- •Физические основы электроники
- •Тема 1. Основы теории твердого тела
- •1.1 Строение твердых тел
- •2. Кристаллическое строение веществ:
- •4. Дефекты кристалла
- •1.3 Собственная проводимость полупроводников
- •1.5 Примесные полупроводники
- •1.6 Оптические и электрические свойства полупроводников
- •1.7 Жидкокристальные приборы для отображения информации
- •Тема 2. Физические эффекты в твердых и газообразных диэлектриках
- •2.1 Поляризация, электропроводность, диэлектрические потери, проницаемость
- •Виды поляризации: электронная, ионная, дипольно-релаксационная, ионно-релаксационная, самопроизвольная и др.
- •Ионная поляризация. Она возникает вследствие упругого смещения связанных ионов из положения равновесия на расстояние, меньшее постоянной кристаллической решетки.
- •Дипольно-релаксационная поляризация. Заключается в повороте (ориентации) дипольных молекул в направлении электрического поля.
- •Диэлектрики с ионной структурой. К ним относятся твердые неорганические диэлектрики с выше перечисленными поляризациями и делятся по потерям на 2 группы:
- •2.2 Электропроводность диэлектриков, диэлектрические потери, диэлектрическая проницаемость, электрическая прочность, виды пробоя в диэлектриках
- •Электропроводность. В твердых диэлектриках представляет собой сумму токов:
- •Пробой диэлектриков. Явление образования в диэлектрике проводящего канала под действием электрического поля называется пробоем. Различают два вида пробоя: полный и неполный.
- •Тепловой пробой. Обусловлен нарушением теплового равновесия диэлектрика вследствие диэлектрических потерь. Мощность, выделяющаяся в образце равна:
- •2.3 Сегнетодиэлектрики
- •2.4 Пьезоэлектрики
- •2.5 Активные диэлектрики
- •Вывод. При отсутствии внешнего поля сегентодиэлектрики представляет собой как бы мозаику из доменов - областей с различными направлениями поляризованности.
- •2.6 Электропроводность газообразных диэлектриков
- •4 Вида самостоятельного разряда:
- •Закон Пашека. Пробивное напряжение воздуха и других газов в электрическом поле является функцией произведения давления газа на расстояние между электродами:
- •2.7 Электролюминесценция, катодолюминесценция
- •Тема 3. Физические эффекты в проводниках
- •3.2 Полукристаллические и аморфные металлы и сплавы
- •2 Алюминий
- •3 Железо
- •4 Натрий
- •5 Вольфрам
- •6 Молибден
- •7 Благородные металлы
- •8 Никель и кобальт
- •9 Свинец
- •10 Олово
- •11 Цинк и кадмий
- •12 Индий и галлий
- •13 Ртуть
- •3.3 Особенности металлов в тонкопленочном состоянии
- •Вольфрамобариевые катоды
- •Вторичная эмиссия
- •3.4 Сверхпроводящие проводники. Статический эффект Джозефсона. Применение сверхпроводимости
- •Применение
- •3.5 Контактная разность потенциалов, термо-эдс, эффекты
- •Два закона:
- •Механизм возникновения
- •Тема 4. Физические эффекты в магнитных материалах
- •4.2 Зависимость параметров от температуры. Свойства магнитных материалов в свч полях
- •Магнитодиэлектрики
- •Тема 5. Физические основы процессов в полупроводниковых материалах
- •Концентрация зарядов в пп. Вероятность Fn (w) нахождения свободного электрона в энергетическом состоянии w определяется функцией Ферми- Дирака:
- •5.2 Понятие об электронно-дырочном переходе, типы переходов, токи в p-n-переходе
- •5.3 Прямо смещенный p-n-переход
- •5.4 Вольтамперные характеристики и p-n модель
- •2 Вольтамперная характеристика
- •3. Физические процессы в контактах пп с различной шириной запрещенной зоны (гетеропереходы), металл - пп
- •4. Гетеропереходы
- •5. Люминесценция полупроводников
- •6. Фотопроводимость полупроводников
- •7. Эффект Холла
- •5.5 Эффект поля
- •2 Эффекты в структурах мдп
- •3. В идеальных мдп-структурах не учитывалось влияние зарядов в окисле и на границе окисел - кремний
5.2 Понятие об электронно-дырочном переходе, типы переходов, токи в p-n-переходе
Электрическим переходом называют переходной слой между областями твердого тела с различными типами электропроводимости (n - полупроводник, p - полупроводник, метала, диэлектрик) или областей с одинаковым типом электропроводности, но с различными значениями удельной проводимости.
Чаще всего используется электрический переход между полупроводниками n и p типа называемый электронно-дырочным переходом или p-n - переходом. Структура идеального p-n - перехода.
Рисунок 5.9 - структура p - n - перехода.
На рисунке 5.9 показано распределение концентрации примесей (Na - акцептор, Nд - донорная).
Удельные Na и Nд не зависят от координаты, поэтому из-за скачкообразного перехода в сечении X0, переход называется резким и симметричным.
Если Na >> Nд, то переход считается резким и несимметричным.
Образование p-n - переходов. В исходном состояние (до контакта) p и n - полупроводники электрически нейтральны, так как заряд основных носителей в каждом полупроводнике компенсировался зарядов ионов примесей и не основных носителей.
Концентрация основных и не основных носителей в p - области
pp»Na и np=ni2/Na,
а в n - области
nn » Nд и pn=ni2/Nд.
Поэтому при контакте появляется градиент концентрации дырок pp и nn, а значит, произойдет диффузия дырок из приконтактного слоя p в область n, а электронов из n области в p область.
Уход основных носителей приводит к нарушению электрической нейтральности в приконтактных областях в близи плоскости X0: в p области окажется нескомпенсированный отрицательный заряд неподвижных акцепторных ионов, а в n области нескомпенсированный положительный заряд донорных ионов.
Рисунок 5.10 - Условное изображение p - n - перехода
Носители, перешедшие в другую область, должны рекомбинировать с основными носителями этой области. Уменьшение основных носителей при рекомбинации приводит к нарушению электрической нейтральности и увеличению нескомпенсированных зарядов ионов слева и справа от плоского контакта.
Вывод: вблизи контакта образуется двойной электрический слой, т.е. создается электрическое поле с напряженностью поля Е.
Образовавшиеся поле является тормозящим (создается потенциальный барьер) для диффундирующих через контакт основных носителей каждой области. Но по мере увеличения потенциального барьера, его могут преодолеть только те основные носители, которые имеют достаточную энергию больше, чем высота барьера.
Для неосновных носителей поле будет ускоряющим, а поэтому появится ток дрейфа: электронов из p - области, а дырок из n - области в p - область.
С ростом Е ток диффузии уменьшается, а рост дрейфового тока увеличивается, но при определенном значении Е наступает равновесие. Это равновесное значение встречных потоков соответствует определенной разности потенциалов, которую называют контактной разностью потенциала или диффузионным потенциалом.
В близи плоскости контакта образовалась переходная область, обедненная подвижными носителями заряда, которую назвали p - n - переходом или обедненным слоем.
Так как области до образования контакта были электрически нейтральными, то вся структура после контакта осталась нейтральной. Нейтральным является и обедненный слой, так как заряды êQa ê=Qд
Так как обедненный слой располагается в разных областях, но протяженность слоя в областях обратно пропорциональна концентрации примесей. Если Na>>Nд, то обедненный слой располагается в основном в области с меньшей концентрации примеси, обычно называемый базовой областью (это в данном случае N область). Область с большей концентрацией называют эмиттером.
Энергетическая диаграмма p - n - перехода указана на рисунке 5.3.
Рисунок 5.11 - Энергетическая диаграмма p - n - перехода.
Уровень Ферми WF не зависит от координаты X0, он находится в близи зон проводимости и валентной.
Излом этих границ на значение rEk=ejk характеризует контактную разность потенциалов, которая является потенциальным барьером только для основных носителей обеих областей. Например, электрон 1, подошедший к границе обедненного слоя, не может перейти из n в p - область, так как его энергия не достаточна для преодоления барьера. А электрон 2 может преодолеть барьер. Аналогично будет и для дырок - основных носителей. Для неосновных носителей поле будет ускоряющим.
Контактную разность потенциалов можно определить:
Uk p - n=kT/e * ln *pp/pn=kT/e*ln*NaNд/ni2=jт*ln*NaNд/ni2,
где kT/e - температурный потенциал, обозначается jт.
Uk p - n зависит:
1) от ширины запретной зоны ПП, при одинаковых концентрациях она больше у ПП с большей шириной;
2) от концентрации примесей в областях, с увеличением примеси Uk p - n возрастает;
) от температуры ПП, с увеличением температуры Uk p - n уменьшается.
Значение толщины запирающего слоя определяют:
,
где e - относительная диэлектрическая проницаемость ПП;
Если переход резко несимметричен Na>>Nд, то
d p - n= Ö(2ee0 / eNa) * jk
Для симметричного p - n - перехода с линейным распределением примеси Nэф
d=Ö12ee0 φк / e * dNэф / dx