Физика проводимости полупроводниковых материалов. Энергетическая диаграмма атома. Электронные приборы с одним p-n переходом

Физика проводимости полупроводниковых материалов.

Энергетическая диаграмма атома.

Современной физикой доказано, что электроны в твердом теле не могут обладать произвольной энергией. Энергия каждого электрона может принимать лишь определенные значения, называемые уровнями энергии или энергетическими уровнями.

Энергетическая диаграмма для группы атомов.

В соответствии с так называемой зонной теорией твердого тела энергетические уровни объединяются в зону. Электроны внешней оболочки атома заполняют ряд энергетических уровней, составляющих валентную зону. Валентные электроны участвуют в электрических и химических процессах.

Энегритическая диаграмма чистых материалов.

1.Проводники(металлы, сплавы металлов, растворы солей)

2.Диэлектрики

У диэлетриков между зоной проводимости и валентной зоной существует запретная зона, соответствующая уровням энергии, на которых электроны не могут находиться.

T°<(600-800)° -электроны не попадают в зону проводимости.

T°>(600-800)° -электроны попадают в зону проводимости.

3.Полупроводники

У полупроводников ширина запретной зоны меньше, чем у диэлектриков.

ΔWп\п<<ΔWд

T°=(60-80)° -электроны могут проходить в зону проводимости.

Физика проводимости полупроводников.

1.Чистые метариалы

Ge-4 валентный

T°<(60-80)° -все электроны располагаются в зоне проводимости.

T°>(60-80)° -электроны может перейти в зону проводимости.

n-электроны.

p-дырки.

В атоме полупроводника один из более удаленных от ядра валентных электронов переходит в зону проводимости. Отсутствие элетрона в атоме полупроводника условно назвали дыркой.

Термогенерация Nn=Np-образование дырок и электронов проводимости.

Т.к.Nn=Np, то материал электрически нейтрален.

Также наблюдается процесс рекомбинации - процесс объединения электрона и дырки в нейтральный атом.

2.Приместная проводимость полупроводниковых материалов.

а)Электронная проводимость(полупроводники n-типа) -образовывается, если в чистом полупроводниковый материал добавить материал валентность которого больше валентности полупроводника.

Ge -4 Sb-5

Электроны-основные носители заряда.

Дырки-неосновные носители заряда.

Электронов >> дырок

б) Дырочная проводимость(полупроводники p-типа)-оьразовывается, если в чистом полупроводниковый материал добавить материал валентность которого меньше валентности полупроводника.

Ge-4 In-3

Дырки-основные носители заряда.

Электроны-неосновные носители заряда.

Число дырок много больше числа электронов.

Компенсированный полупроводниковый материал - называется материал у которго количество донорно-акцепторной примеси одинаково.

Если донорно-акцепторные связи неравны между собой то, он называется некомпенсированный полупроводниковый материал.

Свойства p-n переходов.

p-n - граница разделения зон с p и n проводимостью обладающая вентильными свойствами.

1.p-n переход неподверженный внешнему воздействию.

Iдиф - ток дифузии(образованный основными носителями заряда)

Iдр - ток дрейфа(образованный неосновными носителями заряда)

Iдиф+Iдр=0 - термодинамическое равновесие.

Симметричный p-n переход - образовывается в том случае если в зоне p и в зоне n одинаковое количество приместных атомов.

Несимметричный - в одной из зон количество примесных атомов больше.

Та зона где больше примесей называется - эмиттером.

Зона где меньше примесей - база.

2. Включение p-n перехода на внешнее Eвн

А) Eвн включено согласно с φ

Up-n= Eвн+ φ;

Iдиф=0

Iдр=I₀, где I₀ – обратный ток- представляет собой ток проводимости вызванный перемещением неосновных носителей, I₀ =f(T°)Такое включение называется обратным.

Б)Встречное включение

Up-n= Eвн – φ

φ для Ge(0,3-0,6)В

для Si(0,7-0,9)В

Iдиф>> Iдр(I₀ )

Такое включение называется прямым включением p-n перехода

Вентильные свойства: способность проводить ток при одной полярности напряжений, и отсутствие тока при другой .

Вольт-амперная характеристика p-n перехода.

I=f(U)

Iобр=Iнас

|Eвн|<|Uпроб|

Пробоины: 1.Электрические

1.1.  Туннельный(Зенеров)возникает в узких p-n переходах, если Е=10⁶  В/см

1.2.  Лавинный пробой возникает в широких p-n переходах, когда электроны ускоряются до степени ионизации.

Эти две разновидности называют обратимыми – если мы снимем напряжение p-n переход восстановит вентильные свойства.

2.  Тепловой пробой(2-3 участок)- необратимый, p-n переход будет проводить в обоих направлениях.