- •Электронные твердотельные приборы
- •Часть 1
- •Введение
- •1.1 Общие сведения о полупроводниках
- •1.2. Собственные полупроводники
- •1.3. Электронные полупроводники
- •1.4. Дырочные полупроводники
- •1.5. Токи в полупроводниках
- •Контрольные вопросы
- •2.1. Электронно-дырочный переход в состоянии равновесия
- •2.2. Прямое и обратное включение p-n перехода
- •2.3. Теоретическая вольтамперная характеристика p-n-перехода
- •2.4. Реальная вольтамперная характеристика p-n-перехода
- •2.5. Емкости p-n-перехода
- •Контрольные вопросы
- •3.1. Классификация, разновидности
- •3.2. Стабилитроны
- •3.3. Параметрический стабилизатор напряжения
- •Контрольные вопросы
- •4. Биполярные транзисторы
- •4.1. Физические процессы и токи в транзисторе
- •4.2. Moдyляция ширины бaзы
- •4.3. Статические характеристики
- •4.4. Влияние температуры на статистические характеристики
- •4.5. Малосигнальные параметры и эквивалентная схема
- •4.6. Усилительный каскад на биполярном транзисторе
- •4.7. Частотные свойства биполярных транзисторов
- •Контрольные вопросы
- •5. Полевые транзисторы
- •5.1. Физические процессы в полевом транзисторе с p-n-переходом
- •5.2. Малосигнальные параметры полевого транзистора
- •5.3. Эквивалентная схема полевого транзистора для малого сигнала
- •5.4. Полевые транзисторы с изолированным затвором
- •5.5. Полевой транзистор с плавающим затвором
- •5.6. Полевой транзистор с затвором Шоттки
- •5.7. Усилительный каскад на полевом транзисторе
- •Контрольные вопросы
- •6. Тиристоры
- •Контрольные вопросы
- •Заключение
- •Библиографический Список
- •ОглавлеНие
- •Электронные твердотельные приборы
- •680021, Г. Хабаровск, ул. Серышева, 47.
1.3. Электронные полупроводники
Электронным полупроводником или полупроводником типа n (от латинского negative – отрицательный) называется полупроводник, в кристаллической решетке которого (рис. 1.3) помимо основных (четырехвалентных) атомов содержатся примесные пятивалентные атомы, называемые донорами. В такой кристаллической решетке четыре валентных электрона примесного атома заняты в ковалентных связях, а пятый ("лишний") электрон не может вступить в нормальную ковалентную связь и легко отделяется от примесного атома, становясь свободным носителем заряда. При этом примесный атом превращается в положительный ион. При комнатной температуре практически все примесные атомы оказываются ионизированными. Наряду с ионизацией примесных атомов в электронном полупроводнике происходит тепловая генерация, в результате которой образуются свободные электроны и дырки, однако концентрация возникающих в результате генерации электронов и дырок значительно меньше концентрации свободных электронов, образующихся при ионизации примесных атомов, так как энергия, необходимая для разрыва ковалентных связей, существенно больше энергии, затрачиваемой на ионизацию примесных атомов.
Концентрация электронов в электронном полупроводнике обозначаетсяnn, а концентрация дырок –pn. Электроны в этом случае являются основными носителями заряда, а дырки – неосновными.
В состоянии теплового равновесия в таком полупроводнике концентрации свободных электронов nn и дырок pn определяются соотношениями:
nn = An exp((Wфп – Wдн) / (kT)); pn = Ap exp((Wв – Wфп) / (kT).; (1.3)
С учётом соотношений (1.1) и (1.2) их можно представить в следующем виде:
nn = ni exp((Wфп – Win) / (kT)); (1.4)
pn = ni exp((Win – Wфп) / (kT)). (1.5)
Из этих соотношений следует, что для полупроводника n-типа выполняется неравенство nn >> pn .
Если считать, что при комнатной температуре все атомы донорных примесей ионизированы (nn = Nд, pn0), то на основании выражения (1.4) можно записать:
Wфп = Win + kTLn(Nд /ni), (1.6)
где Nд – концентрация донорных атомов в полупроводнике.
Из соотношения (1.6) видно, что в полупроводниках n-типа уровень Ферми располагается в верхней половине запрещенной зоны, и тем ближе к зоне проводимости, чем больше концентрация доноров. При увеличении температуры уровень Ферми смещается к середине запрещенной зоны за счёт ионизации основных атомов полупроводника.
1.4. Дырочные полупроводники
Дырочным полупроводником или полупроводником типа p (от латинского positive – положительный) называется полупроводник, в кристаллической решётке которого (рис. 1.4) содержатся примесные трехвалентные атомы, называемые акцепторами.
Втакой кристаллической решетке одна из ковалентных связей остается незаполненной. Свободную связь примесного атома может заполнить электрон, покинувший одну из соседних связей. При этом примесный атом превращается в отрицательный ион, а на том месте, откуда ушел электрон, возникает дырка.
В дырочном полупроводнике, также как и в электронном, происходит тепловая генерация носителей заряда, но их концентрация во много раз меньше концентрации дырок, образующихся в результате ионизации акцепторов. Концентрация дырок в дырочном полупроводнике обозначается pp, они являются основными носителями заряда, а концентрация электронов обозначается np, они являются неосновными носителями заряда.
В состоянии теплового равновесия концентрация дырок в полупроводнике p-типа pp и свободных электронов np определяется из соотношений:
pp = ni exp((Wip – Wфр) / (kT)); (1.7)
np = ni exp((Wфр – Wip) / (kT)). (1.8)
Из уравнений (1.7) и (1.8) следует, что для полупроводника p-типа выполняется неравенство np >> pp.
Если считать, что при комнатной температуре все акцепторные атомы ионизированы, т. е. pp Na, np 0 = 0, то на основании соотношения можно записать
Wфр = Wip – kTLn(Na / ni), (1.9)
где Na – концентрация акцепторных атомов в полупроводнике.
Соотношение (1.9) показывает, что уровень Ферми в полупроводнике p-типа располагается в нижней половине запрещенной зоны, так как Na >> ni, и при повышении температуры смещается к середине запрещенной зоны за счёт ионизации атомов основного полупроводника.
Кроме того, на основании уравнений (1.4), (1.5), (1.7) и (1.8) можно записать следующее выражение:
nnpn = pnnp = n2i , (1.10)
которое показывает, что введение в полупроводник примесей приводит к увеличению концентрации одних носителей заряда и пропорциональному уменьшению концентрации других носителей заряда за счёт роста вероятности их рекомбинации.
Увеличение концентрации примеси приближает уровень Ферми к границам запрещенной зоны. При концентрации примесей порядка 1015 – 1019 см-3 уровень Ферми расположен сравнительно далеко от границ запрещенной зоны. Такое состояние полупроводника называется невырожденным. При более высокой концентрации примесей возрастает взаимодействие примесных атомов и происходит расширение полосы, занимаемой энергетическими уровнями этих атомов, в результате эта полоса сливается с ближайшей к ней зоной разрешенных уровней, а уровень Ферми оказывается за пределами запрещенной зоны. Такое состояние полупроводника называется вырожденным. В этом состоянии полупроводник становится почти проводником.