pn-transición(n - negativo - negativo, electrónico, p - positivo - positivo, hueco), o transición electrón-hueco - una especie de homotransiciones, zona de unión p-n llamada región semiconductora, en la que hay un cambio espacial en el tipo de conductividad de la electrónica norte al agujero pags.
Una transición electrón-hueco se puede crear de varias maneras:
- en la mayor parte del mismo material semiconductor dopado en una parte con una impureza donante ( norte-región), y en el otro - aceptador ( pags-región);
- en el límite de dos semiconductores diferentes con diferentes tipos de conductividad.
Si pn- la transición se obtiene fusionando impurezas en un semiconductor monocristalino, luego la transición de norte- para R-la región se produce de forma abrupta (transición brusca). Si se usa la difusión de impurezas, se forma una transición suave.
diagrama de energía pn-transición. a) Estado de equilibrio b) Con tensión directa aplicada c) Con tensión inversa aplicada
Cuando dos áreas entran en contacto norte- Y pags- tipo debido al gradiente de concentración de los portadores de carga, la difusión de este último se produce en la región con el tipo opuesto de conductividad eléctrica. EN pags-región cerca del contacto, después de la difusión de los agujeros de ella, quedan aceptores ionizados no compensados (cargas fijas negativas), y en norte-regiones - donantes ionizados no compensados (cargas fijas positivas). Formado región de carga espacial(SCR), que consta de dos capas con carga opuesta. Entre cargas opuestas no compensadas de impurezas ionizadas, surge un campo eléctrico dirigido desde norte- área a pags-región y se llama campo eléctrico de difusión. Este campo evita una mayor difusión de los portadores principales a través del contacto: se establece un estado de equilibrio (en este caso, hay una pequeña corriente de los portadores principales debido a la difusión y la corriente de los portadores minoritarios bajo la acción del campo de contacto, estas corrientes se compensan entre sí). Entre norte- Y pags-áreas en este caso existe una diferencia de potencial, denominada diferencia de potencial de contacto. El potencial de la región n es positivo con respecto al potencial pags- áreas. Por lo general, la diferencia de potencial de contacto en este caso es décimas de voltio.
El campo eléctrico externo cambia la altura de la barrera y perturba el equilibrio de los flujos de portadores de corriente a través de la barrera. Si se aplica un potencial positivo a pags-región, entonces la barrera potencial disminuye (sesgo directo) y el SCR se estrecha. En este caso, a medida que aumenta la tensión aplicada, aumenta exponencialmente el número de portadoras mayoritarias capaces de superar la barrera. Tan pronto como estos transportistas hayan pasado p - norte-Transición, se vuelven menores. Por lo tanto, aumenta la concentración de portadores minoritarios a ambos lados de la unión (inyección de portadores minoritarios). simultáneamente en pags- Y norte-Las regiones a través de los contactos ingresan cantidades iguales de los portadores principales, provocando la compensación de los cargos de los portadores inyectados. Como resultado, la tasa de recombinación aumenta y aparece una corriente distinta de cero a través de la unión, que aumenta exponencialmente al aumentar el voltaje.
Aplicación de potencial negativo a pags-región (sesgo inverso) conduce a un aumento en la barrera potencial. La difusión de los portadores mayoritarios a través de la unión se vuelve insignificante. Al mismo tiempo, los flujos de transportistas minoritarios no cambian (no hay barrera para ellos). Los portadores de carga menores son atraídos hacia el campo eléctrico. pn-Transición y paso por ella a la comarca vecina (extracción de portadores menores). Los flujos de portadores minoritarios están determinados por la tasa de generación térmica de pares electrón-hueco. Estos vapores se difunden hacia la barrera y son separados por su campo, por lo que, a través de pn-flujos de corriente de transición Es(corriente de saturación), que suele ser pequeña y casi independiente del voltaje. Por lo tanto, la característica corriente-voltaje de la unión p-n tiene una no linealidad pronunciada. Al cambiar de signo tu el valor de la corriente a través de la unión puede variar por un factor de 10 5 - 10 6 veces. De este modo pn-se puede utilizar la union para rectificar corrientes alternas (diodo).
Características de voltios-amperios
Para derivar la dependencia de la magnitud de la corriente a través pn-transición de tensión de polarización externa V, debemos considerar las corrientes de electrones y huecos por separado. En lo que sigue, lo denotaremos con el símbolo j densidad de flujo de partículas y el símbolo j- densidad de corriente eléctrica; luego j mi = −eJ mi , j h = eJ h.
Características de voltios-amperios pn-transición. Es- corriente de saturación, arriba pr- cortocircuito.
En V= 0 tanto J e como J h desaparecen. Esto no significa, por supuesto, que no haya movimiento de portadores individuales a través de la unión, sino que un número igual de electrones (o huecos) se mueven en ambas direcciones. En V≠ 0 el equilibrio se rompe. Considere, por ejemplo, una corriente de agujero a través de una capa empobrecida. Incluye los siguientes dos componentes:
- Corriente de generación norte-áreas en pags- área de transición. Como su nombre lo indica, esta corriente se debe a agujeros generados directamente en norte- regiones de la capa empobrecida durante la excitación térmica de electrones de los niveles de la banda de valencia. Aunque la concentración de tales agujeros (portadores menores) en norte-la región es extremadamente pequeña en comparación con la concentración de electrones (portadores principales), estos juegan un papel importante en el transporte de corriente a través de la unión. Esto se debe a que cada agujero que ingresa a la capa de agotamiento se transfiere inmediatamente a pags- el área bajo la acción de un fuerte campo eléctrico que existe dentro de la capa. Como resultado, la magnitud de la corriente de generación generada no depende del valor del cambio de potencial en la capa empobrecida, ya que cualquier hueco que aparece en la capa se transfiere de norte-áreas en pags-región.
- Corriente de recombinación, es decir, la corriente del agujero que fluye desde pags-áreas en norte-región. El campo eléctrico en la capa de agotamiento se opone a esta corriente, y solo aquellos agujeros que golpean el límite de la capa de agotamiento, que tienen suficiente energía cinética para superar la barrera de potencial, contribuyen a la corriente de recombinación. El número de tales agujeros es proporcional a e −eΔФ/kT y por lo tanto
A diferencia de la corriente de generación, la corriente de recombinación es extremadamente sensible a la magnitud del voltaje aplicado. V. Podemos comparar las magnitudes de estas dos corrientes observando que en V= 0 no hay corriente total a través de la unión: J h rec (V = 0) = J h gen Resulta que J h rec = jhgen mi eV/kT. La corriente total del agujero que fluye desde pags-áreas en norte-región, es la diferencia entre las corrientes de recombinación y generación:
J h= J h rec − J h gen = J h gen(mi eV/kT − 1).
Una consideración similar se aplica a los componentes de la corriente de electrones, con el único cambio de que las corrientes de generación y recombinación de electrones se dirigen en dirección opuesta a las correspondientes corrientes de huecos. Dado que los electrones tienen cargas opuestas, las corrientes eléctricas de generación y recombinación de electrones coinciden en dirección con las corrientes eléctricas de generación y recombinación de huecos. Por lo tanto, la densidad de corriente eléctrica total es j = mi(J h gen + J e gen)(mi eV/kT − 1).
Capacidad pn-transición y respuesta de frecuencia
pn-la transición se puede considerar como un capacitor plano, cuyas placas son áreas norte- Y pags-Tipo fuera de la unión, y el aislador es la región del espacio de carga, empobrecido en los portadores de carga y que tiene una alta resistencia. Tal contenedor se llama barrera. Depende del voltaje externo aplicado, ya que el voltaje externo cambia la carga espacial. De hecho, un aumento en la barrera de potencial bajo polarización inversa significa un aumento en la diferencia de potencial entre norte- Y pags-áreas de un semiconductor y, por lo tanto, un aumento en sus cargas espaciales. Dado que las cargas espaciales son inmóviles y están asociadas con iones donantes y aceptores, un aumento en la carga espacial solo puede deberse a una expansión de su región y, en consecuencia, a una disminución en la capacitancia eléctrica de la unión. Dependiendo del área de unión, la concentración de dopante y el voltaje inverso, la capacitancia de la barrera puede tomar valores desde unidades hasta cientos de picofaradios. La capacitancia de barrera aparece en voltaje inverso; en voltaje continuo, es derivado por una pequeña resistencia pn-transición. Debido a la capacitancia de la barrera, los varicaps funcionan.
Además de la capacitancia de barrera pn-transición tiene un llamado capacidad de difusión. La capacidad de difusión está asociada con los procesos de acumulación y reabsorción de una carga en desequilibrio en la base y caracteriza la inercia del movimiento de cargas en desequilibrio en la región de la base. La capacitancia de difusión se debe al hecho de que un aumento en el voltaje a través pn-la transicion lleva a un aumento de la concentracion de portadores mayoritarios y minoritarios, es decir, a un cambio de cargo. La capacitancia de difusión es proporcional a la corriente a través pn-transición. Cuando se aplica una polarización directa, la capacitancia de difusión puede alcanzar decenas de miles de picofaradios.
Circuito equivalente pn-transición. cb- capacidad de la barrera, Discos compactos- capacidad de difusión, Real academia de bellas artes- resistencia diferencial pn-transición, r es la resistencia aparente de la base.
Capacidad total pn-la transición está determinada por la suma de las capacidades de barrera y de difusión. Circuito equivalente pn-transición en corriente alterna se muestra en la figura. En el circuito equivalente en paralelo con la resistencia diferencial pn-transición R y capacitancia de difusión incluida C d y capacidad de barrera DESDE B; la resistencia de volumen base está conectada en serie con ellos r. Con un aumento en la frecuencia del voltaje alterno aplicado a pn-transición, las propiedades capacitivas son cada vez más fuertes, Ra desviado por capacitancia, y la resistencia total pn-la transicion viene determinada por la resistencia a granel de la base. Así que a altas frecuencias pn-la transicion pierde sus propiedades lineales.
Desglose pn-transición
avería de diodo- este es el fenómeno de un fuerte aumento en la corriente inversa a través del diodo cuando el voltaje inverso alcanza un cierto valor crítico para un diodo dado. Dependiendo de los fenómenos físicos que conducen a la avería, hay averías de avalancha, de túnel, superficiales y térmicas.
- Desglose de avalancha(ionización por impacto) es el mecanismo de descomposición más importante pn-transición. El voltaje de avalancha define el límite superior del voltaje inverso de la mayoría de los diodos. La ruptura está asociada con la formación de una avalancha de portadores de carga bajo la acción de un fuerte campo eléctrico, en el que los portadores adquieren energías suficientes para formar nuevos pares electrón-hueco como resultado de la ionización por impacto de átomos semiconductores.
- avería del túnel Una transición electrón-hueco se denomina ruptura eléctrica de la transición causada por la tunelización mecánica cuántica de los portadores de carga a través de la banda prohibida de un semiconductor sin cambiar su energía. La formación de túneles de electrones es posible siempre que el ancho de la barrera potencial que deben superar los electrones sea lo suficientemente pequeño. Para la misma banda prohibida (para el mismo material), el ancho de la barrera de potencial está determinado por la intensidad del campo eléctrico, es decir, la pendiente de los niveles y bandas de energía. En consecuencia, las condiciones para la formación de túneles surgen solo con una cierta intensidad de campo eléctrico o con un cierto voltaje en la unión electrón-hueco, con un voltaje de ruptura. El valor de esta fuerza de campo eléctrico crítico es de aproximadamente 8∙10 5 V/cm para uniones de silicio y 3∙10 5 V/cm para uniones de germanio. Dado que la probabilidad de tunelización depende en gran medida de la fuerza del campo eléctrico, el efecto de tunelización aparece externamente como una ruptura del diodo.
- Ruptura superficial (corriente de fuga). Verdadero pn Las uniones tienen secciones que se extienden hasta la superficie del semiconductor. Debido a la posible contaminación y la presencia de cargas superficiales entre las regiones p y n, se pueden formar películas conductoras y canales conductores a través de los cuales fluye la corriente de fuga Iut. Esta corriente aumenta con el aumento de la tensión inversa y puede superar la corriente térmica I 0 y la corriente de generación I gen. La corriente Iut depende débilmente de la temperatura. Para reducir Iut, se utilizan recubrimientos de película protectora.
- descomposición térmica- se trata de una avería, cuyo desarrollo se debe a la liberación de calor en el empalme eléctrico rectificador debido al paso de corriente a través del empalme. Cuando se aplica un voltaje inverso, casi todo cae sobre pn unión a través de la cual fluye, aunque sea una corriente inversa pequeña. La energía generada provoca calor. pn unión y áreas adyacentes del semiconductor. Con una disipación de calor insuficiente, esta potencia provoca un mayor aumento de la corriente, lo que conduce a la avería. La ruptura térmica, a diferencia de las anteriores, es irreversible.
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Unión p-n (pe-en): una región del espacio en la unión de dos semiconductores de tipo p y n, en la que se produce una transición de un tipo de conductividad a otro, dicha transición también se denomina transición de hueco de electrón.
En total, hay dos tipos de semiconductores: tipos p y n. En tipo n, los principales portadores de carga son electrones , y en el tipo p, los principales están cargados positivamente agujeros Un hueco positivo surge después de la separación de un electrón de un átomo y se forma un hueco positivo en su lugar.
Para descubrir cómo funciona una unión p-n, debe estudiar sus componentes, es decir, un semiconductor de tipo p y tipo n.
Los semiconductores de tipo p y n se fabrican a base de silicio monocristalino, que tiene un grado de pureza muy alto, por lo que las más mínimas impurezas (menos del 0,001 %) modifican significativamente sus propiedades eléctricas.
En un semiconductor de tipo n, la mayoría de los portadores de carga son electrones . Para conseguir que usen impurezas del donante, que se introducen en el silicio,- fósforo, antimonio, arsénico.
En un semiconductor tipo p, la mayoría de los portadores de carga están cargados positivamente. agujeros . Para conseguir que usen aceptor de impurezas — aluminio, boro
Semiconductor tipo n (conductividad electrónica)
Un átomo de fósforo de impureza generalmente reemplaza al átomo principal en los sitios de la red cristalina. En este caso, cuatro electrones de valencia del átomo de fósforo se unen con cuatro electrones de valencia de los cuatro átomos de silicio vecinos, formando una capa estable de ocho electrones. El quinto electrón de valencia del átomo de fósforo está débilmente unido a su átomo y bajo la acción de fuerzas externas (vibraciones térmicas de la red, campo eléctrico externo) se libera fácilmente, creando aumento de la concentración de electrones libres . El cristal adquiere conductividad electrónica o conductividad tipo n . En este caso, el átomo de fósforo, desprovisto de un electrón, está rígidamente unido a la red cristalina de silicio por una carga positiva, y el electrón es una carga negativa móvil. En ausencia de fuerzas externas, se compensan entre sí, es decir, en silicio tipo nse determina el número de electrones de conducción libres el número de átomos de impurezas donantes introducidos.
Semiconductor tipo p (conductividad de orificio)
Un átomo de aluminio, que tiene solo tres electrones de valencia, no puede crear independientemente una capa estable de ocho electrones con átomos de silicio vecinos, ya que para esto necesita un electrón más, que toma de uno de los átomos de silicio ubicados cerca. Un átomo de silicio desprovisto de un electrón tiene una carga positiva y, dado que puede capturar un electrón de un átomo de silicio vecino, puede considerarse una carga positiva móvil, no asociada con la red cristalina, denominada hueco. Un átomo de aluminio que ha capturado un electrón se convierte en un centro con carga negativa unido rígidamente a la red cristalina. La conductividad eléctrica de dicho semiconductor se debe al movimiento de los agujeros, por lo que se denomina semiconductor de agujeros tipo p. La concentración de huecos corresponde al número de átomos de impurezas aceptoras introducidos.
Transición electrón-hueco ( pags–norte-unión) es una capa de transición entre dos regiones de un semiconductor con diferente conductividad eléctrica, en el que hay un campo eléctrico de difusión.
Las regiones están separadas por un plano donde cambia el tipo de impurezas predominantes y se denomina límite metalúrgico. Cerca del límite metalúrgico hay una capa sin portadores de carga móviles, donde están presentes átomos de impurezas ionizadas inmóviles (Fig. 3.1).
Arroz. 3.1. Transición de agujero de electrones
Los iones inmóviles en la capa empobrecida crean cargas eléctricas espaciales de polaridad positiva y negativa. Esto crea un campo eléctrico de difusión con fuerza mi diferencial y diferencia de potencial de contacto k. El valor del contacto
la diferencia de potencial depende de la concentración de la impureza aceptora
N / A, N D y temperaturas:
.
El espesor de la capa empobrecida también depende de la concentración de impurezas:
,
donde PERO es el coeficiente determinado por el material semiconductor.
3.2. corriente a través p-n- transición
Al otro lado de p-n-flujos de corriente de unión, que representan la suma de los componentes de difusión y deriva. La corriente de difusión está formada por los portadores de carga principales, cuyo movimiento se retarda por el campo de difusión. El aumento de la corriente de difusión aumenta la intensidad del campo. mi dif, diferencia de potencial de contacto y barrera de potencial. Esto resulta en una disminución de la corriente. Así se establece un equilibrio.
La corriente de deriva está formada por portadores de carga minoritarios, para los cuales el campo de difusión se acelera.
En el estado de equilibrio, la suma de las corrientes de difusión y deriva es igual a cero:
I diferencia + I dr = 0.
3.3. Conexión directa pags–norte-transición
Una conexión directa es una inclusión en la que el campo creado por el voltaje externo se dirige contra el campo de difusión (Fig. 3.2).
Arroz. 3.2. Conexión directa p-n-transición
Como resultado, la diferencia de potencial de contacto disminuye, la barrera de potencial disminuye y la corriente de los principales portadores de carga a través de la unión aumenta.
3.4. inclusión inversa pags – norte-transición
inclusión inversa pags – norte-transición se caracteriza por el hecho de que la intensidad del campo creado por el voltaje externo coincide en dirección con la intensidad del campo de difusión(Figura 3.3).
Arroz. 3.3. inclusión inversa pags–norte-transición
Como resultado, la diferencia de potencial de contacto aumenta, la barrera de potencial aumenta y la corriente de los principales portadores de carga a través de la unión disminuye.
3.5. (VACACIONES)
idealizado p-n- transición
Características de voltios-amperios pags–norte-la transicion es la dependencia de la corriente a traves de la transicion del voltaje que se le aplica.
Idealización p-n-transición es tomar lo siguiente
suposiciones
1. Áreas adyacentes a la transición pags Y norte caracterizado por una resistividad cero. Por lo tanto, se aplica un voltaje externo directamente a pags–norte-transición.
2. En la zona pags–norte-Transición, no existen procesos de generación y recombinación de portadores de carga libres. Luego, la corriente a través de la unión depende del voltaje externo aplicado a la unión. tu externo, es decir La característica corriente-voltaje se puede describir mediante la fórmula de Shockley:
,
donde I 0 - corriente térmica, que es creada por portadores de carga menores y depende de tres factores:
1) la concentración de portadores de carga menores, inversamente proporcional a la concentración de impurezas;
2) banda prohibida Cuanto más, menos
ella I 0 ;
3) temperatura. Con un aumento de la temperatura, aumenta la tasa de generación de portadores de carga y aumenta su concentración.
3.6. Diagrama de zona (energía)
p-n- transición
En tu ext = 0. El estado de equilibrio. El nivel de Fermi tiene un valor para toda la estructura (Fig. 3.4).
En tu ext 0. Conexión directa p-n-transición (Fig. 3.5).
Arroz. 3.4. Diagrama de bandas de equilibrio p-n-transición
Arroz. 3.5. Diagrama de zonas con conexión directa pags-norte-transición
En tu ext 0. Inclusión inversa p-n-transición (Fig. 3.6).
Arroz. 3.6. Diagrama de zonas al volver a encender pags–norte-transición
3.7. Diferencias CVC real
e idealizado p-n-transiciones
Verdadero p-n-las transiciones son, por regla general, asimétricas. En este caso, la concentración de impurezas en una región supera la concentración de impurezas en otra. El área con una mayor concentración se llama emisor, con una menor concentración, la base. Una concentración más baja de impurezas significa una conductividad eléctrica más baja y una resistividad más alta. Por lo tanto, en realidad p-n-las transiciones descuidan lo especifico
la resistencia base no es posible. Circuito equivalente del real
p-n-transición tiene la forma (Fig. 3.7).
Arroz. 3.7. Circuito equivalente del real p-n-transición
La segunda diferencia entre lo real p-n-la transición del idealizado es la presencia en la capa empobrecida de los procesos de generación y recombinación de portadores de carga. Por lo tanto, cuando se enciende de nuevo, la corriente a través de la unión no es constante, sino que depende del voltaje aplicado a la unión (Fig. 3.8).
Arroz. 3.8. La diferencia entre las características I–V del real pags–norte-transición de lo idealizado
La tercera diferencia es la presencia del fenómeno de ruptura en
inclusión inversa p-n-transición.
3.8. Desglose p-n-transición
La ruptura se manifiesta como un fuerte aumento en la corriente a través de
pags–norte-transición con un ligero cambio en el voltaje inverso aplicado.
Hay tres tipos de ruptura.
Ruptura de avalancha: ocurre debido a la reproducción de avalancha de portadores de carga minoritarios por ionización de impacto. El voltaje al que aparece aumenta con el aumento de la temperatura (Fig. 3.9).
Arroz. 3.9. CVC durante avería de avalancha
Ruptura de túnel: ocurre debido a la transición de electrones de un estado ligado a un estado libre sin impartirles energía adicional. Con el aumento de la temperatura, el voltaje de ruptura disminuye (Fig. 3.10).
Arroz. 3.10. CVC en rotura de túnel p-n-transición
La ruptura térmica es una ruptura, cuyo desarrollo se debe a la liberación de calor debido al paso de corriente a través de la transición. A diferencia de las avalanchas y los túneles, es irreversible, es decir, como resultado de una avería, la transición deja de funcionar. Con el aumento de la temperatura, el voltaje de ruptura disminuye (Fig. 3.11).
Arroz. 3.11. CVC durante la ruptura térmica p-n-transición
3.9. Dependencia de VCA pags–norte-transición
temperatura
A medida que aumenta la temperatura, la corriente a través p-n-transición con conexión directa aumenta debido a un aumento en la energía de los portadores de carga eléctrica, que, debido a esto, superan más fácilmente la barrera potencial.
Cuando se vuelve a encender p-n-transición con el aumento de la temperatura, la corriente a través de ella aumenta debido a un aumento en la tasa de generación de portadores de carga en la transición (Fig. 3.12).
Arroz. 3.12. Dependencia de VCA p-n-transición de temperatura
3.10. Dependencia de VCA p-n- transición de material semiconductor
Características de voltios-amperios pags– norte-la transición depende de la banda prohibida del diagrama de energía del material semiconductor.
Cuanto mayor sea la brecha de banda, menor será la tasa de generación térmica y menor será la concentración de portadores minoritarios que crean la corriente inversa. I 0 Por lo tanto, la corriente inversa es menor.
Con conexión directa pags– norte-transición, la corriente a través de ella será mayor, cuanto menor sea la brecha de banda. De hecho, la corriente a través pags– norte-transición se define como
.
Con valor creciente, la corriente I 0 disminuye y la corriente I también disminuye.
Para los materiales semiconductores más comunes Ge, Si y GaAs, las características I–V se relacionan de la siguiente manera (Fig. 3.13).
Arroz. 3.13. Dependencia de VCA p-n-transición
de la materia
3.11. Capacidad p-n-transición
En la capa agotada pags– norte-transicion, existen cargas espaciales, que estan formadas por las cargas de impurezas donadoras y aceptoras ionizadas. Estas cargas son iguales en magnitud y de signo opuesto. Por lo tanto, la capa de agotamiento es como un condensador. Dado que las cargas determinan la barrera de potencial, la capacitancia se denomina capacitancia de barrera. su valor es
Donde 
,
donde S- área p-n-transición, tu es el voltaje externo aplicado a la unión, norte= 0,5 para una transición brusca, norte= 0,3 para una transición suave.
La dependencia de la capacitancia de la barrera con el voltaje aplicado a la unión se denomina característica de capacitancia-voltaje (figura 3.14).
Con conexión directa p-n-transicion, se produce el proceso de inyeccion de portadores de carga menor. En cada región aparecen excesos de concentración de operadores minoritarios y, de acuerdo con la condición de neutralidad eléctrica, excesos de concentración de operadores mayoritarios iguales a ellos. Así, en norte Se encuentra que las regiones (como en un capacitor) tienen la misma cantidad de carga positiva de exceso de huecos (portadores minoritarios) y carga negativa de exceso de electrones (portadores mayoritarios). similar pags La región - se comporta como un condensador con una carga negativa de exceso de electrones (portadores minoritarios) y una carga positiva igual de exceso de huecos (portadores mayoritarios).
El proceso de acumulación de cargas en exceso generalmente se caracteriza por la capacidad de difusión, que tiene en cuenta el cambio en los portadores en exceso (huecos y electrones) en ambas regiones con un cambio en el voltaje.
La capacitancia de difusión está determinada por las corrientes de difusión directa de los agujeros. ip y electrones En(de ahí el nombre de la capacidad) y la vida útil de los transportistas minoritarios y:
.
Corrientes de difusión ip Y En crecer con el aumento de la tensión directa a través de pn-transición y desaparecer rápidamente en el reverso. Por lo tanto, la dependencia DESDE diferencial de voltaje repite aproximadamente el curso de la rama directa de la característica I-V p-n-transición.
Circuito equivalente p-n-transición, teniendo en cuenta sus propiedades capacitivas, se muestra en la fig. 3.15.
3.12. Contacto metal-semiconductor
Los contactos entre un semiconductor y un metal se utilizan ampliamente para formar conductores externos a partir de las regiones semiconductoras de los dispositivos y para crear diodos de alta velocidad. El tipo de contacto metal-semiconductor está determinado por la función de trabajo de los electrones del metal y el semiconductor, la corriente de conducción del semiconductor y la concentración de impurezas en él.
La función de trabajo de los electrones es la energía requerida para transferir electrones desde el nivel de Fermi hasta el techo de la zona libre superior.
En el caso de un contacto metal-semiconductor ideal y sin tener en cuenta los estados superficiales, los electrones se difunden predominantemente desde un material con una función de trabajo menor. Como resultado de la difusión y redistribución de cargas, se altera la neutralidad eléctrica de las regiones adyacentes a la interfaz, surge un campo eléctrico de contacto y una diferencia de potencial de contacto.
donde PERO metro, PERO n es la función de trabajo de los electrones del metal y el semiconductor.
La capa de transición en la que hay un campo eléctrico de contacto (o difusión) y que se forma como resultado del contacto entre un metal y un semiconductor se denomina transición de Schottky.
Dependiendo del tipo de conductividad eléctrica del semiconductor y de la relación de las funciones de trabajo, puede aparecer una capa empobrecida o enriquecida en el semiconductor. Si la función de trabajo en un metal es menor que la función de trabajo en un semiconductor PERO metro< PERO n, entonces es más probable que los electrones pasen del metal al semiconductor. Esto conduce a la formación de una capa empobrecida en el semiconductor, si el semiconductor pags-tipo, o incluso una capa inversa, si PERO metro<< PERO N. Si el semiconductor norte-tipo, se forma una capa enriquecida.
En capas empobrecidas, la carga espacial se forma como resultado de la violación de la compensación de la carga de impurezas ionizadas por parte de los portadores principales, y en capas enriquecidas, debido a la acumulación de los portadores de carga principales. La capa enriquecida provoca una baja resistencia de la región de contacto cercano del semiconductor en comparación con la resistencia de la mayor parte del semiconductor. Por lo tanto, tal transición no tiene propiedades rectificadoras y forma un contacto óhmico. En presencia de una capa empobrecida o inversa, la unión Schottky tiene propiedades rectificadoras, ya que el voltaje externo, al caer principalmente en una unión de alta resistencia, cambiará la altura de su barrera potencial, cambiando las condiciones para el paso de los portadores de carga a través de la Unión.
Un rasgo característico de la transición rectificadora de Schottky, en contraste con p-n-la transicion es una altura diferente de las barreras de potencial para electrones y huecos. Como resultado, es posible que no se inyecten portadores de carga minoritarios en el semiconductor a través de la unión Schottky. Por lo tanto, no se acumulan y no hay necesidad de su reabsorción. De ahí la alta velocidad de la transición de Schottky.
heterouniones
Una heterounión es una capa de transición en la que existe un campo eléctrico de difusión entre dos semiconductores de distinta composición química.
El ancho de las bandas eléctricas de diferentes semiconductores es diferente. Por lo tanto, en la interfaz entre dos semiconductores (en el contacto metalúrgico de la heterounión), se obtiene una discontinuidad de la parte inferior de la banda de conducción y la parte superior de la banda de valencia. Como resultado de las discontinuidades, la altura de las barreras potenciales para electrones y huecos en la heterounión resulta ser diferente. Esta es una característica de las heterouniones, que determina las propiedades específicas de las heterouniones, en contraste con pags–norte-transiciones.
Las heterouniones pueden estar formadas por semiconductores con diferentes tipos de conductividad: pags–norte, pags–pags, norte–norte. Según el tipo de conductividad y la banda prohibida de los diagramas de energía, la corriente a través de la unión puede determinarse tanto por electrones como por huecos. Por ejemplo, a través del contacto de germanio pags-tipo y arseniuro de galio norte-tipo fluye principalmente corriente electrónica (Fig. 3.16).
Arroz. 3.16. El diagrama de bandas de la transición Ge ( pags-tipo) – GaAs ( norte-escribe)
A través de la transición de germanio. pags-tipo, arseniuro de galio pags-tipo fluye principalmente corriente de agujero (Fig. 3.17).
Arroz. 3.17. El diagrama de bandas de la transición Ge ( pags-tipo) – GaAs ( pags-escribe)
Para formar una heterounión de alta calidad, es necesario hacer coincidir el tipo, la orientación y el período de las redes cristalinas de los semiconductores en contacto para que la red cristalina de un semiconductor pase con un número mínimo de violaciones a la red cristalina de otro semiconductor. Los más utilizados en dispositivos semiconductores son las heterouniones entre semiconductores a base de arseniuros, fosfuros y antimoniuros de galio y aluminio. Debido a la proximidad de los radios covalentes del galio y el aluminio, se producen cambios en la composición química de los semiconductores en una heterounión sin cambiar el período de la red cristalina. Las heterouniones también se crean sobre la base de soluciones sólidas de múltiples componentes, en las que el período de la red no cambia cuando la composición cambia en un amplio rango.
3.14. Estructura metal-aislante-semiconductor
Las estructuras de metal-dieléctrico-semiconductor (MIS) forman la base de los transistores MIS de efecto de campo, dispositivos fotovoltaicos, capacitores controlados por voltaje y también se usan ampliamente en circuitos integrados.
La estructura MIS más simple contiene un cristal semiconductor: un sustrato, una capa dieléctrica, un electrodo de metal, una puerta, un contacto óhmico con el sustrato (Fig. 3.17).
Arroz. 3.17. La estructura MIS más simple
La estructura tiene dos salidas: una puerta y un contacto con el sustrato y es un capacitor MIS, cuya capacitancia depende del voltaje. tu entre la puerta y la salida del sustrato.
El voltaje de puerta crea un campo eléctrico que penetra a través de una delgada capa dieléctrica (0.03 ... 0.1 μm) hacia la capa cercana a la superficie del semiconductor, donde cambia la concentración del portador. Dependiendo del valor del voltaje, se observan modos de enriquecimiento, empobrecimiento o inversión.
El circuito equivalente de la estructura MIS se puede representar mediante la conexión en serie de dos condensadores. DISCOS COMPACTOS es la capacitancia del dieléctrico y con g:
donde J p es la densidad de carga de los iones de impureza no compensados y los portadores de carga móviles en el semiconductor, j sur es el voltaje en la capa superficial del semiconductor, S- área de la puerta.
La estructura MIS más utilizada se basa en silicio, donde el dieléctrico es dióxido de silicio y la puerta es una película de aluminio.
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Según su capacidad para conducir la corriente eléctrica, los sólidos se dividieron originalmente en conductores y dieléctricos. Más tarde se notó que algunas sustancias conducen la corriente eléctrica peor que los conductores, pero tampoco pueden atribuirse a los dieléctricos. Se destacaron en un grupo separado de semiconductores. Diferencias características entre semiconductores y conductores:
- Dependencia significativa de la conductividad de los semiconductores en la temperatura.
- Una fuerte influencia en la conductividad de los semiconductores, incluso una pequeña cantidad de impurezas.
- Influencia en su conductividad de diversas radiaciones (luz, radiación, etc.). De acuerdo con estas características, los semiconductores están más cerca de los dieléctricos que de los conductores.
Para la producción de dispositivos semiconductores, se utilizan principalmente germanio, silicio y arseniuro de galio. El germanio es un elemento raro, disperso en la naturaleza, el silicio, por el contrario, es muy común. Sin embargo, no se encuentra en forma pura, sino únicamente en forma de compuestos con otros elementos, principalmente oxígeno. El arseniuro de galio es un compuesto de arsénico con galio. Se ha utilizado relativamente recientemente. En comparación con el germanio y el silicio, el arseniuro de galio se ve menos afectado por la temperatura y la radiación.
Para comprender el mecanismo de funcionamiento de los dispositivos semiconductores, primero debe familiarizarse con la conductividad en los semiconductores y el mecanismo para la formación de p.
-n saltos.Los semiconductores más utilizados son el germanio y el silicio. Pertenecen al grupo IV del sistema periódico de Mendeleev. La capa exterior de un átomo de germanio (o silicio) tiene 4 electrones de valencia. Cada uno de ellos forma enlaces covalentes con los cuatro átomos vecinos. Están formados por dos electrones, cada uno de los cuales pertenece a uno de los átomos vecinos. Los enlaces par-electrón son muy estables, por lo tanto, cada par de electrones está firmemente unido a su par atómico y no puede moverse libremente en el volumen de un semiconductor. Esto es cierto para un semiconductor químicamente puro a una temperatura cercana a 0 K
(cero absoluto). A medida que aumenta la temperatura, los átomos del semiconductor comienzan a realizar un movimiento oscilatorio térmico. La energía de este movimiento se transfiere a los electrones, y para algunos de ellos resulta suficiente para desprenderse de sus átomos. Estos átomos se convierten en iones positivos y los electrones separados pueden moverse libremente, es decir, convertirse en portadores actuales. Para ser más precisos, la salida de un electrón conduce a la ionización parcial de 2 átomos vecinos. La única carga positiva que aparece en este caso no debe atribuirse a este o aquel átomo, sino a la violación del enlace par-electrón dejado por el electrón. La ausencia de un electrón en un enlace se llama hueco. Un hueco tiene una carga positiva igual en valor absoluto a la carga de un electrón. El hueco puede ser ocupado por uno de los electrones del enlace vecino, formando así un hueco en el enlace vecino. La transición de un electrón de un enlace a otro corresponde al movimiento de un hueco en dirección opuesta. En la práctica, es más conveniente considerar el movimiento continuo de una carga positiva que el movimiento secuencial de electrones de enlace a enlace. La conducción que ocurre en el volumen de un semiconductor debido a la ruptura de enlaces se llama propia conductividad. Hay dos tipos de conductividad: tipo n y tipo p (de las palabras negativo - negativo, positivo - positivo). La conductividad n - tipo se llama electrónica, y p - tipo - agujero.
Tenga en cuenta que la ruptura de los enlaces de valencia puede ocurrir no solo debido a la energía térmica, sino también debido a la energía de la luz o la energía del campo eléctrico.
Todo lo que hemos considerado se aplica a los semiconductores puros, es decir. a semiconductores sin impurezas. La introducción de impurezas cambia las propiedades eléctricas del semiconductor. Los átomos de impurezas en la red cristalina toman el lugar de los átomos principales y forman enlaces de pares de electrones con los átomos vecinos. Si un átomo de una sustancia que pertenece al grupo V del sistema periódico de elementos (por ejemplo, un átomo de arsénico) se introduce en la estructura de un semiconductor puro (germanio), entonces este átomo también formará enlaces con átomos de germanio vecinos. Pero los átomos del grupo V tienen 5 electrones de valencia en la capa exterior. Cuatro de ellos forman enlaces estables de pares de electrones, y el quinto será superfluo. Este exceso de electrones está mucho más débilmente unido a su átomo, y se necesita menos energía para arrancarlo del átomo que para liberar el electrón del enlace del par de electrones. Además, la transformación de dicho electrón en un portador de carga libre no está asociada con la formación simultánea de un hueco. El escape de un electrón de la capa exterior de un átomo de arsénico lo convierte en un ion positivo. Entonces ya podemos hablar de la ionización de este átomo, esta carga positiva no se moverá, es decir no es un agujero.
Con un aumento en el contenido de arsénico en un cristal de germanio, el número de electrones libres aumenta sin que aumente el número de huecos, como ocurría con la conductividad intrínseca. Si la concentración de electrones excede significativamente la concentración de huecos, entonces los electrones serán los principales portadores de corriente. En este caso, el semiconductor se denomina semiconductor de tipo n. Ahora introduzcamos un átomo del grupo III, por ejemplo, un átomo de indio, en un cristal de germanio. Tiene tres electrones de valencia. Forma enlaces estables con tres átomos de germanio. El cuarto enlace permanece vacío, pero no tiene carga, por lo que el átomo de indio y el átomo de germanio adyacente a él permanecen eléctricamente neutros. Ya con una ligera excitación térmica, un electrón de uno de los enlaces de pares de electrones vecinos puede entrar en este cuarto enlace.
¿Lo que sucederá? Aparecerá un electrón adicional en la capa exterior de indio, el átomo se convierte en un ion negativo. La neutralidad eléctrica se romperá en el enlace par-electrón del que procede el electrón. Aparecerá una carga positiva: un agujero en este enlace roto. Con un aumento en el contenido de indio, la cantidad de agujeros aumentará y se convertirán en los principales portadores de carga. En este caso, el semiconductor se denomina semiconductor de tipo p.
Transición electrón-hueco (transición p - n).
La transición p - n se denomina región ubicada en la interfaz entre el orificio y las regiones de electrones de un cristal. La transición no se crea mediante un simple contacto de obleas semiconductoras de tipo p y n. Se crea en un cristal mediante la introducción de dos impurezas diferentes, lo que crea regiones de electrones y huecos en él.
Figura 1. El mecanismo de formación y acción de la transición p - n.
a) Portadores mayoritarios y minoritarios en las regiones del semiconductor.
b – formación de unión p – n.
(c) dirección de la corriente de difusión y corriente de conducción.
unión d - p–n bajo la acción de una tensión inversa externa.
1 - electrones; 2 - agujeros; 3 – interfaz; 4 - iones inmóviles.
Considere un semiconductor en el que hay dos regiones: electrón y hueco. En el primero hay una alta concentración de electrones; en el segundo, una alta concentración de huecos. De acuerdo con la ley de ecualización de la concentración, los electrones tienden a moverse (difundirse) desde la región n, donde su concentración es mayor en la región p, los agujeros, por el contrario. Este movimiento de cargas se llama difusión. La corriente que surge en este caso es la difusión. Las concentraciones se igualarían hasta que los huecos y los electrones se distribuyeran uniformemente, pero esto se ve obstaculizado por las fuerzas del campo eléctrico interno emergente. Los huecos que salen de la región p dejan átomos ionizados negativamente en ella, y los electrones que salen de la región n dejan átomos ionizados positivamente. Como resultado, la región del hueco se carga negativamente, mientras que la región del electrón se carga positivamente. Entre las regiones hay un campo eléctrico creado por dos capas de cargas.
Así, cerca de la interfaz entre las regiones electrónica y de huecos de un semiconductor, aparece una región que consta de dos capas de cargas de signo opuesto, que forman la denominada unión p-n. Se establece una barrera potencial entre las regiones p y n. En el caso bajo consideración, un campo eléctrico E actúa dentro de la unión p – n formada, creada por
dos capas de cargas opuestas. Si la dirección de los electrones que han caído en el campo eléctrico coincide con este, entonces los electrones se desaceleran. Para los agujeros, lo contrario es cierto. Así, debido al campo eléctrico emergente, el proceso de difusión se detiene. Puede verse en la figura 1 que tanto en la región n como en la región p hay portadores de carga principales y secundarios. Los portadores minoritarios se forman por conducción intrínseca. Los electrones de la región p, al realizar un movimiento caótico térmico, caen en el campo eléctrico de la unión p-n y se transfieren a la región n. Lo mismo sucede con los agujeros en la región n. La corriente formada por los portadores mayoritarios se denomina corriente de difusión, y las no fundamentales se denominan corriente de conducción. Estas corrientes están dirigidas una hacia la otra, y dado que la corriente total en un conductor aislado es cero, son iguales. Apliquemos ahora un voltaje externo a la transición con un positivo en la región n y un negativo en la región p. El campo creado por una fuente externa mejorará el efecto de la transición del campo interno p - n. La corriente de difusión disminuirá a cero a medida que los electrones de la región n y los huecos de la región p sean arrastrados desde la unión p-n hacia los contactos externos, lo que hace que la unión p-n se expanda. Solo la corriente de conducción pasa a través de la unión, lo que se denomina corriente inversa. Consiste en corrientes de conducción de electrones y huecos. El voltaje aplicado de esta manera se llama voltaje inverso. La dependencia de la corriente con respecto al voltaje se muestra en la figura.
Arroz. Característica corriente-voltaje de la unión p-n. 2 - rama recta; 1 - rama inversa.
Si se aplica un voltaje externo con un positivo en la región p y un negativo en la región n, entonces el campo eléctrico de la fuente se dirigirá hacia el campo de la unión p - n y debilitará su efecto. Esto aumentará la corriente de difusión (continua) (2). Este fenómeno es la base para el funcionamiento de un diodo semiconductor.
La gran mayoría de los dispositivos semiconductores modernos funcionan debido a los fenómenos que ocurren en los límites mismos de los materiales con diferentes tipos de conductividad eléctrica.
Los semiconductores son de dos tipos: n y p. Una característica distintiva de los materiales semiconductores de tipo n es que tienen carga negativa. electrones. En los materiales semiconductores de tipo p, el llamado agujeros que están cargados positivamente. Aparecen después de que el átomo se rompe. electrón, y por eso se forma una carga positiva.
Los monocristales de silicio se utilizan para fabricar materiales semiconductores de tipo n y tipo p. Su característica distintiva es un grado extremadamente alto de pureza química. Es posible cambiar significativamente las propiedades electrofísicas de este material introduciendo en él impurezas bastante insignificantes, a primera vista.
El símbolo "n" utilizado en la designación de semiconductores proviene de la palabra " negativo» (« negativo"). Los principales portadores de carga en los materiales semiconductores de tipo n son electrones. Para obtenerlos, se introducen en el silicio las llamadas impurezas donantes: arsénico, antimonio, fósforo.
El símbolo "p", utilizado en la designación de semiconductores, proviene de la palabra " positivo» (« positivo"). Los principales portadores de carga en ellos son agujeros. Para obtenerlos se introducen en el silicio las denominadas impurezas aceptoras: boro, aluminio.
Número de gratis electrones y número agujeros en un cristal semiconductor puro es exactamente lo mismo. Por lo tanto, cuando un dispositivo semiconductor está en un estado de equilibrio, entonces cada una de sus regiones es eléctricamente neutra.
Tomemos como punto de partida que la región n está estrechamente relacionada con la región p. En tales casos, se forma una zona de transición entre ellos, es decir, un cierto espacio que se agota en los cargos. También es llamado " capa de barrera", donde agujeros Y electrones sufrir una recombinación. Así, en la unión de dos semiconductores que tienen diferentes tipos de conductividad, se forma una zona, llamada Unión PN.
En el punto de contacto de los semiconductores de varios tipos, los agujeros de la región de tipo p siguen parcialmente a la región de tipo n y los electrones, respectivamente, en la dirección opuesta. Por lo tanto, un semiconductor de tipo p tiene carga negativa y un semiconductor de tipo n tiene carga positiva. Sin embargo, esta difusión dura solo mientras el campo eléctrico que surge en la zona de transición no comienza a interferir con él, como resultado de lo cual el movimiento y e electrones, Y agujeros se detiene
En dispositivos semiconductores disponibles comercialmente para su uso Unión PN se le debe aplicar un voltaje externo. Dependiendo de cuál será su polaridad y valor, dependerá el comportamiento de la transición y la corriente eléctrica que pasa directamente por ella. Si el polo positivo de la fuente de corriente está conectado a la región p y el polo negativo está conectado a la región n, entonces hay una conexión directa Unión PN. Si se cambia la polaridad, surgirá una situación llamada inclusión inversa. Unión PN.
Conexión directa
Cuando se realiza una conexión directa Unión PN, luego, bajo la influencia de un voltaje externo, se crea un campo en él. Su dirección con respecto a la dirección del campo eléctrico de difusión interna es opuesta. Como resultado, la fuerza del campo resultante disminuye y la capa de barrera se estrecha.
Como resultado de tal proceso, un número considerable de portadores de carga principales pasan a la región vecina. Esto significa que de la región p a la región n la corriente eléctrica resultante fluirá agujeros, y en la dirección opuesta - electrones.
inclusión inversa
cuando se invierte Unión PN, luego, en el circuito resultante, la intensidad de la corriente es significativamente menor que con la conexión directa. El hecho es que agujeros de la región n seguirán a la región p, y los electrones de la región p a la región n. La baja intensidad de corriente se debe al hecho de que en la región p hay poca electrones, y en la región n, respectivamente, agujeros.
