Основные качества полупроводников (стр. 1 из 9)
Міністерство транспорту та зв’язку України
Українська державна академія залізничного транспорту
Кафедра транспортний зв’язок
Контрольна робота з дисципліни
«Напівпровідні прибори»
Перевірив:
Кириченко М.П.
Виконав:
студент групи 7 – IV/2 - АТЗ
Лисов В.П.
2011
Введение
1. ПОЛУПРОВОДНИКИ
1.1 Полупроводники и их физические свойства
1.2 Генерация и рекомбинация свободных носителей заряда, полупроводники с собственной электропроводностью
1.3 Донорные примеси, полупроводники с электронной электропроводностью
1.4 Акцепторные примеси, полупроводники с дырочной электропроводностью
1.5 Понятие р-п -перехода и факторы, влияющие на его свойства
2. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ
3. БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ
4. ИНТЕГРАЛЬНЫЕ МИКРОСХЕМЫ
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1 ПОЛУПРОВОДНИКИ
1.1 Полупроводники и их физические свойства
К полупроводникам относятся вещества, которые по своим электрическим свойствам занимают промежуточное положение между проводниками и диэлектриками. Отличительным признаком полупроводников является сильная зависимость их электропроводности от температуры, концентрации примесей, воздействия светового и ионизирующего излучений.
В создании электрического тока в веществе могут принимать участие только подвижные носители электрических зарядов. Поэтому его электропроводность тем больше, чем больше в единице объема этого вещества находится подвижных носителей электрических зарядов. В металлах практически все валентные электроны (являющиеся носителями элементарного отрицательного заряда) свободны, что и обусловливает высокую электропроводность металлов. В диэлектриках и полупроводниках свободных носителей значительно меньше, поэтому их удельное сопротивление велико.
Характерной особенностью полупроводников является ярко выраженная температурная зависимость удельного электрического сопротивления. С повышением температуры оно, как правило, уменьшается на 5...6 % на градус, в то время как у металлов удельное электрическое сопротивление с повышением температуры растет на десятые доли процента на градус. Удельное сопротивление полупроводника также резко уменьшается при введении в него незначительного количества примеси.
Большинство применяемых в настоящее время полупроводников относится к кристаллическим телам, атомы которых образуют пространственную решетку. Взаимное притяжение атомов кристаллической решетки осуществляется за счет ковалентной связи, т.е. общей пары валентных электронов, вращающихся по одной орбите вокруг этих атомов. Такие электроны могут иметь различную степень связи со своей парой атомов. При передаче им энергии извне, например, с помощью электромагнитного поля или при нагревании они способны покидать свои места в кристаллической решетке и перемещаться по кристаллу, создавая, таким образом, электрический ток в нем.
Вещества, в которых для высвобождения электронов требуется высокая энергия, являются диэлектриками, и только для некоторого класса веществ достаточно незначительной энергии (менее 3 эВ) для образования свободных электронов (преодоления ими запрещенной энергетической зоны). Такие вещества и являются полупроводниками.
В полупроводниковой электронике широкое применение получили германий (Ge) и кремний (Si) — элементы 4-й группы периодической системы, в современных сверхвысокочастотных приборах часто используются также арсенид галлия (GaAs) и фосфид индия (InP).
1.2 Генерация и рекомбинация свободных носителей заряда,
полупроводники с собственной электропроводностью
Уход электрона из ковалентной связи сопровождается появлением двух электрически связанных атомов единичного положительного заряда, получившего название дырки, и свободного электрона. Фактически дырку можно считать подвижным свободным носителем элементарного положительного заряда, а заполнение дырки электроном из соседней ковалентной связи можно представить как перемещение дырки. Процесс образования пар электрон-дырка называют генерацией свободных носителей заряда. Одновременно с процессом генерации протекает процесс рекомбинации носителей.
Из-за постоянного протекания процессов генерации и рекомбинации носителей зарядов при заданной температуре в полупроводнике устанавливается равновесное состояние, при котором присутствует некоторая концентрация свободных электронов (ni) и дырок (pi). В чистом полупроводнике концентрации носителей зарядов зависят от ширины запрещенной зоны и при увеличении температуры возрастают приблизительно по экспоненциальному закону.
Равенство концентраций свободных электроновni и дырокpi показывает, что такой полупроводник обладает одинаковыми электронной и дырочной электропроводностями и называется полупроводником с собственной электропроводностью.
1.3 Донорные примеси, полупроводники с электронной
электропроводностью
При введении в 4-валентный полупроводник примесных 5-валентных атомов (Р,Sb) атомы примесей замещают основные атомы в узлах кристаллической решетки. Четыре электрона атома примеси вступают в связь с четырьмя валентными электронами соседних атомов основного полупроводника. Пятый валентный электрон слабо связан со своим атомом и при сообщении ему незначительной энергии, называемой энергией активации, отрывается от атома и становится свободным. Примеси, увеличивающие число свободных электронов, называют донорными или просто донорами.
Малая энергия активации примесей (0,01... 0,2 эВ) уже при комнатной температуре приводит к полной ионизации 5-валентных атомов примесей и появлению свободных электронов. Поскольку в этом случае появление свободных электронов не сопровождается одновременными увеличением количества дырок (ионизированные 5-валентные атомы, хотя и являются носителями положительного заряда, не могут свободно перемещаться по кристаллу или обмениваться валентными электронами с соседними атомами основного вещества), в таком полупроводнике концентрация электронов оказывается значительно больше концентрации дырок (дырки образуются только в результате разрыва ковалентных связей между атомами основного вещества).
Полупроводники, в которых концентрация свободных электронов превышает концентрацию дырок, называются полупроводниками с электронной электропроводностью или полупроводниками п- типа.
Подвижные носители заряда, преобладающие в полупроводнике, называют основными. Соответственно те носители заряда, которые находятся в меньшем количестве, называются неосновными для данного типа полупроводника. В полупроводнике n-типа основными носителями заряда являются электроны, а неосновными — дырки.
1.4 Акцепторные примеси, полупроводники с дырочной
электропроводностью
Если в кристалле 4-валентного элемента часть атомов замещена атомами 3-валентного элемента (Ga, In), то для образования четырех ковалентных связей у примесного атома не хватает одного электрона. Этот электрон может быть получен от атома основного элемента полупроводника за счет разрыва ковалентной связи. Разрыв связи приводит к появлению дырки. Примеси, захватывающие валентные электроны, называют акцепторными или акцепторами.
Ввиду малого значения энергии активации акцепторов уже при комнатной температуре многие валентные электроны переходят на уровни акцепторов. Эти электроны, превращая примесные атомы в отрицательные ионы, теряют способность перемещаться по кристаллической решетке, а образовавшиеся при этом дырки могут участвовать в создании электрического тока.
За счет ионизации атомов исходного материала часть валентных электронов становится свободной. Однако свободных электронов значительно меньше, чем дырок. Поэтому дырки в таких полупроводниках являются основными, а электроны — неосновными подвижными носителями заряда. Такие полупроводники носят название полупроводников с дырочной электропроводностью или полупроводников р-типа.
1.5 Понятие р-п -перехода и факторы, влияющие на его свойства
Принцип действия большинства полупроводниковых приборов основан на физических явлениях, происходящих в области контакта твердых тел. При этом преимущественно используются контакты: полупроводник - полупроводник, металл - полупроводник, металл – диэлектрик - полупроводник. Если переход создается между полу проводниками n - типа и p -типа, то его называют электронно-дырочным или р-п - переходом (рис.1.1). Такой переход создается в одном кристалле полупроводника с использованием сложных технологических операций. Возможны различные исполнения р-n -перехода, отличающиеся: резкостью и уровнем изменения концентраций доноров и акцепторов на границе перехода, размером и формой самого перехода, а также наличием каких-либо неоднородностей в переходе.
В общем случае поведение реального р-n -перехода в состоянии покоя и при подключении внешнего напряжения различного уровня и полярности определяется множеством физических процессов, протекающих в полупроводнике. К ним относятся: термогенерация носителей, поверхностные утечки тока, падение напряжения на сопротивлении нейтральных областей полупроводника, возможности теплового и электрического пробоев и т.д.
На границе р-n -перехода имеет место скачкообразное изменение концентраций донорных и акцепторных примесей. Равновесные концентрации электронов и дырок в разных областях существенно отличаются. Поэтому на границе перехода происходит диффузия электронов из n -области в p -область, а дырок из p -области в n -область.
