Проклассифицируйте твердые тела по проводимости. Приведите, объясните и выявите различия в зонных энергетических диаграммах твердых тел.

Собственная электронная и дырочная электропроводность, Примесная электропроводность,

показывает, что у металлов зона проводимости непосредственно примыкает к валентной зоне. Поэтому при нормальной температуре в металлах большое число электронов имеет энер­гию, достаточную для перехода из ва­лентной зоны в зону проводимости. Практически каждый атом металла от­дает в зону проводимости по крайней мере один электрон. Таким образом, число электронов проводимости в ме­таллах не меньше числа атомов. Иная энергетическая структура ха­рактерна для диэлектриков. У них между зоной проводимости и валентной зоной существует запрещенная зона, соответ­ствующая уровням энергии, на которых электроны не могут находиться (рисунок 1.1, б).

2,.. Дайте понятия о собственном полупроводнике, собственной удельной электронной и дырочной электропроводности полупроводников, генерации и рекомбинации пар носителей заряда, диффузионной длины, времени жизни основных носителей заряда. Запишите выражения для собственной электронной и дырочной электропроводностей полупроводников и поясните их. электронной электропроводностью-- ко­торая обусловлена перемещением электронов проводимости.дырочной электропроводностью --В атоме полупроводника под влияни­ем тепловых или других воздействий один из более удаленных от ядра ва­лентных электронов переходит в зону проводимости. Тогда атом будет иметь положительный заряд, численно равный заряду электрона. Такой атом можно назвать положительным ионом. генерация, пар носителей заряда-- возникают пары электрон проводимос­ти – дырка проводимости. Генерация пар носителей может происходить также под действием света, электрического поля, ионизирующего излучениярекомбина­цией носителей заряда --разорванные валентные связи восстанавливаются, а носители заряда – электрон и дырка – исчезают.Диффузионная длина и время жизни электронов и дырок связано между собой соотношениями[1] ; , где - диффузионная длина электронов и дырок; - время жизни электронов и дырок; - коэффициенты диффузии электронов и дырок, характеризующие интенсивность процесса диффузиисобственным полупроводником или полупроводником i-типa. Он обладает собственной электропроводностью, кото­рая складывается из электронной и дырочной электропровод­ности

J_{n др} = n_iqm_nE……..В этом выражении произведение n_iqm_n представляет собой удельную электронную проводимость s_n,

3,,, Объясните механизм образования примесной дырочной и электронной проводимостей. Запишите выражения для удельных проводимостей примесных полупроводников и поясните и//Полупроводники с преобладанием электронной электропроводности назы­вают электронными полупроводниками или полупроводниками n-типа Энергетические уровни атомов донора расположены лишь не­много ниже зоны проводимости основ­ного полупроводника. Поэтому из каждо­го атома донора один электрон легко переходит в зону проводимости, и таким образом в этой зоне появляется допол­нительное число электронов, равное числу атомов донора. В самих атомах донора при этом дырки не образуются. Атомы акцептора, захватывая электроны, сами заряжаются отрицательноЕсли же четырехвалентный герма­ний содержит примеси трехвалентных бора (В), или индия (In), или алюминия (Al), то их атомы отнимают электроны от атомов германия и в последних образуются дырки. Вещества, отбираю­щие электроны и создающие примесную дырочную электропроводность, называют акцепторами . Полупроводники с преобладанием дырочной электропроводности называют дырочными полупроводниками или полу­проводниками р-типа. Энергетические уровни акцепторных атомов располагаются лишь немного выше валентной зоны. На эти уровни легко переходят электроны из валентной зоны, в которой при этом возникают дырки .В полупроводниковых приборах используются главным образом полупроводники, содержащие донорные или акцепторные примеси и называемые примесными. При обычных рабочих темпе­ратурах в таких полупроводниках все атомы примеси участвуют в создании примесной электропроводности, т. е. каждый атом примеси либо отдает, либо захватывает один электрон.Чтобы примесная электропроводность преобладала над собственной, концентрация атомов донорной примеси N_д или акцепторной примеси N_а должна превышать концентрацию, собственных носителей заряда

Раскройте понятия уровня Ферми, температурного потенциала. Определите плотности дрейфового и диффузионного токов в примесном полупроводнике. Запишите уравнения непрерывности и поясните их.

Уровень Ферми для металлов – это такой энергетический уровень, вероятность нахождения на котором заряженной частицы равна 0,5 при любой температуре тела. Численно уровень Ферми равен максимальной энергии электронов металл при температуре абсолютного нуля.В общем случае уровень Ферми характеризует работу, затраченную на перенос заряженных частиц, обладающих массой и находящихся в среде

Зная уровень Ферми, можно вычислить концентрации носителей заряда, и наоборот

где - градиенты концентрации носителей зарядов; - коэффициенты диффузии для дырок и электронов.

уравнения непрерывности, которое для данного случая имеет вид

Здесь - изменение напряженности электрического поля Е по геометрической координате - подвижность электронов и дырок.Решение уравнений позволяет определить разность избыточных концентраций в любой момент времени:

5…. Дайте понятия электронно-дырочного, электронно-электронного, дырочно-дырочного перехода, перехода метал-полупроводник, гетеропереходов. Объясните физические явления в электронно-дырочном переходе при отсутствии внешнего напряжения.Область на границе двух полупро­водников с различными типами электро­проводности называется электронно-ды­рочным или n–p переходом.Переход между двумя областями с одним типом электропроводности отличающийся конструкцией примесей и соответственно значением удельной проводимости, называют электронно-электронными (n⁺ - n - переход) или дырочно-дырочными (p⁺ - p - переход).Переходы между двумя полупроводниковыми материалами, имеющими различную ширину запрещенной зоны, называют гетеропереходами.Если одна из областей, образующих переход, является металлом, то такой переход называют переходом металл-полупроводник

……а)Кружки с плюсом и минусом изображают атомы донорной и акцепторной примеси, заря­женные соответственно положительно и отрицательно.электропроводности создаются объем­ные заряды различных знаков. В об­ласти n возникает положительный объем­ный заряд. Он образован главным об­разом положительно заряженными ато­мами донорной примеси и в неболь­шой степени – пришедшими в эту об­ласть дырками. Подобно этому в области р возникает отрицательный объемный заряд, образованный отрицательно заря­женными атомами акцепторной примеси и, отчасти, пришедшими сюда электро­нами. …….Б) показывающей распределение потенциа­ла вдоль оси х, перпендикулярной плоскости раздела двух полупроводни­ков, за нулевой потенциал принят потенциал граничного слоя. Чем больше концентрация примесей, тем выше кон­центрация основных носителей и тем большее число их диффундирует через границу. При постоянной темпе­ратуре n–р-переход находится в состоя­нии динамического равновесия.обратное переме­щение носителей под действием электри­ческого поля контактной разности по­тенциалов. Это поле перемещает дырки из n-области обратно в р-область и электроны из р-области обратно в n-областьПеремещение носите­лей за счет диффузии – это диффузион­ный ток (i_диф), а движение носителей под действием поля – ток дрейфа (i_др). Значе­ния различны зависят от концентрации и под­вижности носителей. i_диф = i_др …..В) показано распределение концентрации носителей в n– р-переходе.Электронно-дырочный переход, у которого называют симметричным Если концентрации основных носителей заряда в областях различны и отличаются в 100-1000 раз ,то такие p-n переходы называют несимметричными .В резуль­тате этого в средней части перехода образуется слой с малой концентра­цией носителей (так называемый обеднен­ный носителями слой).Таким образом в n – р-переходе воз­никает слой, называемый запирающим и обладающий большим сопротивле­нием по сравнению с сопротивлением остальных объемов n- и р-полупроводников

6,,,, .Объясните физические явления в электронно-дырочном переходе при подаче на него прямого и обратного напряжений.Пусть источник внешнего напряже­ния подключен положительным полюсом к полупроводнику р-типа, а отрицательным – к полупроводнику n-типа (рисунок 1.12, а). Такое напряжение, у которого поляр­ность совпадает с полярностью основ­ных носителей, называется прямым.Разность потенциалов в переходе умень­шается, т. е. высота потенциального барьера понижается, возрастает диф­фузионный ток, так как большее число носителей может преодолеть понижен­ный барьер.Ток дрейфа почти не изменяется, так как он зависит глав­ным образом от числа неосновных носителей, попадающихповторена потенциальная диа­грамма при отсутствии внешнего напря­жения.Введение носителей заряда через по­ниженный под действием прямого напря­жения потенциальный барьер в область, где эти носители являются неосновными, называется инжекцией носителей заряда. Область полу­проводникового прибора, из которой ин­жектируются носители, называется эмиттерной областью или эмиттеромТаким образом, если рас­сматривать инжекцию электронов, то n-область является эмиттером, а р-область – базой. Для инжекции дырок, наоборот, эмиттером служит р-область, а базой – n-область.в которую инжектируются не­основные для этой области носители заряда, называется базовой областью или базой.

Выведение неосновных носителей через n – р-переход ускоряющим электри­ческим полем, созданным обратным напряжением, называют экстракцией но­сителей зарядаТаким образом, обратный ток i_обр представляет собой ток проводимости, вызванный перемещением неосновных носителей. Обратный ток получается очень небольшим, так как неосновных носителей мало и, кроме того, сопротивление запирающего слоя при обратном напряжении очень велико. Действительно, при повышении обратного напряжения поле в месте перехода становится сильнее и под действием этого поля больше основных носителей «выталкивается» из пограничных слоев в глубь n- и р-областей. Поэтому с увеличением обратного напряжения увеличивается не только высота потенциального барьера, но и толщина запирающего слоя (d_обр>d). Этот слой еще сильнее обедняется носителями, и его сопротивление значительно воз­растает, т. е. R_обр >> R_пр.

7,,,, Объясните физические явления в области контакта металл-полупроводник и свойства перехода Шотки. Раскройте особенности переходов p-i, n-i, p⁺-p, n⁺-n и гетеропереходов.

В современных полупроводниковых приборах помимо контактов, образованных между полупроводниками с различным типом электропроводности применяют­ся также контакты между металлом и полупроводником. Процессы в таких переходах зависят от так называемой работы выхода электронов, т. е. от той энергии, которую должен затратить электрон, чтобы выйти из металла или полупроводника. Чем меньше работа выхода, тем больше электронов мо­жет выйти из данного тела. .. работа выхода электронов из металла А_м мень­ше, чем работа выхода из полупровод­ника А_n то будет преобладать выход электронов из металла в полупроводник. Поэтому в слое полупроводника около границы накапливаются основные но­сители (электроны), и этот слой стано­вится обогащенным, т. е. в нем увели­чивается концентрация электроновСопротивление этого слоя будет малым при любой полярности приложенного напря­жения, и, следовательно, такой переход не обладает выпрямляющими свойства­ми. Его называют невыпрямляющим.Если работа выхода электронов из полупроводника меньше, чем из металла (А_p < А_м). В этом случае из полупроводника в металл уходит больше электронов, чем в обратном на­правлении, и в приграничном слое полу­проводника также образуется область, обогащенная основными носителями (дырками)Здесь создается сравнительно высокий потенциальный барьер, высота которого будет существенно изменяться в зависи­мости от полярности приложенного напряжения потен­циальный барьер, возникающий в данном случае, называют барьером Шотки, а диоды с этим барьером – диодами Шот­ки. В диодах Шотки (в металле, куда приходят электроны из полупроводника) отсутствуют процессы накопления и рассасывания зарядов неосновных но­сителей, характерные для электронно-дырочных переходов.

ионами акцепторных примесей и дырками в полупроводнике с собственной электропроводностью (переход p-i)положительно заряженными ионами донорных примесей и электронами в полупроводнике с собственной электропроводностью (переход n-i)

8,,, Дайте понятие о вольт-амперной характеристике электронно-дырочного перехода, видах пробоев p-n перехода.

она показывает, что прямой ток в десятки миллиампер получается при прямом напряжении в десятые доли вольта. Поэтому прямое сопротивление R_пр не превышает несколько десятков Ом.Обратный ток при обратном напряжении до сотен вольт составляет единицы или десятки микроампер ..полный ток резко увеличивается .Обратный ток при увеличении обратного напряжения сначала быстро возрастает. Это вызвано тем, что уже при небольшом обратном напряжении за счет повышения потенциального барьера в переходе резко снижается диффузионный ток, который направлен навстречу току проводимости. . Рост тока происходит вследствие нагрева перехода, за счет утечки по поверхности, а также за счет лавинного размножения носителей заряда, т.е. увеличения числа носителей заряда в результате ударной ионизации. . Следует различать электрический и тепловой пробой n–р-перехода. Электрический пробой является обратимым, т.е. при этом пробое в переходе не происходит необратимых изменений (разрешения структуры вещества). Поэтому работа диода в режиме электрического пробоя допустима. Могут существовать два вида электрического пробоя, которые нередко сопутствуют друг другу: лавинный и туннельный. Лавинный пробой объясняется лавинным размножением носителей за счет ударной ионизации и за счет вырывания электронов из атомов сильным электрическим полем.Туннельный пробой объясняется яв­лением туннельного эффекта при поле напряженностью более 10⁵ В/см, некоторые электроны прони­кают через переход без изменения своей энергии. Тонкие переходы, в которых возможен туннельный эффект, получаются при высокой концентрации примесей. Тепло­вой пробой необратим, так как он сопровождается разрушением структуры вещества в месте n– р-перехода. Причи­ной теплового пробоя является наруше­ние устойчивости теплового режима n–р-перехода. Это означает, что коли­чество теплоты, выделяющейся в перехо­де от нагрева его обратным током, превышает количество теплоты, отво­димой от перехода

Темп). Объясните частотные и температурные свойства p-n перехода. Определите емкости p-n перехода. Приведите эквивалентные схемы p-n перехода для низких и высоких частот и поясните их работу…….

У германиевых p-n переходов обратный ток возрастает примерно в 2 раза при повышении температуры на каждый 10^оС. Это можно выразить следующей формулой:i_{обр (t)} = i_{обр (20}^o_C)´ 2^{(t– 20) /10}.На электропроводность полупровод­ников значительное влияние оказывает температура. При повышении темпера­туры усиливается генерация пар носи­телей заряда, т. е. увеличивается кон­центрация носителей и проводимость растет. Поэтому свойства p-n переходов сильно зависят от температуры. У кремниевых p-n переходов при нагреве на каждые 10°С обратный ток увеличивается примерно в 2,5 раза, а напряжение электрического пробоя при повышении температуры сначала несколько возрастает, а затем уменьшается. С повышением температуры несколько возрастает барьерная емкость диода. Температурный коэффициент емкости (ТКЕ), показывающий изменение емкости при изменении температуры на один градус, равен 10^–4 – 10^–3 К^–1.(част) n–р-переход при обратном напряжении u_обр аналогичен конденсатору. Запирающий слой имеет высокое сопро­тивление и играет роль диэлектрика, а по обе его стороны расположены два разноименных объемных заряда + Qоб_Р и –Qобр, созданные ионизиро­ванными атомами донорной и акцеп­торной примеси. Поэтому n–р-переход обладает емкостью, подобной конденса­тору с двумя обкладками. Барьерная емкость возрастает при увеличении площади n– р-перехода, ди­электрической проницаемости полупро­водника и уменьшении толщины запи­рающего слоя. Особенность барьер­ной емкости состоит в том, что она нелинейна, т. е. изменяется при изме­нении напряжения на переходе. Если об­ратное напряжение возрастает, то тол­щина запирающего слоя увеличивается и емкость С_б уменьшается. Барьерная емкость вредно влияет на выпрямление переменного тока, так как шунтирует p-n преход и через нее на более высоких частотах проходит переменный ток. Однако барьерная емкость бывает и полезной. Специальные диоды (варикапы и варакторы) используют как кон­денсаторы переменной емкости для на­стройки колебательных контуров, а также в некоторых схемах, работа которых основана на свойствах нелинейной ем­костибарьерной емкостью. При по­стоянном напряжении она определяется отношением ..С_б = Q_обр/u_обра при переменном напряжении – С_б = Q_обр/ u_обр.

а). Сопротивление R₀ в этой схеме представляет собой суммарное, сравнительно небольшое сопротивление n-и р-областей и контактов этих областей с выводами.Нелинейное со­противление R_нл при прямом напряже­нии равно R_пр, т. е. невелико, а при обратном напряжении R_нл = R_обр, т. е. оно очень большое. Приведенная эквивалент­ная схема в различных частных слу­чаях может быть упрощена. На низких частотах емкостное сопротивление очень велико и можно емкость не учиты­вать. Тогда при прямом напряжении в эквивалентной схеме остаются лишь сопротивления R₀ и R_пр (рисунок 1.18,б), а при обратном напряжении – только сопротивление R_o6p, так как R₀ << R_oбp (рис. 1.18, в). На высоких частотах емкости имеют сравнительно небольшое сопро­тивление. Поэтому при прямом напря­жении получается схема по рисунку 1.18, г (если частота не очень высокая, то С_диф практически не влияет), а при обратном остаются R_o6p и С_б (рисунок 1.18, д).

Поясните оптические явления в полупроводниках(фотоэффект в p-n переходе, излучающие электронно-дырочные переходы). Дайте определения фотодиодов и светодиодов. Зарисуйте их схемы включения и поясните работу схем. Приведите основные параметры и характеристики фото- и светодиодов и области их применения .

Работа различных полупроводниковых приемников излучения (фоторезисторы, фотодиоды, фототранзисторы, фототиристоры) основана на использовании внутреннего фотоэффекта, который состоит в том, что под действием излучения в полупроводниках происходит генерация пар носителей заряда – электронов и дырок. Эти дополнительные носители увеличивают электрическую проводимость. Такая добавочная проводимость, обусловленная действием фотонов, получила название фотопроводимости. У металлов явление фотопроводимости практически отсутствует, так как у них концентрация электронов проводимости огромна (примерно 10²² см^–3) и не может заметно увеличиться под действием излучения. В некоторых приборах за счет фотогенерации электронов и дырок возникает ЭДС, которую принято называть фото-ЭДС, и тогда эти приборы работают как источники тока. А в результате рекомбинации электронов и дырок в полупроводниках образуются фотоны, и при некоторых условиях полупроводниковые приборы могут работать в качестве источников излучения.

При внутреннем фотоэффекте световой поток управляет обратным током n-p перехода. Под воздействием света на электронно-дырочный переход и прилегающие к нему области происходит генерация пар носителей заряда, проводимость n-p перехода возрастает и обратный ток увеличивается.

……Фотодиоды представляют собой полупроводниковые диоды, в которых используется внутренний фотоэффект.

Схема включения фотодиода представлена на рисунке 1.22. Интегральная чувствительность фотодиода обычно составляет десятки миллиампер на люмен. Она зависит от длины волны световых лучей и имеет максимум при некоторой длине волны, различной для разных полупроводников. Инерционность фотодиодов невелика. Они могут работать на частотах до нескольких сотен мегагерц. А у фотодиодов со структурой p – i – n граничные частоты повышаются до десятков гигагерц. Рабочее напряжение у фотодиодов обычно 10 – 30 В. Темновой ток не превышает 20 мкА для германиевых приборов и 2 мкА – для кремниевых. Ток при освещении составляет сотни микроампер. В последнее время разработаны фотодиоды на сложных полупроводниках, наиболее чувствительные к инфракрасному излучению. Большинство фотодиодов изготовляется по планарной технологии. Имеется несколько разновидностей фотодиодов. У лавинных фотодиодов происходит лавинное размножение носителей в п – р-переходе и за счет этого в десятки раз возрастает чувствительность. В фотодиодах с барьером имеется контакт полупроводника с барьером Шотки имеется контакт полупроводника с металлом. Это диоды с повышенным быстродействием. Улучшенными свойствами обладают фотодиоды с гетепереходами. Все фотодиоды могутработать и как генераторы ЭДС. В качестве малоинерционных полупроводниковых источников излучения все шире применяются светоизлучающие диоды (светодиоды), работающие при прямом напряжении. Иногда их называют инжекционными светодиодами. А свечение, возникающее в светодиодах, относят к явлению так называемой инжекционной электролюминесценции.Существуют светодиоды переменного цвета свечения с двумя светоизлучающими переходами, один из которых имеет максимум спектральной характеристики в красной части спектра, а другой – в зеленой. Цвет свечения такого диода зависит от соотношения токов через переходы. Наилучшими качествами обладают светодиоды с гетеропереходом.

Основные параметры светодиодов следующие:

Сила света, измеряемая в канделах и указываемая для определенного значения прямого тока. У светодиодов сила света обычно составляет десятые доли или единицы милликандел. Напомним, что кандела есть единица силы света, испускаемого специальным стандартным источником.

Яркость, равная отношению силы света к площади светящейся поверхности. Она составляет десятки – сотни кандел на квадратный сантиметр.

Постоянное прямое напряжение (2-3 В).

Цвет свечения и длина волны, соответствующие максимальному световому потоку.

Максимальный допустимый постоянный прямой ток. Обычно он составляет десятки миллиампер.

Максимальное допустимое постоянное обратное напряжение (единицы вольт).

Диапазон температур окружающей среды, при которых светодиод может нормально работать, например от –60 до +70°С.