Физика атомного реактора Сопротивление материалов Математика решение задач Информатика Атомная энергетика безопасность Электротехника и электроника

Общий принцип действия и конструкции электрических машин Полупроводниковая электроника Трехфазный ток Принцип работы асинхронного двигателя Соединение нагрузки треугольником Полупроводниковые транзисторы


Диффузионные и дрейфовые явления в полупроводниках

В полупроводниках если длина свободного пробега электрона или дырки значительно меньше толщины барьера, т.е. электрон или дырка испытывает в процессе перехода много столкновений с решеткой, то применяют для вычисления тока через потенциальный барьер диффузионную теорию. Она справедлива для полупроводников с малой концентрацией носителей заряда и малой длиной свободного пробега, например для закиси меди, селена и др.

Наличие в области запирающего слоя пространственного заряда и внутреннего поля, а также неоднородного распределения подвижных нисителей приводит  к возникновению двух потоков носителей зарядов: диффузионного, обусловленного градиентом концентрации, и дрейфового, обусловленного внутренним полем. Результирующий электрический ток является суммой дрейфового тока (омического)

  (12.13)

и диффузионного тока

 , (12.14)

где D – коэффициент диффузии электронов (или дырок).

В состоянии равновесия при отсутствии внешнего поля дрейфовый или омический ток равен диффузионному. Они направлены в противоположные стороны. Поэтому результирующий ток

  (12.15)

Учитывая, что , а концентрация в при контактной области изменяется по распределению Больцмана,

 , (12.16)

 ,

 Если к контакту металл–полупроводник приложена внешняя разность потенциалов U, то ток через контакт будет

  (12.17)

Решение уравнения (12.17) дает для тока через контакт следующее выражение:

  ; (12.18)

  (12.19)

где   – дрейфовая скорость электрона (или дырки) в поле запирающего слоя, Е – напряженность поля у границы;

  (12.20)

12.3. Переход зарядов на электронно – дырочном пограничном слое

и их выравнивание

12.3.1. Электронно – дырочный  переход

Электронно – дырочным переходом называют область на границе двух полупроводников, один из которых имеет электронную, а другой – дырочную электропроводность.  переход получают введением в примесный полупроводник дополнительной легирующей примеси. Например, при введении донорной (электронная электропроводность) примеси в определенную часть полупроводника р – типа в нем образуется область полупроводника  типа, граничащая с полупроводником  типа.

При соприкосновении полупроводников в пограничном слое происходит рекомбинация (воссоединение) электронов и дырок. Свободные электроны из зоны полупроводника   типа занимают свободные уровни в валентной зоне полупроводника р – типа. В результате вблизи границы двух полупроводников образуется слой, лишенный подвижных носителей заряда и поэтому обладающий высоким электрическим сопротивлением, – так называемый запирающий слой (рис. 12.6).

Если к  переходу приложить внешнее напряжение, которое создает в запирающем слое электрическое поле напряженностью Евн , совпадающее по направлению с полем неподвижных ионов напряженностью Езап (рис. 12.7), то это приведет лишь к расширению запирающего слоя, так как отведет от контактной зоны и положительные, и отрицательные носители заряда (дырки и электроны). При этом сопротивление перехода велико, ток через него мал – он обусловлен движением не основных носителей заряда. В этом случае ток называется обратным, а   – переход – закрытым.

При противоположной полярности источника напряжения внешнее электрическое поле направлено навстречу полю двойного электрического слоя, толщина запирающего слоя уменьшается и при напряжении 0,3–0,5 В запирающий слой исчезает.

  

 


Рис. 12.6 

Сопротивление  – перехода резко снижается, и возникает сравнительно большой ток. Ток при этом называют прямым, а переход открытым.

      

  

   

 Рис. 12.7 Рис. 12.8

Если кристаллы  и – типов привести в плотное соприкосновение, то сразу после соприкосновения кристаллов начинается диффузия дырок из – области в – область и диффузия электронов в обратном направлении (рис. 12.8). Встречаясь электроны и дырки будут рекомбинировать, при этом вблизи граничной плоскости образуются два слоя: слева слой «обнаженных» отрицательных ионов, справа – слой «обнаженных» (не скомпенсированных) положительных ионов. Между двумя разноименно заряженными слоями возникает электрическое поле, напряженность которого будет препятствовать диффузии дырок и электронов. Чем больше не скомпенсированных ионов, т.е. чем больше будет ширина «обнаженных» слоев, тем выше будет напряженность электрического поля. При некотором значении напряженности диффузионный ток прекратится. Этому значению напряженности будет соответствовать определенная контактная разность потенциалов и определенная ширина слоя, в котором рекомбинировали подвижные носители зарядов.

Изображение синусоидальных функций времени (напряжение, сила тока, мощность) векторами на комплексной плоскости Расчет сложной разветвленной цепи может быть существенно упрощен, если заменить синусоидальные токи и напряжения векторами, расположенными на комплексной плоскости. Такой метод получил название метода комплексных амплитуд.
Функциональная классификация интегральных микросхем