p-n-övergång(n - negativ - negativ, elektronisk, p - positiv - positiv, hål), eller elektron-hål-övergång - en typ av homojunction, Zon p-n korsning A kallas det område av en halvledare där det finns en rumslig förändring i typen av konduktivitet från elektronisk n till hålet sid.
En elektron-hål-övergång kan skapas på olika sätt:
- i volymen av samma halvledarmaterial, dopad i en del med en donatorförorening ( n-region), och i den andra - acceptor ( sid-område);
- i gränssnittet mellan två olika halvledare med olika typer ledningsförmåga.
Om p-n- övergången erhålls genom att smälta föroreningar till en enkristallhalvledare, sedan övergången från n- Till R-området uppstår abrupt (skarp övergång). Om diffusion av föroreningar används, bildas en mjuk övergång.
Energidiagram p-n-övergång. a) Jämviktstillstånd b) Med pålagd framspänning c) Med pålagd backspänning
När två områden kommer i kontakt n- Och sid- typ, på grund av koncentrationsgradienten av laddningsbärare sker diffusion av de senare i områden med motsatt typ av elektrisk ledningsförmåga. I sid- området nära kontakten efter spridningen av hål från den, kvarstår okompenserade joniserade acceptorer (negativa stationära laddningar), och i n-regioner - okompenserade joniserade donatorer (positiva stationära laddningar). Bildas rymdladdningsregion(SCR), bestående av två motsatt laddade lager. Mellan okompenserade motsatta laddningar av joniserade föroreningar uppstår ett elektriskt fält, riktat från n-områden till sid-region och kallas det diffusionselektriska fältet. Detta fält förhindrar ytterligare diffusion av majoritetsbärarna genom kontakten - ett jämviktstillstånd upprättas (i detta fall finns det en liten ström av majoritetsbärarna på grund av diffusion och en ström av minoritetsbärare under påverkan av kontaktfältet, dessa strömmar kompenserar varandra). Mellan n- Och sid-regioner finns det en potentialskillnad som kallas kontaktpotentialskillnaden. Potentialen i n-regionen är positiv med avseende på potentialen sid-regioner Typiskt är kontaktpotentialskillnaden I detta fallär tiondels volt.
Ett externt elektriskt fält ändrar höjden på barriären och stör balansen mellan strömbärarflöden genom barriären. Om en positiv potential appliceras på sid-region, då minskar den potentiella barriären (direkt förskjutning), och SCR smalnar av. I detta fall, med ökande pålagd spänning, ökar antalet majoritetsbärare som kan övervinna barriären exponentiellt. När dessa bärare har passerat p - n-övergång, de blir oväsentliga. Därför ökar koncentrationen av minoritetsbärare på båda sidor om korsningen (injektion av minoritetsbärare). Samtidigt in sid- Och n-regioner genom kontakterna anger lika stora mängder huvudbärare, vilket orsakar kompensation för laddningarna för de injicerade bärarna. Som ett resultat ökar rekombinationshastigheten och en ström som inte är noll uppträder genom korsningen, som ökar exponentiellt med ökande spänning.
Tillämpning av negativ potential till sid-region (omvänd bias) leder till en ökning av den potentiella barriären. Spridningen av majoritetsbärare genom korsningen blir försumbar. Samtidigt förändras inte flödena av minoritetsbärare (det finns ingen barriär för dem). Minoritetsladdningsbärare attraheras av det elektriska fältet in i p-n-korsning och passera genom den till den angränsande regionen (utvinning av minoritetsbärare). Minoritetsbärarflöden bestäms av hastigheten för termisk generering av elektron-hål-par. Dessa par diffunderar till barriären och separeras av dess fält, vilket resulterar i p-n- kopplingsström flyter Är(mättnadsström), som vanligtvis är liten och nästan oberoende av spänning. Således har ström-spänningskarakteristiken för p-n-övergången en uttalad olinjäritet. Vid byte av skylt U värdet på strömmen genom korsningen kan ändras med 10 5 - 10 6 gånger. Därigenom p-n- kopplingen kan användas för att likrikta växelströmmar (diod).
Volt-ampere egenskaper
För att härleda beroendet av det aktuella värdet genom p-n-övergång från extern förspänning V, måste vi betrakta elektron- och hålströmmar separat. I det följande kommer vi att beteckna med symbolen J partikelflödestäthet och symbol j- elektrisk strömtäthet; Sedan j e = −eJ e , j h = eJ h.
Volt-ampere egenskaper p-n-övergång. Är- mättnadsström, U pr- genombrottsspänning.
På V= 0 både J e och J h försvinner. Detta betyder naturligtvis inte att det inte finns någon rörelse av enskilda bärare genom korsningen, utan bara att lika många elektroner (eller hål) rör sig i båda riktningarna. På V≠ 0 balansen är störd. Betrakta till exempel en hålström genom ett utarmningsskikt. Den innehåller följande två komponenter:
- Generationsström n-regioner i sid-övergångsområde. Som namnet antyder orsakas denna ström av hål som genereras direkt i n-utarmningsskiktområdet under termisk excitation av elektroner från valensbandsnivåer. Även om koncentrationen av sådana hål (minoritetsbärare) i n-områdena är extremt små jämfört med koncentrationen av elektroner (majoritetsbärare) de spelar viktig roll vid strömöverföring genom korsningen. Detta händer eftersom varje hål som kommer in i utarmningsskiktet omedelbart överförs till sid-område under påverkan av ett starkt elektriskt fält som finns inuti lagret. Som ett resultat beror storleken på den resulterande genereringsströmmen inte på värdet av potentialändringen i utarmningsskiktet, eftersom alla hål som finns i skiktet överförs från n-regioner i sid-område.
- Rekombinationsström det vill säga hålströmmen som flyter från sid-regioner i n-område. Det elektriska fältet i utarmningsskiktet motverkar denna ström, och endast de hål som når utarmningsskiktets gräns med tillräcklig kinetisk energi för att övervinna potentialbarriären bidrar till rekombinationsströmmen. Antalet sådana hål är proportionellt mot t.ex −eΔФ/kT och därför
Till skillnad från genereringsströmmen är rekombinationsströmmen extremt känslig för storleken på den pålagda spänningen V. Vi kan jämföra storleken på dessa två strömmar genom att notera att när V= 0 det finns ingen total ström genom korsningen: Jh rec (V = 0) = Jh gen Det följer att J h rek = J h gen e eV/kT. Total hålström som flyter från sid-regioner i n-region representerar skillnaden mellan rekombinations- och genereringsströmmarna:
J H= J h rec − J h gen = J h gen(t.ex eV/kT − 1).
Ett liknande övervägande är applicerbart på komponenterna i elektronströmmen med den enda förändringen att genererings- och rekombinationsströmmar av elektroner är riktade motsatta motsvarande hålströmmar. Eftersom elektroner har motsatta laddningar, sammanfaller de elektriska strömmarna för generering och rekombination av elektroner i riktning med de elektriska strömmarna för generering och rekombination av hål. Därför den totala densiteten elektrisk ström Det finns j = e(J h gen + J e gen)(t.ex eV/kT − 1).
Kapacitet p-n-övergångs- och frekvensegenskaper
p-n-junction kan betraktas som en platt kondensator, vars plattor är regionerna n- Och sid-typ utanför övergången, och isolatorn är rymdladdningsregionen, utarmad på laddningsbärare och med hög resistans. Denna kapacitet kallas barriär. Det beror på den externa applicerade spänningen, eftersom extern spänning ändrar rymdladdningen. Faktum är att en ökning av potentialbarriären under omvänd bias innebär en ökning av potentialskillnaden mellan n- Och sid-regioner av halvledaren, och följaktligen en ökning av deras volymetriska laddningar. Eftersom rymdladdningar är stationära och förknippade med donator- och acceptorjoner, kan en ökning av rymdladdningen endast bero på en expansion av dess region och följaktligen en minskning av den elektriska kapacitansen i korsningen. Beroende på korsningsområdet, dopämneskoncentration och omvänd spänning kan barriärkapacitansen ta värden från enheter till hundratals picofarads. Barriärkapacitans uppträder vid omvänd spänning; med likspänning shuntas den med lågt motstånd p-n-övergång. Varicaps fungerar på grund av barriärkapacitansen.
Förutom barriärkapacitet p-n– övergången har den sk diffusionskapacitet. Diffusionskapacitet är associerad med processerna för ackumulering och resorption av icke-jämviktsladdning i basen och kännetecknar trögheten för rörelsen av icke-jämviktsladdningar i basområdet. Diffusionskapaciteten beror på att en ökning av spänningen med p-n-övergången leder till en ökning av koncentrationen av majoritets- och minoritetsbärare, det vill säga en förändring av ansvaret. Storleken på diffusionskapacitansen är proportionell mot genomströmmen p-n-övergång. När framåtförspänning appliceras kan diffusionskapacitansen nå tiotusentals picofarads.
Ekvivalent krets p-n-övergång. Cb- barriärkapacitet, CD- diffusionskapacitet, R a- differentiellt motstånd p-n-övergång, r- basens volymetriska motstånd.
Total kapacitet p-n-övergången bestäms av summan av barriär- och diffusionskapacitanserna. Ekvivalent krets p-n-övergång på växelström visas i figuren. I den ekvivalenta kretsen, parallellt med differentialresistansen p-n-övergång R och inkluderad diffusionskapacitans C d och barriärkapacitet MED b; basvolymmotståndet är seriekopplat med dem r. Med ökande frekvens av växelspänning applicerad på p-n-övergång, kapacitiva egenskaper blir mer och mer uttalade, R a shuntas av kapacitans och det totala motståndet p-n-övergången bestäms av basens volymmotstånd. Alltså vid höga frekvenser p-n- övergången förlorar sina linjära egenskaper.
Bryta ner p-n-övergång
Diodnedbrytning- detta är fenomenet med en kraftig ökning av backströmmen genom dioden när backspänningen når ett visst kritiskt värde för en given diod. Beroende på fysiska fenomen, vilket leder till haveri, skiljer mellan lavin-, tunnel-, yt- och termisk haveri.
- Lavinsammanbrott(stötjonisering) är den viktigaste nedbrytningsmekanismen p-n-övergång. Lavinavbrottsspänningen bestämmer den övre gränsen för backspänningen för de flesta dioder. Nedbrytning är förknippad med bildandet av en lavin av laddningsbärare under påverkan av ett starkt elektriskt fält, där bärarna får energier som är tillräckliga för bildandet av nya elektron-hålpar som ett resultat av stötjonisering av halvledaratomer.
- Tunnelhaveri elektron-hål-övergång är det elektriska nedbrytningen av en övergång orsakad av kvantmekanisk tunnling av laddningsbärare genom bandgapet i en halvledare utan att ändra deras energi. Elektrontunneling är möjlig förutsatt att bredden på potentialbarriären som elektroner behöver övervinna är tillräckligt liten. För samma bandgap (för samma material) bestäms bredden på den potentiella barriären av den elektriska fältstyrkan, det vill säga lutningen energinivåer och zoner. Följaktligen uppstår villkor för tunnling endast vid en viss elektrisk fältstyrka eller vid en viss spänning vid elektron-hålsövergången - vid en genomslagsspänning. Värdet på denna kritiska elektriska fältstyrka är ungefär 8∙10 5 V/cm för kiselövergångar och 3∙10 5 V/cm för germaniumövergångar. Eftersom sannolikheten för tunnling mycket starkt beror på den elektriska fältstyrkan, yttrar sig tunneleffekten externt som ett sammanbrott av dioden.
- Ytnedbrytning (läckström). Verklig p-n-övergångar har sektioner som sträcker sig till ytan av halvledaren. På grund av eventuell kontaminering och närvaron av ytladdningar mellan p- och n-regionerna kan ledande filmer och ledande kanaler bildas, genom vilka en läckström I flyter. Denna ström ökar med ökande backspänning och kan överskrida den termiska strömmen I 0 och genereringsströmmen I gen. Den nuvarande Iut beror svagt på temperaturen. För att minska I ut används skyddande filmbeläggningar.
- Termiskt sammanbrott- detta är ett haveri, vars utveckling beror på frigörandet av värme i den likriktande elektriska kopplingen på grund av strömpassage genom kopplingen. När omvänd spänning appliceras sjunker nästan allt till p-n- en korsning genom vilken det finns, om än en liten, backström. Den frigjorda kraften orsakar uppvärmning p-n-övergång och angränsande områden av halvledaren. Om det inte finns tillräcklig värmeavledning orsakar denna effekt en ytterligare ökning av strömmen, vilket leder till haveri. Termisk nedbrytning, till skillnad från de tidigare, är irreversibel.
Ansökan
- Zenerdioder (zenerdioder)
- Lysdioder (Henry Round Diodes)
Wikimedia Foundation. 2010.
Se vad en "P-n-korsning" är i andra ordböcker:
Övergång är processen att flytta från en position eller stat till en annan; samt en plats lämplig eller avsedd för sådan rörelse: Innehåll 1 I konstruktion 2 Rörelse 3 I fysik ... Wikipedia
En av de huvudsakliga materialismens lagar dialektik, enligt vilken en förändring i kvaliteten på ett objekt inträffar när ackumulering av kvantiteter. förändringar når en viss nivå. begränsa. Denna lag avslöjar den mest allmänna utvecklingsmekanismen... ... Filosofisk uppslagsverk
Övergång, m. 1. endast enheter. Handling enligt verb. gå–gå (1). Övergången från Moskva till Kolomna varade i flera timmar. Befälhavaren Suvorovs övergång genom Alperna. Korsar floden. Går vidare till nästa sak. Övergång till självfinansiering. Gå till… … Lexikon Ushakova
Byter till "vintertid".- på Ryska federationens territorium genomförs den sista söndagen i oktober klockan 3:00 lokal tid genom att flytta tillbaka klockan en timme. För första gången flyttade klockan fram en timme på sommaren och en timme bakåt på vintern för att spara energi... ... Encyclopedia of Newsmakers
Övergång till "vinter" och "sommar" tid- Ryssland 30 år efter införandet av övergången till vinter / sommartid har övergett denna praxis sedan hösten 2011, kommer ryssarna inte att flytta tillbaka sina klockor en timme, sa Rysslands president Dmitrij Medvedev på tisdagen. Byter till vinter... Encyclopedia of Newsmakers
Byta till "vinter" tid: ekonomiska fördelar och medicinska nackdelar– Den 28 oktober klockan 15 (lokal tid) i Ryssland blir det en övergång till vintertid. Att flytta fram klockorna en timme på sommaren och en timme bakåt på vintern för att spara på energiresurserna genomfördes först i Storbritannien 1908. Idé… Encyclopedia of Newsmakers
Byter till "vinter"/"sommar" tid– För första gången genomfördes i Storbritannien 1908 att flytta fram klockvisarna en timme på sommaren och en timme bakåt på vintern för att spara energiresurser. Själva idén att spara energiresurser genom att flytta pilarna tillhör... ... Encyclopedia of Newsmakers
Fasövergång, åtföljd av en förändring i storleken och naturen av elektrisk ledningsförmåga med förändringar i temperatur T, tryck p, magnetisk. fält H eller materiens sammansättning. P. m. d fasta ämnen, ibland i vätskor och gaser (täta metallångor) ... Fysisk uppslagsverk
- (”hand”-regeln, Pedersens lag) är en fonetisk förändring som inträffade i det tidiga protoslaviska språket. Innehåll 1 Beskrivning av fenomenet 1.1 ... Wikipedia
Övergången av Alexander Suvorovs armé genom de schweiziska alperna- Den schweiziska kampanj för armén av Alexander Vasilyevich Suvorov - övergången av ryska trupper under befäl av generalfältmarskalk Suvorov från norra Italien genom Alperna till Schweiz, varade från 10 september till 27 september 1799. Begicks under andra kriget... ... Encyclopedia of Newsmakers
ÖVERGÅNG- (1) i programmering, ett kommando för utföraren att fortsätta exekvera algoritmen (programmet) från det ark som specificeras av detta kommando. Det finns: a) P. ovillkorlig operation, överföring av kontroll till en förutbestämd adress, som anges i ... ... Big Polytechnic Encyclopedia
p-n (pe-en) junction är ett område av rymden vid föreningspunkten mellan två p- och n-typ halvledare, i vilken en övergång från en typ av konduktivitet till en annan sker, en sådan övergång kallas också en elektron-hål övergång.
Det finns två typer av halvledare: p och n typer. I typen n är de huvudsakliga laddningsbärarna elektroner , och i p-typen är de viktigaste positivt laddade hål. Ett positivt hål uppstår efter att en elektron har avlägsnats från en atom och ett positivt hål bildas i dess ställe.
För att förstå hur en p-n-övergång fungerar måste du studera dess komponenter, det vill säga en halvledare av p-typ och n-typ.
P- och n-halvledare är gjorda på basis av monokristallint kisel, som har en mycket hög grad renhet, därför ändrar de minsta föroreningarna (mindre än 0,001%) avsevärt dess elektriska egenskaper.
I en halvledare av n-typ är de huvudsakliga laddningsbärarna elektroner . För att få dem använder de donatorföroreningar, som införs i kisel,- fosfor, antimon, arsenik.
I en halvledare av p-typ är huvudladdningsbärarna positivt laddade hål . För att få dem använder de acceptorföroreningar — aluminium, bor
Halvledare n - typ (elektronisk konduktivitet)
En föroreningsfosforatom ersätter vanligtvis huvudatomen vid ställena för kristallgittret. I det här fallet kommer fosforatomens fyra valenselektroner i kontakt med de fyra valenselektronerna i de angränsande fyra kiselatomerna och bildar ett stabilt skal av åtta elektroner. Fosforatomens femte valenselektron visar sig vara svagt bunden till sin atom och under påverkan yttre krafter(termiska vibrationer av gittret, yttre elektriskt fält) blir lätt fri, skapar ökad koncentration fria elektroner . Kristallen får elektronisk eller n-typ konduktivitet . I detta fall är fosforatomen, som saknar en elektron, stelt bunden till kristallgitter kisel har en positiv laddning, och elektronen är en mobil negativ laddning. I frånvaro av yttre krafter kompenserar de varandra, d.v.s. i kisel n-typantalet fria ledningselektroner bestäms antalet införda donatorföroreningsatomer.
Halvledare p - typ (hålledningsförmåga)
En aluminiumatom, som bara har tre valenselektroner, kan inte självständigt skapa ett stabilt åttaelektronskal med närliggande kiselatomer, eftersom den för detta behöver en annan elektron, som den tar bort från en av kiselatomerna i närheten. En elektronfri kiselatom har en positiv laddning och eftersom den kan ta en elektron från en angränsande kiselatom kan den betraktas som en mobil positiv laddning som inte är associerad med kristallgittret, kallat ett hål. En aluminiumatom som har fångat en elektron blir ett negativt laddat centrum, stelt bundet till kristallgittret. Den elektriska ledningsförmågan hos en sådan halvledare beror på rörelsen av hål, varför den kallas en p-typ hålhalvledare. Hålkoncentrationen motsvarar antalet införda acceptorföroreningsatomer.
Elektronhålsövergång ( sid–n-junction) är ett övergångsskikt mellan två områden i en halvledare med olika elektriska konduktiviteter, i vilka det finns ett elektriskt diffusionsfält.
Regionerna är åtskilda av ett plan där typen av dominerande föroreningar ändras, som kallas den metallurgiska gränsen. Nära den metallurgiska gränsen finns ett lager utarmat på mobila laddningsbärare, där orörliga joniserade föroreningsatomer finns (Fig. 3.1).
Ris. 3.1. Elektronhålsövergång
Stationära joner i utarmningsskiktet skapar volymetriska elektriska laddningar med positiv och negativ polaritet. Detta skapar ett diffusionselektriskt styrkafält E diff och kontaktpotentialskillnad k
potentialskillnaden beror på koncentrationen av acceptorföroreningen
N A, N D och temperaturer:
.
Tjockleken på det utarmade lagret beror också på koncentrationen av föroreningar:
,
Var A– koefficient som bestäms av halvledarmaterialet.
3.2. Aktuell genom p–n-övergång
Genom p–n-övergångsströmflöden, som representerar summan av diffusions- och driftkomponenterna. Diffusionsströmmen bildas av huvudladdningsbärarna, för vilkas rörelse diffusionsfältet fördröjer. Att öka diffusionsströmmen ökar fältstyrkan E diff, kontaktpotentialskillnad och potentialbarriär. Detta leder till en minskning av strömmen. På så sätt skapas balans.
Driftströmmen bildas av minoritetsladdningsbärare, för vilka diffusionsfältet accelererar.
I jämviktstillståndet är summan av diffusions- och driftströmmarna noll:
jag diff + jag dr = 0.
3.3. Direktanslutning sid–n-övergång
En direkt anslutning är en där fältet som skapas av en extern spänning riktas mot diffusionsfältet (Fig. 3.2).
Ris. 3.2. Direktanslutning p–n-övergång
Som ett resultat av detta minskar kontaktpotentialskillnaden, potentialbarriären minskar och strömmen för majoritetsladdningsbärarna genom övergången ökar.
3.4. Omvänd växling sid – n-övergång
Omvänd växling sid – n-övergång kännetecknas av att fältstyrkan som skapas av den externa spänningen sammanfaller i riktning med diffusionsfältstyrkan(Fig. 3.3).
Ris. 3.3. Omvänd växling sid–n-övergång
Som ett resultat ökar kontaktpotentialskillnaden, potentialbarriären ökar och strömmen för majoritetsladdningsbärarna genom övergången minskar.
3.5. (volt-spänningskarakteristik)
idealiserad p–n-övergång
Volt-ampere egenskaper sid–n-övergång är beroendet av strömmen genom korsningen på spänningen som appliceras på den.
Idealisering p–n-övergången består av att acceptera följande
antaganden.
1. Ytor i anslutning till övergången sid Och n kännetecknas av noll resistivitet. Därför appliceras extern spänning direkt på sid–n-övergång.
2. I området sid–n-övergång det finns inga processer för generering och rekombination av gratis avgiftsbärare. Sedan strömmen genom korsningen beroende på den externa spänningen som appliceras på korsningen U yttre, dvs. Ström-spänningskarakteristiken kan beskrivas med Shockley-formeln:
,
Var jag 0 – termisk ström, som skapas av minoritetsladdningsbärare och beror på tre faktorer:
1) koncentrationen av minoritetsladdningsbärare, omvänt proportionell mot koncentrationen av föroreningar;
2) bandgap än fler ämnen mindre-
hon jag 0 ;
3) temperatur. Med ökande temperatur ökar hastigheten för generering av laddningsbärare och deras koncentration ökar.
3.6. Zondiagram (energi).
p–n-övergång
På U ext = 0. Jämviktstillstånd. Ferminivån har ett värde för hela strukturen (Fig. 3.4).
På U ext 0. Direktanslutning p–n-övergång (Fig. 3.5).
Ris. 3.4. Banddiagram för jämvikt p–n-övergång
Ris. 3.5. Zondiagram med direktanslutning sid-n-övergång
På U ext 0. Reverse switching p–n-övergång (Fig. 3.6).
Ris. 3.6. Zondiagram med omvänd anslutning sid–n-övergång
3.7. Skillnader mellan de verkliga ström-spänningsegenskaperna
och idealiserad p–n-övergångar
Verklig p–n-övergångar är som regel asymmetriska. I detta fall överstiger koncentrationen av föroreningar i ett område koncentrationen av föroreningar i ett annat. Området med högre koncentration kallas emitter, och området med lägre koncentration kallas bas. En lägre koncentration av föroreningar betyder lägre elektrisk ledningsförmåga och högre resistivitet. Därför på riktigt p–n- under övergångar, försumma det specifika
basmotstånd är inte möjligt. Ekvivalent krets av verklig
p–n-övergången ser ut som (Fig. 3.7).
Ris. 3.7. Ekvivalent krets av verklig p–n-övergång
Den andra skillnaden mellan verkliga p–n-övergången från den idealiserade är närvaron i utarmningsskiktet av processerna för generering och rekombination av laddningsbärare. Därför, när den slås på igen, är strömmen genom korsningen inte konstant, utan beror på spänningen som appliceras på korsningen (Fig. 3.8).
Ris. 3.8. Skillnaden mellan den verkliga ström-spänningskarakteristiken sid–n-övergång från idealiserad
Den tredje skillnaden är förekomsten av nedbrytningsfenomenet vid
omvänd växling p–n-övergång.
3.8. Bryta ner p–n-övergång
Uppdelningen visas som kraftig ökning ström genom
sid–n-övergång med en liten förändring i den applicerade backspänningen.
Det finns tre typer av uppdelning.
Lavinnedbrytning - uppstår på grund av lavinförökning av minoritetsladdningsbärare genom stötjonisering. Spänningen vid vilken den uppträder ökar med ökande temperatur (Fig. 3.9).
Ris. 3.9. CVC under lavinhaveri
Tunnelnedbrytning uppstår på grund av övergången av elektroner från ett bundet tillstånd till ett fritt tillstånd utan att ge dem ytterligare energi. Med stigande temperatur minskar genomslagsspänningen (bild 3.10).
Ris. 3.10. CVC under tunnelhaveri p–n-övergång
Termisk nedbrytning är ett sammanbrott, vars utveckling orsakas av frigöring av värme på grund av strömpassage genom korsningen. Till skillnad från lavin och tunnel är det oåterkalleligt, det vill säga som ett resultat av ett haveri slutar övergången att fungera. Med stigande temperatur minskar genomslagsspänningen (bild 3.11).
Ris. 3.11. CVC under termiskt haveri p–n-övergång
3.9. VAC-beroende sid–n-övergång
på temperatur
Med stigande temperatur går strömmen igenom p–n- övergången ökar när den slås på direkt på grund av en ökning av bärarenergin elektrisk laddning, som på grund av detta lättare övervinner den potentiella barriären.
När den slås på igen p–n-övergång, med ökande temperatur, strömmen genom den ökar på grund av en ökning av hastigheten för generering av laddningsbärare i övergången (Fig. 3.12).
Ris. 3.12. VAC-beroende p–n-övergång från temperatur
3.10. VAC-beroende p–n-övergång från halvledarmaterial
Volt-ampere egenskaper sid– n-övergången beror på bandgapet i energidiagrammet för halvledarmaterialet.
Ju större bandgap, desto lägre hastighet för termisk generering och desto lägre koncentration av minoritetsbärare som skapar den omvända strömmen jag 0 . Därför är den omvända strömmen mindre.
Vid direkt anslutning sid– n-övergångsströmmen genom den blir större, ju mindre bandgapets bredd. Ja, strömmen igenom sid– n-övergång definieras som
.
När värdet ökar, kommer strömmen jag 0 minskar strömmen jag minskar också.
För de vanligaste halvledarmaterialen Ge, Si och GaAs är ström-spänningsegenskaperna relaterade enligt följande (Fig. 3.13).
Ris. 3.13. VAC-beroende p–n-övergång
från material
3.11. Kapacitet p–n-övergång
I utarmningsskiktet sid– n-övergång det finns rymdladdningar som bildas av laddningar av joniserade donator- och acceptorföroreningar. Dessa laddningar är lika stora och motsatta i tecken. Därför är utarmningsskiktet som en kondensator. Eftersom laddningar bestämmer den potentiella barriären kallas kapacitansen barriärkapacitans. Dess värde är lika
Var 
,
Var S- fyrkantig p–n-övergång, U– extern spänning applicerad på korsningen, n= 0,5 för en skarp övergång, n= 0,3 för en mjuk övergång.
Beroendet av barriärkapacitansen på spänningen som appliceras på övergången kallas kapacitans-spänningskarakteristiken (Fig. 3.14).
Vid direkt anslutning p–n-övergång sker processen för injektion av minoritetsladdningsbärare. Överskottskoncentrationer av minoritetsbärare förekommer i varje region och, i enlighet med villkoret för elektrisk neutralitet, är överkoncentrationer av majoritetsbärare lika med dem. Alltså i n-regioner (som i en kondensator) slutar med lika mycket positiv laddning av överskottshål (minoritetsbärare) och negativ laddning av överskottselektroner (majoritetsbärare). likaså sid-regionen beter sig som en kondensator med en negativ laddning av överskottselektroner (minoritetsbärare) och en lika positiv laddning av överskottshål (majoritetsbärare).
Processen för ackumulering av överskottsladdningar kännetecknas vanligtvis av diffusionskapacitans, som tar hänsyn till förändringen av överskottsbärare (hål och elektroner) i båda regionerna när spänningen ändras.
Diffusionskapacitansen bestäms av direkta diffusionsströmmar av hål Ip och elektroner I(därav namnet på kapaciteten) och livslängden för minoritetsbärare och:
.
Diffusionsströmmar Ip Och Iöka med ökande framspänning p-n-övergång och snabbt försvinna under den omvända övergången. Därför beroendet MED spänningsskillnaden upprepar ungefär förloppet för den direkta grenen av ström-spänningskarakteristiken p–n-övergång.
Ekvivalent krets p–n-korsning, med hänsyn till dess kapacitiva egenskaper, visas i fig. 3.15.
3.12. Metall-halvledarkontakt
Kontakter mellan halvledare och metall används ofta för att bildas externa terminaler från halvledarenhetsfälten och skapandet av höghastighetsdioder. Typen av metall-halvledarkontakt bestäms av arbetsfunktionen hos elektroner från metallen och halvledaren, halvledarens ledningsström och föroreningskoncentrationen i den.
Elektronarbetsfunktionen är den energi som krävs för att överföra elektroner från Fermi-nivån till toppen av det övre fria bandet.
Med idealisk kontakt mellan metallen och halvledaren och utan att ta hänsyn till yttillstånd diffunderar elektroner övervägande från materialet med lägre arbetsfunktion. Som ett resultat av diffusion och omfördelning av laddningar störs den elektriska neutraliteten i områdena intill gränssnittet, ett elektriskt kontaktfält och en kontaktpotentialskillnad uppstår
Var A m, A n är arbetsfunktionen för elektroner som lämnar metallen och halvledaren.
Övergångsskiktet i vilket ett kontakt (eller diffusions) elektriskt fält finns och som bildas som ett resultat av kontakt mellan en metall och en halvledare kallas en Schottky-övergång.
Beroende på typen av elektrisk ledningsförmåga hos halvledaren och på förhållandet mellan arbetsfunktioner kan ett utarmat eller anrikat skikt uppträda i halvledaren. Om arbetsfunktionen i en metall är mindre än arbetsfunktionen i en halvledare A m< A n, då är det mer sannolikt att elektroner rör sig från metallen till halvledaren. Detta leder till bildandet av ett utarmningsskikt i halvledaren om halvledaren sid-typ, eller till och med ett omvänt lager, if A m<< A n. Om halvledaren n-typ, då bildas ett anrikat skikt.
I utarmade skikt bildas rymdladdningen som ett resultat av en kränkning av kompensationen av laddningen av joniserade föroreningar av huvudbärarna och i anrikade skikt - på grund av ackumuleringen av huvudladdningsbärarna. Det anrikade skiktet orsakar ett lågt motstånd i halvledarens nära-kontaktområde jämfört med resistansen hos halvledarens bulk. Därför har en sådan övergång inte likriktande egenskaper och bildar en ohmsk kontakt. I närvaro av en utarmning eller omvänd skikt har Schottky-övergången likriktande egenskaper, eftersom den externa spänningen, som huvudsakligen faller vid högresistansövergången, kommer att ändra höjden på dess potentiella barriär, vilket ändrar villkoren för passage av laddningsbärare genom korsningen.
Ett karakteristiskt drag för den likriktande Schottky-korsningen, i motsats till p–n-övergång är en annan höjd av potentiella barriärer för elektroner och hål. Som ett resultat kan injicering av minoritetsladdningsbärare i halvledaren inte ske genom Schottky-övergången. Därför ackumuleras de inte och det finns inget behov av deras resorption. Därav den höga prestandan för Schottky-korsningen.
Heteroövergångar
En heterojunction är ett övergångsskikt med ett diffusionselektriskt fält som existerar där mellan två halvledare med olika kemisk sammansättning.
Bredden på de elektriska banden för olika halvledare är olika. Därför, vid gränsytan mellan två halvledare (vid den metallurgiska kontakten av heteroövergången), uppstår ett gap i botten av ledningsbandet och toppen av valensbandet. Som ett resultat av diskontinuiteter visar sig höjden på potentialbarriärerna för elektroner och hål i heteroövergången vara annorlunda. Detta är en egenskap hos heterojunctions, som bestämmer de specifika egenskaperna hos heterojunctions i motsats till sid–n-övergångar.
Heterojunctions kan bildas av halvledare med olika typer av konduktivitet: sid–n, sid–sid, n–n. Beroende på typen av konduktivitet och bandgapet i energidiagrammen kan strömmen genom korsningen bestämmas av både elektroner och hål. Till exempel genom kontakt germanium sid-typ och galliumarsenid n-typ huvudsakligen elektronströmflöden (Fig. 3.16).
Ris. 3.16. Banddiagram för Ge-övergången ( sid-typ) – GaAs ( n-typ)
Genom germaniumövergången sid-typ, galliumarsenid sid-typ huvudsakligen hålström flyter (Fig. 3.17).
Ris. 3.17. Banddiagram för Ge-övergången ( sid-typ) – GaAs ( sid-typ)
För att bilda en högkvalitativ heterojunction är det nödvändigt att matcha typen, orienteringen och perioden för kristallgittren för de kontaktande halvledarna, så att kristallgittret för en halvledare passerar in i kristallgittret hos en annan halvledare med ett minimum antal överträdelser . De mest använda i halvledarenheter är heterojunctions mellan halvledare baserade på gallium- och aluminiumarsenider, fosfider och antimonider. På grund av närheten till de kovalenta radierna av gallium och aluminium uppstår förändringar i den kemiska sammansättningen av halvledare i en heterojunction utan att ändra gitterperioden. Heterojunctions skapas också på basis av flerkomponents fasta lösningar, där gitterperioden inte ändras när sammansättningen ändras över ett brett intervall.
3.14. Metall–isolator–halvledarstruktur
Metall-isolator-halvledarstrukturer (MIS) utgör grunden för MIS-fälteffekttransistorer, fotovoltaiska enheter, spänningsstyrda kondensatorer och används också i stor utsträckning i integrerade kretsar.
Den enklaste MIS-strukturen innehåller en halvledarkristall - substrat, ett dielektriskt skikt, en metallelektrod - gate och en ohmsk kontakt till substratet (Fig. 3.17).
Ris. 3.17. Den enklaste TIR-strukturen
Strukturen har två utgångar - en grind och en kontakt till substratet och är en MIS-kondensator, vars kapacitans beror på spänningen U mellan grinden och substratledningen.
Grindspänningen skapar ett elektriskt fält som penetrerar genom ett tunt (0,03...0,1 μm) dielektriskt skikt in i halvledarens ytnära skikt, där det ändrar bärarkoncentrationen. Beroende på spänningsvärdet observeras anriknings-, utarmnings- eller inversionslägen.
Den ekvivalenta kretsen för en MIS-struktur kan representeras genom att ansluta två kondensatorer i serie CD– dielektrisk kapacitet och Med g:
där J p är laddningstätheten för okompenserade föroreningsjoner och mobila laddningsbärare i halvledaren, j pov är spänningen i halvledarens ytskikt, S– grindområdet.
Den mest använda MIS-strukturen är baserad på kisel, där dielektrikumet är kiseldioxid och grinden är en aluminiumfilm.
Relaterad information.
Baserat på deras förmåga att leda elektrisk ström, delades fasta ämnen till en början in i ledare och dielektrikum. Senare märktes det att vissa ämnen leder elektrisk ström sämre än ledare, men de kan inte heller klassificeras som dielektriska. De var separerade i en separat grupp av halvledare. Karakteristiska skillnader mellan halvledare och ledare:
- Betydande beroende av konduktiviteten hos halvledare på temperaturen.
- Även en liten mängd föroreningar har ett starkt inflytande på ledningsförmågan hos halvledare.
- Inverkan av olika strålningar (ljus, strålning, etc.) på deras ledningsförmåga. Enligt dessa egenskaper är halvledare närmare dielektrikum än ledare.
För tillverkning av halvledarenheter används främst germanium, kisel och galliumarsenid. Germanium är ett sällsynt grundämne utspridda i naturen, medan kisel tvärtom är mycket vanligt. Det finns dock inte i ren form, utan endast i form av föreningar med andra grundämnen, främst syre. Galliumarsenid är en förening av arsenik och gallium. Den började användas relativt nyligen. Jämfört med germanium och kisel är galliumarsenid mindre känsligt för temperatur och strålning.
För att förstå funktionsmekanismen för halvledarenheter måste du först bekanta dig med konduktivitet i halvledare och mekanismen för bildande av p
-n övergångar.De mest använda halvledarna är germanium och kisel. De tillhör grupp IV i Mendeleevs periodiska system. Det yttre skalet av en germanium (eller kisel) atom innehåller 4 valenselektroner. Var och en av dem bildar kovalenta bindningar med de angränsande fyra atomerna. De bildas av två elektroner, som var och en tillhör en av de närliggande atomerna. Parelektronbindningar är mycket stabila, därför är varje elektronpar fast bundet till sitt atompar och kan inte röra sig fritt i halvledarens volym. Detta gäller för en kemiskt ren halvledare belägen vid en temperatur nära 0 K
(absolut noll). När temperaturen ökar börjar halvledarens atomer genomgå termisk vibrationsrörelse. Energin från denna rörelse överförs till elektroner, och för vissa av dem räcker det att bryta sig loss från sina atomer. Dessa atomer förvandlas till positiva joner, och de lösgjorda elektronerna kan röra sig fritt, d.v.s. bli nuvarande transportörer. Mer exakt leder avgången av en elektron till partiell jonisering av 2 angränsande atomer. Den enda positiva laddningen som uppträder i det här fallet bör inte tillskrivas en eller annan atom, utan till kränkningen av parelektronbindningen som lämnas av elektronen. Frånvaron av en elektron i en bindning kallas ett hål. Hålet har en positiv laddning som i absoluta värde är lika med elektronens laddning. Hålet kan upptas av en av elektronerna i den angränsande bindningen, och ett hål bildas i den angränsande bindningen. Övergången av en elektron från en bindning till en annan motsvarar rörelsen av ett hål i motsatt riktning. I praktiken är det bekvämare att överväga den kontinuerliga rörelsen av en positiv laddning än den sekventiella rörelsen av elektroner från bindning till bindning. Konduktivitet, som uppstår i en halvledares volym på grund av avbrott i bindningar, kallas egen ledningsförmåga. Det finns två typer av konduktivitet: n - typ och p - typ (från orden negativ - negativ, positiv - positiv). Konduktivitet av n-typ kallas elektronisk och konduktivitet av p-typ kallas hålledningsförmåga.
Observera att kränkningen av valensbindningar kan uppstå inte bara på grund av termisk energi, utan också på grund av ljusenergi eller elektrisk fältenergi.
Allt vi funderat på gäller rena halvledare, d.v.s. till halvledare utan föroreningar. Införandet av föroreningar förändrar de elektriska egenskaperna hos halvledaren. Föroreningsatomer i kristallgittret upptar huvudatomernas platser och bildar parelektronbindningar med angränsande atomer. Om en atom av ett ämne som tillhör grupp V i det periodiska systemet av element (till exempel en arsenikatom) införs i strukturen av en ren halvledare (germanium), kommer denna atom också att bilda bindningar med närliggande germaniumatomer. Men grupp V-atomer har 5 valenselektroner på sitt yttre skal. Fyra av dem bildar stabila parelektroniska bindningar, och den femte kommer att vara överflödig. Denna överskottselektron är bunden till sin atom mycket svagare, och för att slita bort den från atomen krävs mindre energi än att frigöra en elektron från en parelektronbindning. Dessutom är omvandlingen av en sådan elektron till en fri laddningsbärare inte associerad med den samtidiga bildningen av ett hål. Förlusten av en elektron från det yttre skalet av en arsenikatom förvandlar den till en positiv jon. Då kan vi redan prata om joniseringen av denna atom denna positiva laddning kommer inte att röra sig, d.v.s. är inte ett hål.
Med ökande arsenikhalt i en germaniumkristall ökar antalet fria elektroner utan att antalet hål ökar, vilket var fallet med inre konduktivitet. Om elektronkoncentrationen avsevärt överstiger hålkoncentrationen, kommer huvudströmbärarna att vara elektroner. I det här fallet kallas halvledaren en halvledare av n-typ. Låt oss nu introducera en grupp III-atom, till exempel en indiumatom, i germaniumkristallen. Den har tre valenselektroner. Det bildar stabila bindningar med tre germaniumatomer. Den fjärde bindningen förblir tom, men bär ingen laddning, så indiumatomen och den intilliggande germaniumatomen förblir elektriskt neutrala. Även med en lätt termisk excitation kan en elektron från en av de närliggande parelektroniska bindningarna flytta in i denna fjärde bindning.
Vad kommer att hända? En extra elektron kommer att dyka upp i det yttre skalet av indium, och atomen kommer att förvandlas till en negativ jon. Den elektriska neutraliteten i den parelektroniska anslutningen som elektronen kom från kommer att störas. En positiv laddning kommer att dyka upp - ett hål i denna brutna anslutning. När indiumhalten ökar kommer antalet hål att öka och de kommer att bli de viktigaste laddningsbärarna. I det här fallet kallas halvledaren en halvledare av p-typ.
Elektron-hålsövergång (p – n-övergång).
En p–n-övergång är en region som är belägen vid gränsytan mellan hål- och elektronregionerna i en kristall. Övergången skapas inte genom enkel kontakt mellan halvledarskivor av p- och n-typ. Den skapas i en kristall genom att introducera två olika föroreningar, skapa elektron- och hålområden i den.
Figur 1. Mekanism för bildning och verkan av p – n-övergång.
a – majoritets- och minoritetsbärare i halvledarregioner.
b – bildandet av en p–n-övergång.
c – flödesriktning för diffusionsström och ledningsström.
d – p–n-övergång under påverkan av extern backspänning.
1 – elektroner; 2 - hål; 3 – gränssnitt; 4 – orörliga joner.
Låt oss betrakta en halvledare där det finns två regioner: elektron och hål. I den första finns en hög koncentration av elektroner, i den andra finns en hög koncentration av hål. Enligt lagen om koncentrationsutjämning tenderar elektroner att röra sig (diffusa) från n-området, där deras koncentration är högre, till p-området, medan hål gör det motsatta. Denna rörelse av laddningar kallas diffusion. Den ström som uppstår i detta fall är diffusion. Utjämning av koncentrationer skulle ske tills hål och elektroner är jämnt fördelade, men detta förhindras av krafterna från det framträdande interna elektriska fältet. Hål som lämnar p-regionen lämnar negativt joniserade atomer i den, och elektroner som lämnar n-regionen lämnar positivt joniserade atomer. Som ett resultat blir hålområdet negativt laddat, och elektronområdet blir positivt laddat. Ett elektriskt fält skapat av två lager av laddningar uppstår mellan regionerna.
Nära gränsytan mellan elektron- och hålområdena i halvledaren uppträder således en region bestående av två lager av laddningar med motsatt tecken, som bildar den så kallade p–n-övergången. En potentiell barriär etableras mellan p- och n-regionerna. I det aktuella fallet, inuti den bildade p–n-övergången, skapas ett elektriskt fält E
två lager av motsatta laddningar. Om riktningen för elektronerna som kommer in i det elektriska fältet sammanfaller med det, saktas elektronerna ner. För hål är det tvärtom. Således, tack vare det resulterande elektriska fältet, stannar diffusionsprocessen. FIGUR 1 visar att i både n- och p-regionerna finns både majoritets- och minoritetsladdningsbärare. Minoritetsbärare bildas på grund av inneboende konduktivitet. Elektroner i p-regionen, som utför termisk kaotisk rörelse, går in i det elektriska fältet i p-n-övergången och överförs till n-regionen. Samma sak händer med hål i n-regionen. Strömmen som bildas av majoritetsbärarna kallas diffusionsström, och minoritetsbärarna kallas ledningsströmmen. Dessa strömmar är riktade mot varandra, och eftersom den totala strömmen i en isolerad ledare är noll, är de lika. Låt oss nu applicera en extern spänning på korsningen med ett plus till n - området och ett minus till p - området. Fältet som skapas av den externa källan kommer att förstärka verkan av det interna fältet i p–n-övergången. Diffusionsströmmen kommer att minska till noll, eftersom elektroner från n-området och hål från p-området förs bort från p-n-övergången till de yttre kontakterna, vilket resulterar i att p-n-övergången expanderar. Endast ledningsström, som kallas omvänd ström, passerar genom korsningen. Den består av elektron- och hålledningsströmmar. Spänningen som appliceras på detta sätt kallas omvänd spänning. Strömmens beroende av spänning visas i figuren.
Ris. Ström-spänningskarakteristik för p-n-övergång. 2 - direkt gren; 1 – omvänd gren.
Om en extern spänning appliceras med ett plus till p-området och ett minus till n-området, kommer källans elektriska fält att riktas mot fältet för p-n-övergången och försvaga dess effekt. I detta fall kommer diffusions(lik)strömmen (2) att öka. Detta fenomen är grunden för driften av en halvledardiod.
De allra flesta moderna halvledarenheter fungerar tack vare fenomen som uppstår vid själva gränsen för material som har olika typer av elektrisk ledningsförmåga.
Det finns två typer av halvledare - n och p. En utmärkande egenskap hos halvledarmaterial av n-typ är att negativt laddade element fungerar som elektriska laddningsbärare. elektroner. I halvledarmaterial av p-typ spelas samma roll av den så kallade hål, som är positivt laddade. De uppstår efter att en atom har rivits bort elektron, och det är därför en positiv laddning bildas.
Enkristaller av kisel används för att framställa halvledarmaterial av n-typ och p-typ. Deras särdrag är en extremt hög grad av kemisk renhet. Det är möjligt att avsevärt ändra de elektriska egenskaperna hos detta material genom att införa föroreningar i det som är ganska obetydliga vid första anblicken.
Symbolen "n" som används i halvledare kommer från ordet " negativ» (« negativ"). De huvudsakliga laddningsbärarna i halvledarmaterial av n-typ är elektroner. För att få dem införs så kallade donatorföroreningar i kisel: arsenik, antimon, fosfor.
Symbolen "p" som används i halvledare kommer från ordet " positiv» (« positiv"). De huvudsakliga laddningsbärarna i dem är hål. För att få dem införs så kallade acceptorföroreningar i kisel: bor, aluminium.
Antal gratis elektroner och antal hål i en ren halvledarkristall är exakt densamma. Därför, när en halvledaranordning är i ett jämviktstillstånd, är var och en av dess regioner elektriskt neutrala.
Låt oss ta som utgångspunkt att n-regionen är nära förbunden med p-regionen. I sådana fall bildas en övergångszon mellan dem, det vill säga ett visst utrymme som är utarmat på laddningar. Det kallas också " barriärskikt", Var hål Och elektroner, genomgår rekombination. Således, vid föreningspunkten mellan två halvledare som har olika typer av konduktivitet, en zon som kallas p-n korsning.
I kontaktpunkten mellan halvledare av olika typer följer hål från p-typområdet delvis in i n-typområdet, och elektroner rör sig följaktligen i motsatt riktning. Därför laddas en halvledare av p-typ negativt och en halvledare av n-typ laddas positivt. Denna diffusion varar dock bara tills det elektriska fältet som uppstår i övergångszonen börjar störa det, vilket resulterar i rörelse och e. elektroner, Och hål stannar.
I industriellt framställda halvledarenheter för användning p-n korsning en extern spänning måste läggas på den. Beroende på dess polaritet och storlek beror övergångens beteende och den elektriska ström som passerar direkt genom den. Om den positiva polen för strömkällan är ansluten till p-regionen, och den negativa polen är ansluten till n-regionen, sker direkt anslutning p-n korsning. Om polariteten ändras uppstår en situation som kallas omvänd växling. p-n korsning.
Direktanslutning
När direktanslutning utförs p-n korsning, sedan under påverkan av extern spänning skapas ett fält i den. Dess riktning med avseende på riktningen för det inre diffusionselektriska fältet är motsatt. Som ett resultat sjunker den resulterande fältstyrkan och blockeringsskiktet smalnar av.
Som ett resultat av denna process flyttar ett avsevärt antal huvudladdningsbärare in i den angränsande regionen. Detta betyder att från område p till område n kommer den resulterande elektriska strömmen att flyta hål, och i motsatt riktning – elektroner.
Omvänd växling
När backväxling sker p-n korsning, då i den resulterande kretsen är strömstyrkan betydligt lägre än med direkt anslutning. Faktum är att hål från region n kommer att flöda till region p, och elektroner kommer att flöda från region p till region n. Den låga strömstyrkan beror på att det i regionen p är lite elektroner, respektive i regionen n, – hål.
