Меншікті және қоспалы жартылай өткізгіштер. Донорлық және акцепторлық қоспа

Пән: Автоматтандыру, Техника
Жұмыс түрі: Материал
Тегін: Антиплагиат
Көлемі: 13 бет
Таңдаулыға:

Меншікті және қоспалы жартылай өткізгіштер. Донорлық және акцепторлық қоспа.

Жоспары:

1. Қоспасыз және қоспалы жартылай өткізгіштер. Меншікті

жартылай өткізгіштер.

2. Донорлық және акцепторлық қоспалар.

Ең жиі қолданылатын жартылай өткізгіштер: кремний, германий, галлий арсениді, селен, теллур, әртүрлі оксидтер, сульфидтер, нитридтер және карбидтер. Егер әртүрлі элементтердің атомдарының құрылысын қарастырсақ онда электрондармен толыққан (ішкі) және толықпаған қабықшаларын (сыртқы) бөлуге болады. Соңғысы ядромен әлсіз байланыста болғандықтан басқа атомдармен оңай әсерлеседі. Сондықтанда сыртқы толықпаған қабықтағы электрондарды валентті деп атайды. Молекула құрғанда жеке атомдардың арасында әртүрлі типтегі байланыстар болады. Жартылай өткізгіштер үшін ең көп тарағаны ковалентті байланыс. Мысалы, Кремнийдің (Si) атомы төрт валенттік электронға ие, молекулаларда көршілес төрт атомның арасында ковалентті байланыс болады (сурет 1) . Абсолютті таза және біртекті жартылай өткізгіште нөлден өзгеше температурада бос электрондар мен кемтіктер жұп құрады, яғни электрондар мен кемтіктердің саны тең болады. Мұндай жартылай өткізгіштің электр өткізгіштігі меншікті электр өткізгіштік деп аталады.

Сурет 1

Таза күйінде Si және Ge диэлектриктік қасиеттерге иеленеді, бірақ олардың өткізгіштігі аз мөлшерде (шамада) қоспаларды енгізсе түпкілікті өзгереді. 2 суретте Ge-дің (кристалл торының) моделі, оның бір атомын As (күшән) атомымен орынбастырылған. Міне осы As-атомды қоспа дейді. Күшәннің (As-тің) сыртқы орбитасында 5 электрон, сондықтан Ge-кристалына «тұрғанда» оның бір электроны еркін болып қалады.

Бұл артық электрон өте қозғалғыш, сондықтан потенциалдар айырымы пайда болғанда ток тасымалдаушы бола алады. Еркін электрондар санын (мөлшерін) жартылай өткізгіш ішіне енгізілетін қоспа атомдар санын өзгертіп бақылауға (тексеруге) болады. Қоспаларды жартылай өткізгіштерге енгізгенде еркін электрондар пайда болса - бұл жартылай өткізгіш енгізілген қоспа донор деп аталады, ал жартылый өткізгішінің өзі қоспалы жартылай өткізгіш деп аталады.

Сурет 2

Донор қоспасы бар жартылай өткізгіштерде өткізгіштік еркін электрондармен сипатталады да, бұндай жартылай өткізгіштерді n -типті (negative) деп атайды.

Сурет 3

Егер жартылай өткізгіш - кристалл торы ішіне сыртқы қабаттарыда үш электрон болатын, мысалы Бор, Индий атомдарын енгізетін болсақ, электронның жоқтығы кристалл ішінде кемтіктің пайда болуына келтіреді (сурет 3) . Сырттан түсірілген кернеу бұндай жартылай өткізгіштерде электрондардың оң таңбалы түйіспеге, ал кемтіктердің теріс таңбалы түйіспе жағына қозғалысына келтіріледі. Кемтіктердің қозғалысын да ток ретінде қарастыруға болады. Жартылай өткізгіштерді р -типті (positive) деп, ал қоспаларды акцепторлар деп атауға келіскен.

Жоғарыда қарастырылған негізгі заряд тасушылармен қатар (бұлар жартылай өткізгіш ішіне қоспаларды қосқанда пайда болады дедік) кәдімгі қыздыру әрекетінен пайда болатын еркін электрондар (оларды негізгі емес заряд тасушылар деп атайды) да токқа үлесін қосады.

Дәріс 5 .

Тақырыбы: Статистикалық физиканың негіздері.

Жоспар:

1. Жартылай өткізгіштердегі электрондар мен кемтіктер

статистикасы.

2. Ферми деңгейінің температураға және қоспа концентрациясына

тәуелділігі.

n(T) және p(T) негізгі заряд тасушылардың температурадан тәуелдігін есептеу үшін, G(W) энергетикалық деңгейлерін тығыздығының анықтау керек болады (эВ/м ³ ) .

Өткізгіштік зонада болатын электрондардың толық саның есептеу ушін, яғни өткізгіштік зонада электрондардың концентрациясын, келесі интегралды шешу керек.

, (1)

мұнда W _П - ең төменгі энергетикалық денгейне сәйкес энергиясы - өткізгіштік зонаның «түп». Валенттік зонада кемтіктердың концентрациясы келесі интегралымен көрсетілген

, (2)

где W _В - валенттік зонаның ең жоғары энергетикалық денгейі.

Интегралдардың алдында тұратын 2 қөбейткіштер келесі фактының ескертеді: әрбір энергетикалық деңгейінде екі-екіден электрон орналастыру мүмкін болады (Паули принципі) .

Интегралды есептеу алдында келесі ауыстыруын кіргізеік, өткізгіштік зонада электрондардың концентрациясы келесі болады

, (3)

мұнда , қайда а _П - пропорционал коэффициенті.

(2) интегралды аналогты әдісімен есептегенде, келесі теңдеуін аламыз

, (4)

қайда .

n және p концентрациясы температурадан қатты тәуелдігін (3) және (4) теңдеулер көрсетеді.

n мен p көбейту

, (5)

қайда - тыйым салынған зонаның ені.

Егер n -типтегі жартылай өткізгіштерде Т=0К болғанда Ферми деңгейі өткізгіштік зонаның ең төменгі деңгейі мен донорлық деңгейдің ортасында жатады екен, ал температура жоғарылағанда ол төмен қарай ығысады (сурет 2) . Донорлық қоспаның концентрациясы қаншалықты аз болса, ығысу соншалықты күшті болады. Егер температураны одан әрі жоғарылататын болсақ, онда енді электрондар валенттік зонадан өткізгіштік зонаға өте бастайды, олар донорлық деңгейден келетін электрондардан әлдеқайда көп болады. Сондықтан мұндай жағдайда n -типтегі жартылай өткізгіш меншікті жартылай өткізгіш болып кетеді де, оның Ферми деңгейі тыйым салынған зонаның ортасында жатады , мұнда - электростатикалық потенциалы. Дәл осы жолмен қарастыру нәтижесінде p -типтегі жартылай өткізгіштерде Т=0К болғанда Ферми деңгейінің акцепторлық деңгей мен валенттік зонаның ең жоғарғы деңгейінің ортасында жататынын, температураны жоғарылатқанда біртіндеп жоғары қарай ығысын, меншікті жартылай өткізгіштің Ферми деңгейіне дейін көтерілетін көреміз. Егер қоспа атомдардың концентрациясын көбейте беретін болсақ, олар бір-біріне әсер жасайтын қашықтыққа дейін жақындайды да, қоспа деңгейлердің өзі зона түзе бастайды. Қоспа атомдарының белгілі концентрациясында (мысалы, донорлық) қоспалар зонасы өткізгіштік зонамен айқасып кетеді де, жартылай өткізгіш металл тәріздес болып қалады.

Сурет 2

Дәріс 6 .

Тақырыбы: Электронды-кемтіктік ( p-n ) ауысу.

Жоспар:

1 Электронды-кемтіктік (p-n) ауысу.

2. p-n-ауысуында тасушылардың генерация мен рекомбинация.

3. Заряд тасушылардың инжекция және экстракция.

4. Симметриялы және симметриялы емес p-n-ауысуы.

Әр типтегі екі жартылай өткізгіш контактысын электронды-кемтіктік ауысу немесе р-п ауысуы деп аталады.

Электрондық және кемтіктік жартылай өткізгіштерді бір-бірімен түйістіргенде, олардың бірінен-біріне интенсивті түрде заряд тасушылар өте бастайды. Электрондар концентрациясы р -типтегі жартылай өткізгіштердегіге қарағанда n -типтегі жартылай өткізгіштерде көп те, ал кемтіктер концентрациясы р -типтегі жартылай өткізгіште көп. Концентрацияларының бірдей болмауына байланысты диффузия нәтижесінде электрондар р -типтегі жартылай өткізгішке қарай өтеді де, ал кемтіктер n -типтегі жартылай өткізгішке өтеді. Осыған байланысты n -типтегі жартылай өткізгіштің контактыға жақын қабаттарында компенсацияланбаған оң зарядты донорлық қоспа иондары, ал р -типтегі жартылай өткізгіш қабаттарында теріс зарядты акцепторлық қоспа иондары пайда болады. Оң зарядталған n -типтегі жартылай өткізгіштің барлық энергетикалық деңгейлері төмендейді де, теріс денгейлері жоғарлайды. Екі жартылай өткізгіш арасындағы U _k контактылық потенциалдар айырымының өсуі Ферми деңгейлері теңескенде барып тоқтайды (шамамен 10 ^-9 с кейін) және eU _k =χ _ор -χ _оn болады.

Контакт аймағында негізгі заряд тасушылар азаяды да, негізінен тек қозғалмайтын қоспа иондары ғана қалады. Сондықтан енінің аз болуына қарамастан (10 ^-6 10÷ ^-8 м) р-п ауысуы, кедергісі жартылай өткізгіштердің басқа бөліктеріндегі кедергіден әлдеқайда көп болады. Пайда болған контактылық потенциалдар айырымының, өріс кернеулігі шамамен 10 ^-5 10÷ ⁶ В/м.

1 суретте р-п ауысуы ( ) пайда болған жерде заряд тасушылар диффузиясына кедергі жасайтын потенциалдық тосқауыл да пайда болады. Потенциалдық тосқауылдың биіктігі контактылық потенциалдар айырымына тең де, әдетте ол вольттің бірнеше ондық бөлігіндей ғана.

1 сурет

Егер d _n =d _p болас онда ауысу симметриялы деп, ал d _n =d _p жағдайда - симметриялы емес деп аталады. Сыртқы элекрт өрісі болмаған жағдайда p-n ауысуы арқылы өтетін қосынды ток нөлге тең, ал ол - негізгі және негізгі емес заряд тасушылардың қарама-қасы ағындары өзара теңеседі деген сөз.

Сыртқы электр өрісінің көмегімен негізгі емес заряд тасушыны p-n ауысуы арөылы өткізіпалуды заряд тасушыларды экстрациялау деп атайды. Эксстракция сөзі «шығарып алу», «суыру» деген мағына береді.

Сыртқы өрістің көмегімен p-n ауысуындағы потенциалдық тосқауылды төмендетіп, негізгі заряд тасушыны ол негізгі емес тасушы болатын аймаққа өткізуді заряд тасушыларды инжекциялау деп атайды. Инжекция деген сөз «ендіру» деген мағына береді.

Термогенерация - жылу энергиясының-температураның әсерінен электрон-кемтіктік жұптардың пайда болу үдерісі.

Рекомбинация - термогенерацияға кері үдеріс, өткізгіштік зонадан электрондардың бос валенттік деңгейлеріне ауысуы.

Дәріс 7.

Тақырыбы: Жартылый өткізгішті диод, оның сипаттамасы және жұмыс істеу принципі.

Жоспар:

1. Электронды-кемтіктік ауысудың вольтаметрлік сипаттамасы.

2. Заряд тасушылардың диффузия және дрейф токтар.

3. Үздіксіздік теңдеу.

4. Диффузиялық ұзындығы және тасушылардың өмір сүру уақыты.

Сыртқы тізбеккке жалғайтын екі ұшы бар бір электронды-кемтіктік ауысудан тұратын жартылай өткізгішті диод деп атайды.

Барлық жартылай өткізгішті диодтардың негізі - симметриялы болмайтын p-n ауысуы. Оның әр облысындағы заряд тасушылардың концентрацияларының бір-бірінен айырмашылығы өті үлкен болуы тиіс ( немесе ) . p-n ауысуының бір облысында қоспаны көбірек ендіру нәтижесіде негізгі, заряд тасушылар концентрациясыкөп болады да, оны эмиттер деп атайды, екіншісінде оны база деп атайды, аз болады. Сондықтан электр тогы жүргенде заряд тасушылар эмиттерден базаға инжекцияланады. База мен эмиттер арнаулы электродтар көмегімененсыртқы тізбекпен жалғасады.

р - п ауысуының токты тек бір бағытта өткізетін қасиеті жартылай өткізгіштік диодтарда қолданылады. Жартылай өткізгіштік диод кремний мен германий кристалдарынан жасалады. Оларды дайындаған кезде қандай да бір типті өткізгіштігі бар кристалға басқа типті өткізгіштік алу үшін қоспа қосады. Жартылай өткізгіштік диод түзеткіштерде айнымалы токты тұрақты токқа түрлендіру үшін қолданылады.

Егер р - п ауысуы бар жартылай өткізгішті ток көзіне, оның оң полюсіне р аймақ, ал теріс полюсіне п аймақ (1-сурет) жалғанатындай етіп қосса, онда жапқыш қабаттағы электр өрісінің кернеулігі кемиді де негізгі тасымалдаушылардың жанасу қабаты арқылы ауысуы жеңілдейді. р аймақтан кемтіктер және п аймақтан электрондар бір-біріне қарама-қарсы бағытта қозғала отырып, р - п ауысуын қиып өтеді де, тура бағыттағы токты тудырады. Бұл жағдайда ток көзінің кернеуі жоғарылағанда р - п аймағы арқылы өтетін ток күші артады.

Сурет 2

Сурет 1

Егер р - п ауысуы бар жартылай өткізгіш ток көзіне, оның оң полюсіне п аймақ, теріс полюсіне р аймақ (1-сурет) жалғанатындай етіп қосылса, онда жапқыш қабаттағы өріс кернеулігі артады. р аймақтағы кемтіктер және п аймақтағы электрондар р - п ауысуынан араласып кетеді де жапқыш қабаттағы негізгі емес тасымалдаушылар концентрациясы артады. р - п ауысуы арқылы ток жүрмейді. р - п ауысуына берілген кернеу кері деп аталады. Шамасы аз болатын кері ток жартылай өткізгіштің меншікті өткізгіштігіне негізделген, яғни р аймақтағы еркін электрондар мен п аймақтағы кемтіктердің аз ғана концентрациясы бар. 2-суретте Жартылай өткізгіш диодтың вольт-амперлік сипаттамасы берілген.

Дрейфтің орташа жылдамдығы электр өрісінің Е кернеулігіне пропорционал μ - пропорционалдық коэффициент, қозғалғыштық » таңбасы, жылдамдық векторы өрістің кернеулі−деп аталады. Скалярлық теңдіктегі «к векторына қарама-қарсы бағытталатындығын көрсетеді.

1. Дрейфтік ток.

-

2. Диффузиялық ток .

/dx=E потенциал градиенті болатын сияқты, диффузияға да, dn/dx концентрация градиенті себеп болады. ϕ) =dϕДрейфке себеп, grad(

Диффузия - концентрациясы көп аймақтан, концентрациясы аз аймаққа қарай бөлшектердің бағытталған қозғалысы (заттардың концентрациясының өз бетімен теңелуі) .

Дәріс 8.

Тақырыбы: Электронды-кемтіктік (p-n) ауысудың тосқауыл сыйымдылық.

p-n ауысуы электрлік тесілу құбылысы.

Жоспар:

1. Электронды-кемтіктік (p-n) ауысудың тосқауыл сыйымдылық.

2. Жартылай өткізгіштік диодтың диффузиялық сыйымдылығы.

3. p-n ауысуы электрлік тесілу құбылысының түрлері: жылулық,

туннельдік және көшкіндік (лавина) .

Электронды-кемтіктік ( p-n ) ауысудың тосқауыл сыйымдылықтың теңдеуі .

, (1)

мұнда ε - жартылай