Рефераты по Физике

Физика туннельного диода

Страница 4

В случае внешнего напряжения обратной полярности внут­ренний потенциальный барьер увеличится (рис. 3,е), препят­ствуя диффузии основных носителей, и диод будет заперт. Основными называются носители, определяющие тип проводи­мости полупроводника, т. е. электроны для n-материала и дыр­ки для p-материала.

Но в каждом из этих полупроводников, кроме основных носителей, имеются еще и носители противо­положного знака, которые называются неосновными.

Это дыр­ки в электронном полупроводнике и электроны в дырочном полупроводнике. Причиной их появления служит тепловая. генерация, создающая носители обоих знаков и наличие в каждом полупроводнике, кроме определяющей примеси (донорной для л-материала и акцепторной для p-материала), еще и небольшого количества примеси противоположного харак­тера (из-за несовершенной очистки материала). Так как для неосновных носителей обратное смещение на переходе будет пропускным, то через переход будет течь небольшой обратный ток, величина которого определяется концентрацией не­основных носителей в полупроводнике. Она может быть опре­делена из соотношения, полученного следующим образом.

В состоянии теплового равновесия динамические процессы тепловой генерации пар уравновешиваются процессами реком­бинации. Скорость тепловой генерации при неизменной тем­пературе постоянна и не зависит от характера полупроводни­ка (электронный или дырочный). Скорость рекомбинации в собственном полупроводнике пропорциональна произведению плотностей носителей, т. е. пропорциональна величине

ni·pi=ni2 , так как ni = pi ,

где ni и pi—соответственно концентрации электронов и дырок в собственном полупроводнике. Величина ni2 постоянна для данного типа полупроводника и зависит только от температуры При комнатной температуре для германия ni2= (2·1013)2 см−3 для кремния ni2= (1,4·1010)2 см−3. В примесном полупровод­нике скорость рекомбинации не изменится по сравнению со скоростью рекомбинации в собственном полупроводнике, по­тому что в обоих случаях они уравновешиваются равными по скоростям процессами тепловой генерации, а так как скорость рекомбинации пропорциональна произведению плотностей но­сителей,то

pp·np= nn·pn = ni·pi= ni2,

где pp·np — соответственно концентрации дырок в дырочном полупроводнике и электронов в электронном полу­проводнике, т. е. концентрации основных носите­лей;

nn·pn —соответственно концентрации электронов в дыроч­ном полупроводнике и дырок в электронном полу­проводнике, т. е. концентрации неосновных носи­телей. Отсюда по известной концентрации основных носителей нужно определить плотность неосновных носителей, а значит и величину обратного тока p-n-перехода.

Вырожденные полупроводники.

Рассмотренные выше полупроводники, идущие на изготов­ление большинства обычных полупроводниковых приборов, имеют концентрацию легирующих примесей порядка 1014 — 1018см−3. Дальнейшее повышение количества примеси приводит к качественным изменениям свойств полупроводни­ковых материалов, которые необходимо рассмотреть. Знание свойств таких сильнолегированных материалов очень важно, потому что они служат основой для изготовления туннельных диодов.

В обычных полупроводниках атомы примеси, произвольно расположенные в исходном материале, достаточно удалены друг от друга, так что между собой не взаимодействуют. На энергетической диаграмме это отображается расположением отдельных, не расщепленных в зону энергетических уровней электронов примесных атомов. Вследствие локализованности этих уровней электроны, находящиеся на них, не могут пере­мещаться по кристаллу и участвовать таким образом, в элек­тропроводности.

По мере увеличения концентрации примесей расстояния между их атомами уменьшаются, что увеличивает взаимодей­ствие между ними. Это приводит к расщеплению примесных уровней в примесную зону, которая может слиться с основной зоной (зонной проводимости для примесной зоны доноров или с валентной зоной для примесной зоны акцепторов). Такое слияние зон происходит при концентрациях примеси, превышающих, некоторое критическое значение. Так, для германия значение этой концентрации составляет около 2·1019 см−3, а для кремния — 6·1019 см−3. Такие сильнолегированные полупроводники относятся к типу вырожденных, отличительной чертой которых является то, что уровень Ферми находится внутри либо зоны проводимости, либо валентной зоны.

Для определения положения уровня Ферми в вырожден­ном полупроводнике можно воспользоваться тем же графическим методом по определению положения этого уровня, который был применен к обычным (невырожденным) полупровод­никам. Соответствующие построения для электронного и дырочного полупроводников приведены на рис. 4. Как видно из графиков, уровень Ферми расположен внутри зоны проводи­мости для электронного полупроводника и внутри валентной зоны для дырочного, что характерно для вырожденных полу­проводников.

Энергетическая диаграмма p-n-перехода, образованного вырожденным электронным и дырочным полупроводниками, показана на рис. 4. Так как уровни Ферми в обеих частях полупроводника в состоянии термодинамического равновесия должны сравняться, то выполнение этого условия приводит к перекрытию зон. Дно зоны проводимости электронной области получается ниже потолка валентной зоны дырочного полу­проводника и, как видно из рис. 4, величина контактной разно­сти потенциалов φk при контакте двух вырожденных полупро­водников будет близка к ширине запрещенной зоны Eg=(Ec — Еv) исходного материала [так как (EF — Еc) и (EV — ЕF)<<Eg то Eg ≈ e· φk]. Ширина p-n-перехода обратно пропор­циональна концентрации примесей, и при концентрациях, со­ответствующих вырождению (1019—1020 см−3), ширина пе­рехода получается порядка 100 А°.

Перейти на страницу:  1  2  3  4  5  6  7  8  9  10  11