Меню

Полная плотность тока в полупроводниках

Полупроводники. Структура полупроводников. Типы проводимости и возникновение тока в полупроводниках.

23 Май 2013г | Раздел: Радио для дома

Здравствуйте уважаемые читатели сайта sesaga.ru. На сайте есть раздел посвященный начинающим радиолюбителям, но пока что для начинающих, делающих первые шаги в мир электроники, я толком ничего и не написал. Восполняю этот пробел, и с этой статьи мы начинаем знакомиться с устройством и работой радиокомпонентов (радиодеталей).

Начнем с полупроводниковых приборов. Но чтобы понять, как работает диод, тиристор или транзистор, надо представлять, что такое полупроводник. Поэтому мы, сначала изучим структуру и свойства полупроводников на молекулярном уровне, а затем уже будем разбираться с работой и устройством полупроводниковых радиокомпонентов.

Полупроводниковые радиокомпоненты

Общие понятия.

Почему именно полупроводниковый диод, транзистор или тиристор? Потому, что основу этих радиокомпонентов составляют полупроводники – вещества, способные, как проводить электрический ток, так и препятствовать его прохождению.

Это большая группа веществ, применяемых в радиотехнике (германий, кремний, селен, окись меди), но для изготовления полупроводниковых приборов используют в основном только Кремний (Si) и Германий (Ge).

По своим электрическим свойствам полупроводники занимают среднее место между проводниками и непроводниками электрического тока.

Свойства полупроводников.

Электропроводность проводников сильно зависит от окружающей температуры.
При очень низкой температуре, близкой к абсолютному нулю (-273°С), полупроводники не проводят электрический ток, а с повышением температуры, их сопротивляемость току уменьшается.

Если на полупроводник навести свет, то его электропроводность начинает увеличиваться. Используя это свойство полупроводников, были созданы фотоэлектрические приборы. Также полупроводники способны преобразовывать энергию света в электрический ток, например, солнечные батареи. А при введении в полупроводники примесей определенных веществ, их электропроводность резко увеличивается.

Строение атомов полупроводников.

Германий и кремний являются основными материалами многих полупроводниковых приборов и имеют во внешних слоях своих оболочек по четыре валентных электрона.

Атом германия состоит из 32 электронов, а атом кремния из 14. Но только 28 электронов атома германия и 10 электронов атома кремния, находящиеся во внутренних слоях своих оболочек, прочно удерживаются ядрами и никогда не отрываются от них. Лишь только четыре валентных электрона атомов этих проводников могут стать свободными, да и то не всегда. А если атом полупроводника потеряет хотя бы один электрон, то он становится положительным ионом.

В полупроводнике атомы расположены в строгом порядке: каждый атом окружен четырьмя такими же атомами. Причем они расположены так близко друг к другу, что их валентные электроны образуют единые орбиты, проходящие вокруг соседних атомов, тем самым связывая атомы в единое целое вещество.

Представим взаимосвязь атомов в кристалле полупроводника в виде плоской схемы.
На схеме красные шарики с плюсом, условно, обозначают ядра атомов (положительные ионы), а синие шарики – это валентные электроны.

Межатомная связь полупроводников

Здесь видно, что вокруг каждого атома расположены четыре точно таких же атома, а каждый из этих четырех имеет связь еще с четырьмя другими атомами и т.д. Любой из атомов связан с каждым соседним двумя валентными электронами, причем один электрон свой, а другой заимствован у соседнего атома. Такая связь называется двухэлектронной или ковалентной.

В свою очередь, внешний слой электронной оболочки каждого атома содержит восемь электронов: четыре своих, и по одному, заимствованных от четырех соседних атомов. Здесь уже не различишь, какой из валентных электронов в атоме «свой», а какой «чужой», так как они сделались общими. При такой связи атомов во всей массе кристалла германия или кремния можно считать, что кристалл полупроводника представляет собой одну большую молекулу. На рисунке розовым и желтым кругами показана связь между внешними слоями оболочек двух соседних атомов.

Электропроводность полупроводника.

Рассмотрим упрощенный рисунок кристалла полупроводника, где атомы обозначаются красным шариком с плюсом, а межатомные связи показаны двумя линиями, символизирующими валентные электроны.

Упрощенная межатомная связь в полупроводнике

При температуре, близкой к абсолютному нулю полупроводник не проводит ток, так как в нем нет свободных электронов. Но с повышением температуры связь валентных электронов с ядрами атомов ослабевает и некоторые из электронов, вследствие теплового движения, могут покидать свои атомы. Вырвавшийся из межатомной связи электрон становится «свободным», а там где он находился до этого, образуется пустое место, которое условно называют дыркой.

Чем выше температура полупроводника, тем больше в нем становится свободных электронов и дырок. В итоге получается, что образование «дырки» связано с уходом из оболочки атома валентного электрона, а сама дырка становится положительным электрическим зарядом равным отрицательному заряду электрона.

Читайте также:  Чему равна сила тока протекающего через два последовательно

А теперь давайте рассмотрим рисунок, где схематично показано явление возникновения тока в полупроводнике.

Явление возникновения тока в полупроводнике

Если приложить некоторое напряжение к полупроводнику, контакты «+» и «-», то в нем возникнет ток.
Вследствие тепловых явлений, в кристалле полупроводника из межатомных связей начнет освобождаться некоторое количество электронов (синие шарики со стрелками). Электроны, притягиваясь положительным полюсом источника напряжения, будут перемещаться в его сторону, оставляя после себя дырки, которые будут заполняться другими освободившимися электронами. То есть, под действием внешнего электрического поля носители заряда приобретают некоторую скорость направленного движения и тем самым создают электрический ток.

Например: освободившийся электрон, находящийся ближе всего к положительному полюсу источника напряжения притягивается этим полюсом. Разрывая межатомную связь и уходя из нее, электрон оставляет после себя дырку. Другой освободившийся электрон, который находится на некотором удалении от положительного полюса, также притягивается полюсом и движется в его сторону, но встретив на своем пути дырку, притягивается в нее ядром атома, восстанавливая межатомную связь.

Образовавшуюся новую дырку после второго электрона, заполняет третий освободившийся электрон, находящийся рядом с этой дыркой (рисунок №1). В свою очередь дырки, находящиеся ближе всего к отрицательному полюсу, заполняются другими освободившимися электронами (рисунок №2). Таким образом, в полупроводнике возникает электрический ток.

Пока в полупроводнике действует электрическое поле, этот процесс непрерывен: нарушаются межатомные связи — возникают свободные электроны — образуются дырки. Дырки заполняются освободившимися электронами – восстанавливаются межатомные связи, при этом нарушаются другие межатомные связи, из которых уходят электроны и заполняют следующие дырки (рисунок №2-4).

Из этого делаем вывод: электроны движутся от отрицательного полюса источника напряжения к положительному, а дырки перемещаются от положительного полюса к отрицательному.

Электронно-дырочная проводимость.

В «чистом» кристалле полупроводника число высвободившихся в данный момент электронов равно числу образующихся при этом дырок, поэтому электропроводность такого полупроводника мала, так как он оказывает электрическому току большое сопротивление, и такую электропроводность называют собственной.

Но если в полупроводник добавить в виде примеси некоторое количество атомов других элементов, то электропроводность его повысится в разы, и в зависимости от структуры атомов примесных элементов электропроводность полупроводника будет электронной или дырочной.

Электронная проводимость.

Допустим, в кристалле полупроводника, в котором атомы имеют по четыре валентных электрона, мы заменили один атом атомом, у которого пять валентных электронов. Этот атом своими четырьмя электронами свяжется с четырьмя соседними атомами полупроводника, а пятый валентный электрон останется «лишним» – то есть свободным. И чем больше будет таких атомов в кристалле, тем больше окажется свободных электронов, а значит, такой полупроводник по своим свойствам приблизится к металлу, и чтобы через него проходил электрический ток, в нем не обязательно должны разрушаться межатомные связи.

Полупроводники, обладающие такими свойствами, называют полупроводниками с проводимостью типа «n», или полупроводники n-типа. Здесь латинская буква n происходит от слова «negative» (негатив) — то есть «отрицательный». Отсюда следует, что в полупроводнике n-типа основными носителями заряда являются – электроны, а не основными – дырки.

Дырочная проводимость.

Возьмем все тот же кристалл, но теперь заменим его атом атомом, в котором только три свободных электрона. Своими тремя электронами он свяжется только с тремя соседними атомами, а для связи с четвертым атомом у него не будет хватать одного электрона. В итоге образуется дырка. Естественно, она заполнится любым другим свободным электроном, находящимся поблизости, но, в любом случае, в кристалле такого полупроводника не будет хватать электронов для заполнения дырок. И чем больше будет таких атомов в кристалле, тем больше будет дырок.

Чтобы в таком полупроводнике могли высвобождаться и передвигаться свободные электроны, обязательно должны разрушаться валентные связи между атомами. Но электронов все равно не будет хватать, так как число дырок всегда будет больше числа электронов в любой момент времени.

Такие полупроводники называют полупроводниками с дырочной проводимостью или проводниками p-типа, что в переводе от латинского «positive» означает «положительный». Таким образом, явление электрического тока в кристалле полупроводника p-типа сопровождается непрерывным возникновением и исчезновением положительных зарядов – дырок. А это значит, что в полупроводнике p-типа основными носителями заряда являются дырки, а не основными — электроны.

Теперь, когда Вы имеете некоторое представление о явлениях, происходящих в полупроводниках, Вам не составит труда понять принцип действия полупроводниковых радиокомпонентов.

Читайте также:  Как протекает ток в цепи постоянного тока

На этом давайте остановимся, а в следующей части рассмотрим устройство, принцип работы диода, разберем его вольт-амперную характеристику и схемы включения.
Удачи!

Источник

2.2.2. Плотность тока в полупроводнике

В общем случае ток в полупроводнике обусловлен дрейфо­вым и диффузионным движением носителей заряда – электронов и дырок. Поэтому плотность тока представляется суммой четырех компонентов:

где индексы «др» и «дф» указывают на дрейф и диффузию.

Дрейфовым движением называют направленное движение носителей под действием напряженности электрического поля (градиента потенциала).

Плотность дрейфового тока в соответствии с общим опреде­лением

(2.48)

где и – дрейфовая скорость электронов и дырок, пропорци­ональная напряженности электрического поля Е:

(2.49)

Коэффициенты иназываютподвижностью электронов и дырок. Подставив (2.49) в (2.48), получим

(2.50)

Эти формулы часто записывают в виде

(2.51)

где, – удельные электрические проводимости, вы­званные электронами и дырками.

У германия = 3900 см/Вс,= 1900 см/Вс, а кремния= 1500 см/Вс, = 450 см/Вс. То, что подвижность электронов вы­ше подвижности дырок, имеет большое практическое значение; у германия они выше, чем у кремния.

Диффузионные компоненты плотности тока при одномерном рассмотрении определяются градиентами концентраций подвиж­ных носителей, т.е.

(2.52)

где и– коэффициенты диффузии электронов и дырок, завися­щие от материала полупроводника.

При диффузии носители перемещаются через выбранное сече­ние из области, где их концентрация больше, в область, где она меньше (рис. 2.7). Если принятьdn/dx > 0 и dp/dx > 0 (концентрация растет по оси х), то электроны и дырки перемещаются против оси х. Поэтому > 0 (совпадает с направлением оси х), a 3 уже можно считать, что, т.е. состояние счита­ется равновесным.

Аналогично (2.62) можно записать и закон изменения избыточ­ной концентрации дырок в n-полупроводнике:

(2.63)

где, как и в (2.59),

(2.64)

– диффузионная длина дырок в n-полупроводнике.

Источник

Электрический ток в полупроводниках

Выше уже говорилось, что в отсутствие электрического поля и электроны и дырки совершают хаотическое тепловое движение в объеме кристалла.

При помещении кристалла в электрическое поле электроны и дырки получают некоторую упорядоченную вдоль поля составляющую скорости.

Плотность тока – это заряд, проходящий в единицу времени через единичное сечение. В единице объема содержится n свободных электронов в зоне проводимости, имеющих заряд е. Тогда при средней скорости электронов в нормальном направлении к рассматриваемому сечению единичной площади плотность тока будет равна

Так как средняя скорость упорядоченного движения электронов вызвана наличием электрического поля Е, то можно установить связь между этими двумя величинами. Если рассматривать электрон в вакууме, то действие на него электрического поля привело бы его в равномерное ускоренное движение. В реальных кристаллах из-за столкновений с колеблющимися узлами решетки закон движения электрона (или дырки) будет иным. Средняя скорость будет пропорциональна напряженности электрического поля

где μ – подвижность электронов (μn) или дырок (μр).

Тогда плотность тока электронов

где – электронная составляющая удельной проводимости.

Аналогично можно получить выражение для дырочного тока:

где дырочная составляющая удельной проводимости.

С учетом дырочного компонента плотности тока получим:

Это выражение представляет собой закон Ома в дифференциальной форме.

γ = е(μnn + μpp) – полная удельная проводимость полупроводника.

Поскольку в собственном полупроводнике концентрации электронов и дырок равны , то удельная проводимость определится выражением:

Подвижность с ростом температуры будет падать, причем теоретический расчет приводит к следующему характеру зависимости подвижности от температуры:

Падение подвижности носителей заряда с температурой объясняется возрастанием числа столкновений в единицу времени, то есть сокращением времени свободного пробега. В связи с этим становится понятным принципиальный характер различия в поведении металлов и полупроводников с изменением температуры.

У металлов концентрация свободных носителей не изменяется с изменением температуры, а повышение температуры приводит к уменьшению проводимости. У полупроводников, несмотря на снижение подвижности с увеличением температуры, удельная проводимость возрастает по экспоненте за счет быстрого роста концентрации свободных носителей.

Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет

Источник



ТОКИ В ПОЛУПРОВОДНИКАХ

Дрейфовый ток

В полупроводниках свободные электроны и дырки на­ходятся в состоянии хаотического движения. Поэтому, если выбрать произвольное сечение внутри объема полупровод­ника и подсчитать число носителей заряда, проходящих через это сечение за единицу времени слева направо и справа налево, значения этих чисел окажутся одинаковы­ми. Это означает, что электрический ток в данном объеме полупроводника отсутствует.

Читайте также:  Ток полного отклонения что это

При помещении полупроводника в электрическое поле напряженностью Е на хаотическое движение носителей зарядов накладывается составляющая направленного дви­жения. Направленное движение носителей зарядов в элек­трическом поле обусловливает появление тока, называе­мого дрейфовым (Рисунок 1.6, а ) Из-за столкновения носителей зарядов с атомами кристал- лической решетки их движение в направ­лении действия электрического поля

а) б)
Рисунок 1.6 Дрейфовый (а) и диффузионный (б) токи в полупроводнике.

прерывисто и харак­теризуется подвижностью m. Подвижность равна сред­ней скорости , приобретаемой носителями заряда в направлении действия электрического поля напряженностью Е = 1 В/м, т. е.

Подвижность носителей зарядов зависит от механизма их рассеивания в кристаллической решетке. Исследова­ния показывают, что подвижности электронов mn и дырок mp имеют различное значение (mn > mp) и определяются температурой и концентрацией примесей. Увеличение тем­пературы приводит к уменьшению подвижности, что зави­сит от числа столкновений носителей зарядов в единицу времени.

Плотность тока в полупроводнике, обусловленного дрей­фом свободных электронов под действием внешнего элек­трического поля со средней скоростью , определяется выражением .

Перемещение (дрейф) дырок в валентной зоне со сред­ней скоростью создает в полупроводнике дырочный ток, плотность которого . Следовательно, полная плот­ность тока в полупроводнике содержит электронную jn и дырочную jр составляющие и равна их сумме (n и p — концентрации соответственно электронов и дырок).

Подставляя в выражение для плотности тока соотноше­ние для средней скорости электронов и дырок (1.11), по­лучаем

Если сравнить выражение (1.12) с законом Ома j =sЕ, то удельная электропроводность полупроводника опреде­ляется соотношением

У полупроводника с собственной электропроводностью кон­центрация электронов равна концентрации дырок (ni = pi), и его удельная электропроводность определяется выра­жением

В полупроводнике n-типа > , и его удельная электропроводность с достаточной степенью точности мо­жет быть определена выражением

В полупроводнике р-типа > , и удельная элек­тропроводность такого полупроводника

В области высоких температур концентрация электро­нов и дырок значительно возрастает за счет разрыва ковалентных связей и, несмотря на уменьшение их подвижно­сти, электропроводность полупроводника увеличивается по экспоненциальному закону.

Диффузионный ток

Кроме теплового возбуждения, приводящего к возник­новению равновесной концентрации зарядов, равномерно распределенных по объему полупроводника, обогащение полупроводника электронами до концентрации np и дыр­ками до концентрации pn может осуществляться его осве­щением, облучением потоком заряжённых частиц, введе­нием их через контакт (инжекцией) и т. д. В этом случае энергия возбудителя передается непосредственно носите­лям заряда и тепловая энергия кристаллической решетки остается практически постоянной. Следовательно, избы­точные носители заряда не находятся в тепловом равнове­сии с решеткой и поэтому называются неравновесными. В отличие от равновесных они могут неравномерно распре­деляться по объему полупроводника (рисунок 1.6, б)

После прекращения действия возбудителя за счет реком­бинации электронов и дырок концентрация избыточных но­сителей быстро убывает и достигает равновесного значения.

Скорость рекомбинации неравновесных носителей про­порциональна избыточной концентрации дырок (pn — ) или электронов (np — ):

где tp — время жизни дырок; tn — время жизни электронов. За время жизни концентрация неравновесных носите­лей уменьшается в 2,7 раза. Время жизни избыточных носителей составляет 0,01. 0,001 с.

Носители зарядов рекомбинируют в объеме полупро­водника и на его поверхности. Неравномерное распределение неравновесных носите­лей зарядов сопровождается их диффузией в сторону мень­шей концентрации. Это движение носителей зарядов обу­словливает прохождение электрического тока, называемо­го диффузионным (рисунок 1.6, б).

Рассмотрим одномерный случай. Пусть в полупровод­нике концентрации электронов n(x) и дырок p(x) являют­ся функциями координаты. Это приведет к диффузионно­му движению дырок и электронов из области с большей их концентрацией в область с меньшей концентрацией.

Диффузионное движение носителей зарядов обуслов­ливает прохождение диффузионного тока электронов и дырок, плотности которых определяют­ся из соотношений:

где dn(x)/dx, dp(x)/dx — градиенты концентраций электронов и дырок; Dn, Dp — коэффициенты диффузии электро­нов и дырок.

Градиент концентрации характери­зует степень неравномерности распределения зарядов (электронов и дырок) в полупроводнике вдоль какого-то выбранного направления (в данном случае вдоль оси x). Коэффициенты диффузии показывают количество носителей заряда, пересекающих в единицу времени еди­ничную площадку, перпендикулярную к выбранному направ­лению, при градиенте концентрации в этом направлении, рав­ном единице. Коэффициенты

диффузии связаны с подвижностями носителей зарядов соотношениями Эйнштейна:

Знак «минус» в выражении (1.14) означает противопо­ложную направленность электрических токов в полупро­воднике при диффузионном движении электронов и дырок в сторону уменьшения их концентраций.

Если в полупроводнике существует и электрическое поле, и градиент концентрации носителей, проходящий ток будет иметь дрейфовую и диффузионную составляющие. В таком случае плотности токов рассчитываются по следую­щим уравнениям:

Источник