Полупроводники и их применение

Полупроводники  и их применение. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

1. Введение...................................................................................................3
2. Полупроводники и их применение.........................................................4
1. Зонная теория полупроводников..................................................4
2. Собственная проводимость полупроводников............................5
3. Примесная проводимость полупроводников...............................8
4. Фотопроводимость полупроводников........................................10
5. Полупроводниковые диоды и триоды (транзисторы)...............11

3. Применение  полупроводников. ............................................................13
1. Схемы включения и применения фотоэлектронных приборов..................................................................................................14
2. Динамические свойства АИМС..................................................18
4. Вывод.......................................................................................................21

5. Использованная  литература...................................................................22

1.Введение

Цели  работы:

      Получить  четкое представление о том, что такое полупроводники и их применение. Узнать, как проходит проводимость полупроводников, их свойства и особенности.  

      Полупроводники  как особый класс веществ, были известны еще с конца XIX века, только развитие теории твердого тела позволила понять их особенность. Полупроводниками называют вещества, обладающие электронной проводимостью, занимающей промежуточное положение между металлами и изоляторами. От металлов они отличаются тем, что носители электрического тока в них создаются тепловым движением, светом, потоком электронов и т.п. источником энергии. Без теплового движения (вблизи абсолютного нуля) полупроводники являются изоляторами. С повышением температуры электропроводность полупроводников возрастает и при расплавлении носит металлический характер.

        Задолго до этого были обнаружены:

      • эффект выпрямления тока на контакте металл-полупроводник.

      • фотопроводимость.

      Были  построены первые приборы на их основе.

      О. В. Лосев (1923) доказал возможность  использования контактов полупроводник-металл для усиления и генерации колебаний (кристаллический детектор). Однако в последующие годы кристаллические детекторы были вытеснены электронными лампами и лишь в начале 50 - х годов с открытием транзисторов (США 1949 год) началось широкое применение полупроводников (главным образом германия и кремния в радиоэлектронике). Одновременно началось интенсивное изучение свойств полупроводников, чему способствовало совершенствование методов очистки кристаллов и их легированию (введение в полупроводник определенных примесей).

        В СССР изучение полупроводников  начались в конце 20 - х годов под руководством академика А.Ф. Иоффе в Физико-техническом институте АН СССР.

        Интерес к оптическим свойствам  полупроводников возрос всвязи  с открытием вынужденного излучения  в полупроводниках, что привело  к созданию полупроводниковых  лазеров вначале на  p - n - переходе, а затем на гетеропереходах. 

      В последнее время большее распространение  получили приборы, основанные на действии полупроводников. Эти вещества стали  изучать сравнительно недавно, однако без них уже не может обойтись ни современная электроника, ни медицина, ни многие другие науки. 

      2. Полупроводники и их применение.

      Полупроводниками называют вещества, обладающие электронной проводимостью, занимающей промежуточное положение между металлами и изоляторами. От металлов они отличаются тем, что носители электрического тока в них создаются тепловым движением, светом, потоком электронов и т.п. источником энергии. Без теплового движения (вблизи абсолютного нуля) полупроводники являются изоляторами. С повышением температуры электропроводность полупроводников возрастает и при расплавлении носит металлический характер.

      К полупроводниковым материалам относится  большинство минералов, неметаллические  элементы IV, V. VI групп периодической системы Менделеева, неогранические соединения (оксиды, сульфиды), некоторые сплавы металлов, органические красители. Широко применяемые полупроводниковыми материалами являются элементы IV группы периодической системы Менделеева – германий и кремний.

      Различают собственные и  примесные полупроводники.  

      2.1. Зонная теория твердых тел.

      В основе зонной теории лежит адиабатическое приближение. Квантово-механическая система  разделяется на тяжелые и легкие частицы – ядра и электроны. Поскольку  массы и скорости этих частиц знаительно различаются, движение электронов происходит в поле неподвижных ядер, а медленно движущиеся ядра находится в усредненном поле всех электронов. Вследствии этого движение электрона рассматривается в постоянном переодическом поле ядер.

      Зонная теория теория твердых тел позволила истолковать существования металлов, диэлектриков и полупроводников, объясняя различия в их электрических свойствах:

      • неодинаковое заполнение электронами  разрешенных зон.

      • ширина запрещенных зон.

      Степень заполнения электронами энергетических уровней в зоне определяется заполнением соответствующих атомных уровней. Если при этом какой-то энергетический уровень полностью заполнен, то образующаяся энергетическая зона также заполнена целиком. В общем случае можно говорить о валентной зоне, которая полностью заполнена электронами и образована из энергетических уровней внутренних электронов свободных атомов, и в зоне проводимости (свободной зоне), которая либо частично заполнена электронами, либо свободна и образована из энергетических уровней внешних коллективизированных электронов изолированных атомов.

      Различие  между металлами и диэлектриками  с точки зрения зонной теории состоит  в том, что при 0 К в зоне проводимости металлов имеются электроны, а в  зоне проводимости диэлектриков они  отсутятвуют. Различие же между проводниками определяется шириной запрещенных зон: для диэлектриков она довольно широка, для полупроводников – достаточно узка . при температурах, близких к 0 К, полупроводнки ведут себя как диелектрики, так как переброса электронов в зону проводимости не происходит. С повышением температуры у полупроводников растет число электронов, которые вследствии теплового возбуждения переходят в зону  проводимости, т.е. электрическая проводимость проводников в этом случае увеличивается. 

      2.2. Собственная проводимость полупроводников.

      Собственная проводимость возникает в результате перехода электронов с верхних уровней валентной зоны в зону проводимости. При этом в зоне проводимости появляется некоторое число носителей тока — электронов, занимающих уровни вблизи дна зоны; одновременно в валентной зоне  освобождается такое же число мест на верхних уровнях. Такие свободные от электронов места на уровнях заполненной при абсолютном нуле валентной зоны называют дырками.

      Распределение электронов по уровням  валентной зоны и  зоны проводимости определяется функцией Ферми. Вычисления показывают, что уровень Ферми лежит точно посредине запрещенной зоны (рис.1). Следовательно, для электронов, перешедших в зону проводимости, величина W—W_F мало отличается от половины ширины запрещенной зоны. Уровни зоны проводимости лежат на хвосте кривой распределения. Поэтому вероятность их заполнения электронами можно находить по формуле:

(1.1)

      Количество  электронов, перешедших в зону проводимости, будет

пропорционально вероятности (1.1). Эти электроны, а  также, как мы увидим ниже, образовавшиеся в таком же числе дырки, являются носителями тока.

        Поскольку ,проводимость пропорциональна числу носителей, она также должна быть пропорциональна    выражению (1.1). Следовательно, электропроводность полупроводников быстро растет с температурой, изменяясь по закону:

      где ΔW—ширина запрещенной зоны.

      Если  на графике откладывать зависимость 1n σ от 1/T, то для полупроводников  получается прямая линия, изображенная на рис. 2. По наклону этой прямой можно  определить ширину запрещенной зоны ΔW.

      Типичными полупроводниками являются элементы IV группы периодической системы Менделеева — германий и кремний. Они образуют решетку, в которой каждый атом связан ковалентными (парно-электронными) связями  с четырьмя равноотстоящими от него соседними атомами. Условно такое взаимное расположение атомов можно представить в виде плоской структуры, изображенной на рис. 3. Кружки со знаком «+» обозначают положительно заряженные атомные остатки (т. е. ту часть атома, которая остается после удаления валентных электронов), кружки   со   знаком   «—»— валентные электроны, двойные линии—ковалентные связи.

      При достаточно высокой температуре  тепловое движение может разорвать отдельные пары, освободив один электрон (такой случай показан на рис. 3).

      Покинутое электроном место перестает быть нейтральным, в его окрестности возникает избыточный положительный заряд + е — образуется дырка. На это место может перескочить электрон одной из соседних пар. В результате дырка начинает также странствовать по кристаллу, как и освободившийся электрон.

      Если  свободный электрон встретится с дыркой, они рекомбинируют    (соединяются). Это означает, что электрон нейтрализует избыточный   положительный заряд, имеющийся в окрестности дырки, и теряет свободу передвижения до тех пор, пока снова не получит от кристал

      лической  решетки энергию, достаточную для  своего высвобождения. Рекомбинация приводит к одновременному исчезновению свободного электрона я дырки. На схеме уровней (рис. 1) процессу рекомбинации соответствует переход электрона из зоны проводимости на один из свободных уровней валентной зоны.

      Итак, в полупроводнике идут одновременно два процесса: рождение попарно свободных  электронов и дырок и рекомбинация, приводящая к попарному исчезновению электронов и дырок. Вероятность первого процесса быстро растет с температурой. Вероятность рекомбинации пропорциональна как числу свободных электронов, так и числу дырок. Следовательно, каждой температуре соответствует определенная -равновесная концентрация электронов и дырок, величина которой изменяется с температурой по такому же закону, как и σ.

      В отсутствие внешнего электрического поля электроны проводимости и дырки движутся хаотически. При включении поля на хаотическое движение накладывается упорядоченное движение: электронов против поля и дырок — в направлении поля. Оба движения — и дырок, и электронов — приводят к переносу заряда вдоль кристалла. Следовательно, собственная электропроводность обусловливается как бы носителями заряда двух знаков— отрицательными электронами и положительными дырками.

        Собственная проводимость наблюдается  во всех без исключения полупроводниках при достаточно высокой температуре. 
 
 
 

      2.3. Примесная проводимость.

      Этот  вид проводимости возникает, если некоторые атомы данного полупроводника

заменить  в узлах кристаллической решетки атомами, валентность которых отличается на единицу от валентности основных атомов. На рис. 4 условно изображена решетка германия с примесью 5-валентных атомов фосфора. Для образования ковалентных связей с соседями атому фосфора достаточно четырех электронов. Следовательно, пятый валентный электрон оказывается как бы лишним и легко отщепляется от атома за счет энергии теплового движения, образуя странствующий свободный электрон. В отличие от рассмотренного раньше случая образование свободного электрона не сопровождается нарушением ковалентных связей, т. е. образованием дырки. Хотя в окрестности атома примеси возникает избыточный положительный заряд, но он связан с этим атомом и перемещаться по решетке не может. Благодаря этому заряду атом примеси может захватить приблизившийся к нему электрон, но связь захваченного электрона с атомом будет непрочной и легко нарушается вновь за счет тепловых колебаний решетки.         

      Таким образом, в полупроводнике с 5-валентной  примесью имеется только один вид  носителей тока — электроны. Соответственно говорят, что такой полупроводник обладает электронной проводимостью или является полупроводником n-типа). Атомы примеси, поставляющие электроны проводимости, называются  д о н о р а м и.

      Примеси искажают поле решетки, что приводит к возникновению на энергетической схеме так называемых локальных уровней, расположенных в запрещенной зоне кристалла (рис. 5). Любой уровень валентной зоны или зоны проводимости может быть занят электроном, находящимся в любом месте кристалла.

      Энергию, соответствующую локальному уровню, электрон может иметь, лишь находясь вблизи атома примеси, вызвавшего появление этого уровня. Следовательно, электрон, занимающий примесный уровень, локализован вблизи атома примеси.

         Если донорные уровни расположены  недалеко от потолка валентной  зоны, они не могут существенно  повлиять на электрические свойства  кристалла. Иначе обстоит дело, когда расстояние таких уровней от дна зоны проводимости гораздо меньше, чем ширина запрещенной зоны, В этом случае энергия теплового движения даже при обычных температурах оказывается достаточной для того, чтобы перевести электрон с донорного уровня в зону проводимости. На рис. 4 этому процессу соответствует отщепление пятого валентного электрона от атома примеси. Захвату свободного электрона атомом примеси соответствует на рис. 5  переход электрона из зоны проводимости на один из донорных уровней.

      Уровень Ферми в полупроводнике n-типа лежит между донорными уровнями и дном зоны проводимости, при невысоких температурах — приблизительно посредине между ними (рис. 5).

      На  рис. 6 условно изображена решетка  кремния с примесью 3-валентных  атомов бора. Трех валентных электронов атома бора недостаточно для образования связей со

всеми четырьмя соседями. Поэтому одна из связей окажется неукомплектованной и будет представлять собой место, способное захватить электрон. При переходе на это место электрона одной из соседних пар возникнет дырка, которая будет кочевать по кристаллу. Вблизи атома примеси возникнет избыточный отрицательный заряд, но он будет связан с данным атомом и не может стать носителем тока. Таким образом, в полупроводнике с 3-валентной примесью возникают носители тока только одного вида — дырки. Проводимость в этом случае называется дырочной, а о полупроводнике говорят, что он принадлежит к p-типу. Примеси, вызывающие возникновение дырок, называются акцепторными.

      На  схеме уровней (рис. 7) акцептору соответствует расположенный в запретной зоне недалеко от ее дна локальный уровень. Образованию дырки отвечает переход электрона из валентной зоны на акцепторный уровень. Обратный переход соответствует разрыву одной из четырех ковалентных связей атома примеси с его соседями и рекомбинации образовавшегося при этом электрона и дырки.

      Уровень Ферми в полупроводнике р-типа лежит  между потолком валентной зоны и акцепторными уровнями, при невысоких температурах — приблизительно посредине между ними.

      С повышением температуры концентрация примесных носителей тока быстро достигает насыщения. Это означает, что практически освобождаются все донорные или

заполняются электронами все акцепторные  уровни. Вместе с тем по мере роста температуры все в большей степени начинает сказываться собственная проводимость полупроводника, обусловленная переходом электронов непосредственно из валентной зоны в зону проводимости. Таким образом, при высоких температурах проводимость полупроводника будет складываться из примесной и собственной проводимости. При низких температурах преобладает примесная, а при высоких — собственная проводимость. 

2.4. Фотопроводимость полупроводников.

      Фотопроводимось проводников – увеличение электропроводности полупроводников под действием  электромагнитного излучения. Когда энергия фотонов равна или больше ширины запрещенной зоны (hv ≥∆E), могут совешать перебросы электронов из валентной зоны в зону проводимости (рис. 8), что приведет к появлению добавочных (неравновесных) электронов (в зоне проводимости) и дырок (в валентной зоне). В результате возникает собственная фотопроводимость. 

      Если  проводник содержит примеси, то фотопроводимость может возникать и при hv<∆E: для полупроводников с донорной примесью фотон должен обладать энергией hv ≥∆ED , а для полупроводников с акцепторной примесью - hv ≥∆EА. При поглощении света примесными центрами происходит переход электронов с донорных уровней в зону проводимости в случае полупрводника n-типа (рис. 8, б) или валентной зоны на акцепторные уровни в случае полупроводника р-типа (рис.8, в).

      К появлению фотопроводимости могут  способствовать экситоны. Они представляют собой квазачастицы – электрически нейтральные связанные состояния  электрона и дырки, образующиеся в случае возбуждения с энергией, меньше ширины запрещенной зоны. Уровни энергии экситонов располагаются у дна зоны проводимости. Так как экситоны электрически нейтральны, то их возникновение в полупроводнике не приводит к появлению дополнительных носителей тока, вследствии чего экситонное поглощение света не сопровождаются увеличением фотопроводимости. 

      2.5. Контакт электронного и дырочного полупроводников (р-n – переход).

       Граница соприкосновения двух полупроводников, один из которых имеет электронную, а другой – дырочную проводимость, называется электронно – дырочным переходом (или р-n – переходом). р-n – Переход нельзя осуществить просто механическим соединением двух полупроводников. Обычно области различной формы проводимости создают либо при выращевании кристаллов, либо при соответствующей обработке кристаллов. Электронно-дырочный переход является основным структурным элементом большинства полупроводниковых приборов, его свойствами определяется принцип действия и функциональные возможности этих приборов. Рассмотрим физические процессы, происходящие в p-n-переходе (рис.9). Пусть донорный полупроводник (работа выхода – А n, уровень Ферми – ЕFn) приводится в контакт (рис.9, б) с акцепторным полупроводником (работа выхода – А р, уровень Ферми – ЕFр). Электроны из n-полупроводника, где их концентрация выше, будут диффундировать в р-полупроводниках, где их концентрация ниже. Диффузия же дырок происходит в обратном направлении – в направлении р→n. В n-полупроводнике из-за ухода вблизи границы остается нескомпенсированный положительный объемный заряд неподвижных ионизированных донорных атомов. В р-полупроводниках из-за дырок вблизи границы образуется отрицательный объемный заряд неподвижных ионизированных акцепторов (рис. 9,а). Эти заряды у границы образуют двойной электрический слой, поле которого, направленное от n-области к р-области, припятствует дальнейшему переходу электронов в направлении n→р и дырок в направлении р→n.

       При определенной толщине р-n-перехода наступает равновестное состояние, характеризуемое выравниваем уровней Ферми для обоих полупроводников (рис. 9,в). В областе р-n-перехода энергетические зоны искривляются, в результате чего возникают потенциальные барьеры как для электронов, так и для дырок. Высота потенциального барьера е  определяются первоначальной разностью положений уровня Ферми в обоих полупропроводниках. 
 

      2.6. Полупроводниковый диод.

      Устройство  диода. Полупроводниковым диодом называется двух электродный прибор, основу которого составляет p-n-структура, состоящая из областей p-типа и n-типа, разделенных электронно-дырочным переходом. Одна из областей p-n-структуры, называемая эмиттером, имеет большую концентрацию основных носителей заряда, чем другая область, называемая базой.

      База  эмиттер с помощью электродов, образующих омические переходы, соединяются с выводами, посредством которых диод включается в электрическую цепь.

      Основным  структурным элементом полупроводникого диода, определяющим его функциональные свойства, является p-n-переход – тонкий промежуточный слой между p- и n-областями. 

Статические вольтамперные характеристики диода. Статическая вольтамперная характеристика полупроводникового диода показана на рис. Здесь же пунктиром нанесена теоретическая вольтамперная характеристика электронно-дырочного перехода. Для наглядности обратная ветвь характеристики изображена в более крупном масштабе по току и в более мелком – по напряжению по сравнению с прямой ветвью. В области малых токов реальная и теоретическая характеристики совпадают. Но при больших прямых токах, а также при высоких обратных напряжениях характеристики расходятся, что является следствием ряда причин.

      В области больших прямых токов  вследствие значительного падения  напряжения на распределенном сопротивлении  базы диода и сопротивлении электродов напряжение на электронно-дырочном переходе будет меньше напряжения U, приложенного к диоду, в результате чего реальная характеристика оказывается расположенной ниже теоретической и почти линейной.

      Уравнение вольтамперной характеристики в этой области:

      где r_б – электрическое сопротивление базы, электродов и вывода в диоде. 

      При повышении обратного напряжения обратный ток диода не остается постоянным, а медленно увеличивается. Одной  из причин роста обратного тока диода является термическая генерация носителей зарядов в переходе. Составляющую обратного тока через переход, которая зависит от числа генерируемых в переходе в единицу времени носителей заряда, условимся называть термотоком перехода I_T. С повышением обратного напряжения вследствие расширения перехода увеличивается его объем, поэтому число генерируемых в переходе носителей заряда и термоток перехода возрастают.

      Другой  причиной роста обратного тока диода  является поверхностная проводимость электронно-дырочного перехода, обусловленные молекулярными и ионными пленками различного происхождения, покрывающими выходящую наружу поверхность перехода.

      Из-за нестабильности физико-химической структуры  этой поверхности, подверженной влиянию  окружающей среды, ток утечки по поверхности I_у нестабилен, что приводит к «ползучести» характеристик диода. В современных диода поверхность перехода специально обрабатывают и защищают от внешних воздействий, поэтому ток утечки всегда существенно меньше термотока.

      Таким образом, полный и обратный ток диода:

3. Применение полупроводников. 

      По  принципу действия полупроводниковые  приборы делятся на следующие  основные виды: диоды, тиристоры, стабилитроны, транзисторы. Внутри, каждого из указанных  видов приборы подразделяются на типы: диоды — по значениям максимально допустимого среднего прямого тока, тиристоры - по значениям максимально допустимого прямого тока в открытом состоянии, стабилитроны — по значениям максимально допустимой мощности рассеяния.

      Приборы одного типа подразделяются на классы:

      • диоды — по значениям повторяющегося импульсного обратного напряжения,

      • тиристоры - по значениям повторяющегося импульсного обратного напряжения и повторяющегося импульсного напряжения в закрытом состоянии, тиристоры, проводящие в обратном направлении, и симметричные тиристоры — по значениям повторяющегося напряжения в закрытом состоянии,

      - стабилитроны — по значениям напряжения стабилизации.

      Кроме того, виды диодов и тиристоров подразделяются на подвиды в зависимости от коммутационных параметров. Для диодов:

а) диод - время  обратного восстановления не нормируется;

б) быстровосстанавливающийся  диод - время обратного восстановления равно или менее нормы.

      Для тиристоров:

а) тиристор — время включения и время  выключения не нормируется;

б) быстровыключающийся  тиристор — время выключения равно  или менее нормы;

в) быстровключающийся тиристор — время включения равно  или менее нормы;

г) быстродействующий  тиристор — время включения и  время выключения равно или менее  нормы.

      В зависимости от отличительных признаков диоды и тиристоры подразделяются следующим образом: