-n-переходу.

13. 8. У чомy сутність явища односторонньої провідності р-n-переходу?

6 Література для самостійної роботи:

8. Забродин Ю.С.Промышленая електроника. -М.:Высшая школа, 1982.

9. Криштафович А.К.. Трифонюк В.В, Основи промышленной електор-оники. -М.: Высшая школа, 1985.

10. Основи промислової електроніки. Під ред. Герасимова В.Г.-М. :Вища школа, 1986.

11. Атаржанян Т.М. Интегральные микросхемы. - М.: Энергоиздат, 1983.

12. Князев А.Д.Элементы теория и практика обеспечения электромагнитной совместимости радиоэлектронных средств. - М.: Ра-диосвязь, 1984.

13. Б.С. Гершунский. Основы электроники и микроэлектроники. - К., Высшая школа 1989.

14. Колонтаєвський Ю., Сосков А.Г. Електроніка і мікросхемотехніка: Підручник/За редакцією А.Г.Соскова- К: Каравела,2007.-384с.

1.Електропровідність напівпровідників

Напівпровідниками називаються матеріли, що за­ймають проміжне положення між провідниками й діелектриками. Особ­ливість металевих провідників полягає у

На відміну від провідників напівпровідникам характерна не тіль­ки електронна, але й діркова провідність, яка значною мірою зале­жить від температури, освітленості, стиснення, електричного поля та інших факторів.

Хімічний зв'язок двох сусідніх атомів з утворенням на одній ор­біті спільної пари електронів (Мал.1.1, а) називають ковалентним, або парноелектронним і умовно зображають двома лініями, які з'єд­нують електрони (Мал.1.1, б). Наприклад, германій належить до електронів четвертої групи періодичної системи елементів Д.І.Мен­делєєва і має на вищій орбіті чотири валентні електрони.

Малюнок 1.1. Кристалічна гратка напівпровідника.

Кожен атом у кристалі германію утворює ковалентні зв'язки з чотирма сусідніми атомами (див. мал.1.1, в). У разі відсутності домішок і за температури, що наближається до абсолютного нуля, всі валентні електрони ато­мів у кристалі германію взаємно пов'язані й вільних електронів немає, тому германієві провідність не властива.

З підвищенням темпе­ратури або в процесі опромінення збільшується енергія електронів, що призводить до часткового порушення ковалентних зв'язків і поя­ви вільних електронів. Уже при кімнатній температурі під дією зов­нішнього електричного поля вільні електрони переміщуються і в кристалі виникає електричний струм. Електропровідність, обумовле­на переміщенням вільних електронів, називається електронною провідністю, або п-провідністю.

З появою вільних електронів у ковалентних зв'язках утворюється вільне, не заповнене електроном (вакантне) місце — електронна дірка. Оскільки дірка виникла в місці відриву електрона від атома, то в ділянці її утворення виникає надлишковий позитивний заряд. За наявності дірки будь-який з електронів сусідніх зв'язків може зайняти місце дірки й нормальний ковалентний зв'язок у цьому місці відновиться, але буде порушений у тому місці, звідки вийшов електрон.

Малюнок 1.2-Схема утворення і заповнення дірок у кристалі германію.

Переміщення дірок схоже на перемі­щення позитивних зарядів. Під дією зовнішнього електричного поля дірки переміщуються в напрямку йога сил, тобто в напрямку, протилежному переміщенню електронів. Провідність, що виникає внаслідок переміщення дірок, називається дірковою провідністю, або

р-провідністю.

Отже, в разі .електронної провідності один вільний електрон про­ходить весь шлях у кристалі, а в разі діркової провідності велика кіль­кість електронів почергово заміняють один одного у ковалентних зв'язках і кожен з них проходить свій відтинок шляху.

У кристалі чистого напівпровідника з порушенням ковалентних зв'язків виникає однакова кількість вільних електронів і дірок. Одно­часно з цим відбувається зворотний процес — рекомбінація, під час якої вільні електрони заповнюють дірки, утворюючи нормальні ко­валентні зв'язки. За певної температури кількість вільних електронів і дірок в одиниці об'єму напівпровідника в середньому залишається сталою. З підвищенням температури кількість вільних електронів і дірок значно зростає і провідність германію так само збільшується, тобто напівпровідникам характерний негативний температурний кое­фіцієнт опору. Електропровідність напівпровідника за відсутності в ньому домішок називається його власною електропровідністю.

Властивості напівпровідників значною мірою міняються за наяв­ності в ньому мізерної кількості домішок. Вводячи атоми інших еле­ментів, у кристалі напівпровідника можна одержати перевагу віль­них електронів порівняно з дірками або, навпаки, перевагу дірок над вільними електронами. Наприклад, у разі заміщення у криста­лічній гратці атома германію атомом п'ятивалентної речовини (ми­ш'яку, сурми, фосфору) чотири електрони цієї речовини утворять за­повнені зв'язки з сусідніми атомами германію, а п'ятий електрон буде вільним (Мал.1.3, а), тому така домішка збільшить електронну про­відність (п-провідність) і називатиметься донорною. У разі за­міщення атома германію атомом тривалентної речовини (індію, галію, алюмінію) його електрони вступлять у ковалентний зв'язок із трьома сусідніми атомами германію, а зв'язків із четвертим атомом германію не буде, оскільки в індію немає четвертого електрона (Мал.1.3, б).

2 Електронно дірковий перехід.

Область на границі двох напівпровідників з різними типами електропровідності називається електронно - дірковим переходом, або р-п переходом.

Явища, які відбуваються, в р-п переході лежать в основі роботи більшості напівпровідникових приладів.

Візьмемо пластину кремнію, одна частина якої має електронну провідність (n-типу), а друга - діркову (р-типу), як зображено на мал. 1.4.

В цьому випадку електрони, внаслідок дифузії, з області n-типу проникають в область р-типу і заряджують приграничний шар р-області негативно. Приграничний шар напівпровідника - n-типу, втративши електрони заряджається позитивно.

Аналогічно, дірки з області кремнію р-типу переходять в область n-типу і створюють в при граничних шарах пластини кремнію додаткові заряди з тією ж провідністтю.

Тобто в області р-п переходу створюються протилежні по знаку просторові заряди.

Ці заряди створюють в області р - п переходу електричне поле, яке протидіє подальшій дифузії головних носіїв заряду - електронів із області n-типу в область р-типу і дірок в протилежному напрямку.

Тому електричне поле на ділянці р-п переходу називається потенціальним бар'єром.

Просторові заряди в області р-п переходу створюють для головних носіїв заряду пластини кремнію підвищений опір, тому р-п перехід називають запираючим шаром.

3 Електричний струм черезр-пперехід.

Через р-п перехід проходить незначна кількість головних носіїв заряду, які мають енергію достатню для подолання потенціального бар'єру.

Ці заряди створюють електронну (І_нд) і діркову (І_рд) складові дифузійного струму.

Крім того через р-п перехід без перешкод проходять неголовні носії заряду – дірки з n-області і електрони із р-області. Для них електричне поле р-п переходу являється прискорюючим.

Ці неголовні заряди створюють відповідно електронну (І_пе) і діркову (І_ре) складові дрейфового струму. Дифузійні і дрейфові заряди направлені протилежно, тому струмі через р-п перехід

І_пд - І_пе+ І_рд - І_ре = 0

4 Підключенняр-ппереходу до зовнішнього джерела струму

При прямому включенні р-п переходу (мал.1.5) область п-типу приєднують до негативного полюсу джерела струму, а область р-типу - до позитивного.

Тобто електричне поле, яке створює зовнішня напруга в р-п переході, буде направлено назустріч власному полю р-п переходу

Це викличе зниження потенціального бар'єру, а отже збільшення дифузійного струму головних носіїв заряду через р-п перехід

Іпр=Ідиф-Ідр,

де, Ідиф. - дифузійний струм головних носіїв заряду;

Ідр.- дрейфовий струм неголовних носіїв заряду.

Прямий струм залежить від концентрації головних носіїв зарядів і є великим за величиною.

При зворотньому включенні переходу область п-типу приєднується до позитивного полюсу джерела струму, а область р-типу до негативного.

Отже, при зворотньому вмиканні р-п переходу напрямок електричного поля джерела струму співпадає з напрямком електричного поле р-п переходу.

Потенціальний бар'єр при цьому зростає, струм головних носіїв заряду Ідиф. через р-п перехід зменшиться. Під дією електричного поля джерела струму головні носії зарядів будуть відходити від границі шарів. В результаті ширина р - п переходу збільшується.

При зворотньому включенні через р-п перехід проходить незначний дрейфовий струм неголовних носіїв заряду

Ізвор=Ідр-Ідиф

Так як Ізвод « Іпр то р-п перехід має односторонню провідність.

Таким чином р-п перехід має вентильні властивості, тобто при прямому вмиканні його опір малий, а при зворотньому – великий.

5 Вольт - амперна характеристикар- ппереходу

Вольт-амперна характеристика показує залежність струму струм через р-п перехід від величини і полярності прикладеної напруги. Цю залежність виражають формулою

де

Ін - зворотній струм насичення р - п переходу, залежить від властивостей напівпровідника.

U - напруга прикладена до р-п переходу;

е - основа натуральних логарифмів .

При позитивних (прямих) напругах (е^40u >> 1) струм через р-п перехід різко

збільшується (мал.1.7).

Малюнок 1.7- Вольт-амперна характеристика р-п переходу

При негативних (зворотніх) напругах величина стає значно менше одиниці. При цьому

І=Ізвор Ід.

Тобто зворотній струм дорівнює струму насичення і в деякому інтервалі залишається постійною величиною.

При зростанні від нуля зворотньої напруги U_зв, швидкість руху головних носіїв через перехід зростає. При U_зв=U_п швидкість рухомих носіїв така, що їх енергії вистачає для виникнення в матеріалі ударної іонізації - вибивання додаткових носіїв заряду. Внаслідок цього відбу­вається лавиноподібний ріст зворотнього струму. Це явище називаєть­ся електричним пробоєм р-п переходу, a U - напругою пробою. Якщо при цьому р-п перехід ефективно охолоджується, різке зростання по­тужності, що в ньому виділяється ( ), не призводить до суттєвих змін напівпровідникової структури і електричний пробій протікає при незмінній напрузі. Це явище має зворотний характер. Тобто, при зниженні U_зв запірні властивості р-п переходу відновлюються (гілка 2 ΒΑΧ).

Явище електричного пробою використовується, наприклад, при ство­ренні такого НП приладу, як стабілітрон.

При неефективному тепловідведенні, температура структури зрос­тає (кількість рухомих носіїв при цьому збільшується за рахунок теп­лової генерації), доки електричний пробій не переходить у тепловий, коли матеріал розплавляється і р-п перехід руйнується. Тепловий пробій, зрозуміло, незворотний (гілка З ΒΑΧ).

Отже, р-п перехід - це явище, що виникає на межі двох НП різного типу провідності і характеризується відсутністю у прилеглій до цієї межі зоні вільних носіїв заряду, через що її опір нескінченний. Тому р-п пере­хід ще називають запірним шаром.

ЗАПИТАННЯ ДЛЯ САМОПЕРЕВІРКИ

1. Поясніть, що таке напівпровідники (чисті і домішкові)?

2. Що таке р-п перехід?

3. Що таке пряме і зворотнє вмикання р-п переходу? Поясніть поведінку р-п

переходу при прямому і зворотньому вмиканні.

4. Що таке ВАХ і який вигляд вона має у р-п переході?

5. Вкажіть властивості р-п переходу, які використовують при побудові

напівпровідникових електронних приладів.

№3

Навчальна дисципліна Основи промислової електроніки та МПТ

СпеціальністьМонтаж і експлуатація електроустаткування підприємств іцивільних споруд