Kaip veikia puslaidininkis? Elektrinių puslaidininkių projektavimo ypatumai. Kas yra puslaidininkiai

Jūs, jaunasis drauge, esate techninės revoliucijos amžininkas visose radijo elektronikos srityse. Jo esmė slypi tame, kad vakuuminius vamzdžius pakeitė puslaidininkiniai įtaisai, o dabar juos vis dažniau keičia mikroschemos.

Vieno būdingiausių puslaidininkinių įtaisų „armijos“ atstovo - tranzistoriaus - protėvis buvo vadinamasis generuojantis detektorius, kurį dar 1922 m. išrado sovietų radiofizikas O. V. Losevas. Šis prietaisas, kuris yra puslaidininkinis kristalas su dviem greta jo laidais – laidininkais, tam tikromis sąlygomis galėtų generuoti ir sustiprinti elektrinius virpesius. Bet tada dėl netobulumų jis negalėjo konkuruoti su elektronų vamzdžiu. Vertas puslaidininkio varžovas elektronų vamzdžiui, vadinamas tranzistoriumi, 1948 metais buvo sukurtas amerikiečių mokslininkų Brattain, Bardeen ir Shockley. Mūsų šalyje didelį indėlį į puslaidininkinių prietaisų kūrimą įnešė A.F.Ioffe'as, L.D.Landau, B.I.Davydova, V.E. Loshkarev ir daugybė kitų mokslininkų bei inžinierių, daugybė mokslinių komandų.

Norėdami suprasti šiuolaikiniuose puslaidininkiniuose įrenginiuose vykstančių reiškinių esmę, turėsime „pažvelgti“ į puslaidininkio struktūrą ir suprasti elektros srovės susidarymo jame priežastis. Bet prieš tai būtų gerai, kad prisimintumėte tą pirmojo pokalbio dalį, kurioje kalbėjau apie atomų sandarą.

PUSLAIDINČIAI IR JŲ SAVYBĖS

Priminsiu: pagal elektrines savybes puslaidininkiai užima vidurinę vietą tarp srovės laidininkų ir nelaidininkų. Prie to, kas pasakyta, pridursiu, kad puslaidininkių grupė apima daug daugiau medžiagų nei laidininkų ir nelaidininkų grupės kartu paėmus. Puslaidininkiai, kurie buvo praktiškai pritaikyti technologijoje, yra germanis, silicis, selenas, vario oksidas ir kai kurios kitos medžiagos. Tačiau puslaidininkiniams įtaisams daugiausia naudojamas tik germanis ir silicis.

Kokios yra būdingiausios puslaidininkių savybės, išskiriančios juos nuo laidininkų ir nelaidininkų? Puslaidininkių elektrinis laidumas labai priklauso nuo aplinkos temperatūros. Esant labai žemai temperatūrai, artimai absoliučiam nuliui (-273°C), jie veikia kaip izoliatoriai elektros srovės atžvilgiu. Dauguma laidininkų, priešingai, tokioje temperatūroje tampa superlaidžiais, t.y. beveik neturi atsparumo srovei. Didėjant laidininkų temperatūrai, didėja jų varža elektros srovei, mažėja puslaidininkių. Laidininkų elektrinis laidumas nesikeičia veikiant šviesai. Padidėja puslaidininkių elektros laidumas, veikiant šviesai, vadinamasis fotolaidumas. Puslaidininkiai gali paversti šviesos energiją į elektros srovę. Tai absoliučiai nebūdinga laidininkams. Puslaidininkių elektrinis laidumas smarkiai padidėja, kai į juos įvedami kai kurių kitų elementų atomai. Laidininkų elektrinis laidumas mažėja, kai į juos patenka priemaišų. Šios ir kai kurios kitos puslaidininkių savybės buvo žinomos gana seniai, tačiau jos buvo pradėtos plačiai naudoti palyginti neseniai.

Germanis ir silicis, kurie yra daugelio šiuolaikinių puslaidininkinių įtaisų pradinės medžiagos, išoriniuose apvalkalo sluoksniuose turi po keturis valentinius elektronus. Iš viso germanio atome yra 32 elektronai, o silicio atome – 14. Tačiau 28 germanio atomo elektronus ir 10 silicio atomo elektronus, išsidėsčiusius vidiniuose jų apvalkalo sluoksniuose, tvirtai laiko branduoliai ir jokiomis aplinkybėmis nuo jų neatskiriami. Tik keturi šių puslaidininkių atomų valentiniai elektronai gali ir net tada ne visada tapti laisvi. Prisiminkite: keturi! Puslaidininkio atomas, praradęs bent vieną elektroną, tampa teigiamu jonu.

Puslaidininkyje atomai išsidėstę griežta tvarka: kiekvieną atomą supa keturi panašūs atomai. Jie taip pat yra taip arti vienas kito, kad jų valentiniai elektronai sudaro atskiras orbitas, einančias aplink visus gretimus atomus, surišdami juos į vieną medžiagą. Šį puslaidininkinio kristalo atomų santykį galima įsivaizduoti plokščios diagramos pavidalu, kaip parodyta Fig. 72, a. Čia dideli rutuliai su „+“ ženklu paprastai žymi atomų branduolius su vidiniais elektronų apvalkalų sluoksniais (teigiamais jonais), o maži rutuliukai – valentinius elektronus. Kiekvienas atomas, kaip matote, yra apsuptas keturių lygiai tokių pačių atomų. Bet kuris iš atomų yra sujungtas su kiekvienu kaimyniniu dviem valentiniais elektronais, iš kurių vienas yra „savas“, o antrasis yra pasiskolintas iš „kaimyno“. Tai dviejų elektronų arba valentinė jungtis. Stipriausias ryšys!

Ryžiai. 72. Puslaidininkinio kristalo atomų santykio diagrama (a) ir supaprastinta jo sandaros schema (b)

Savo ruožtu kiekvieno atomo elektroninio apvalkalo išoriniame sluoksnyje yra aštuoni elektronai: keturi savo ir po vieną iš keturių gretimų atomų. Čia jau nebeįmanoma atskirti, kuris iš valentinių elektronų atome yra „tavo“, o kuris „svetimas“, nes jie tapo įprasti. Su tokiu atomų ryšiu visoje germanio ar silicio kristalo masėje galime manyti, kad puslaidininkinis kristalas yra viena didelė molekulė.

Atomų sujungimo puslaidininkyje diagramą galima supaprastinti, pavaizduojant ją taip, kaip parodyta Fig. 72, gim. Čia atomų branduoliai su vidiniais elektronų apvalkalais pavaizduoti kaip apskritimai su pliuso ženklu, o tarpatominiai ryšiai – kaip dvi linijos, simbolizuojančios valentinius elektronus.

Elektroninėse technologijose vis dažniau naudojami puslaidininkiniai įtaisai, kurie turi daug savybių, dėl kurių jų naudojimas yra geresnis už vakuuminius įrenginius. Pastaraisiais metais, kuriam būdinga puslaidininkių elektronikos pažanga, buvo sukurti įrenginiai, pagrįsti naujais fiziniais principais.

Puslaidininkiuose yra daug cheminių elementų, tokių kaip silicis, germanis, indis, fosforas ir kt., dauguma oksidų, sulfidų, selenidų ir telūridų, kai kurie lydiniai ir daugybė mineralų. Pasak akademiko A. F. Ioffe, „puslaidininkiai yra beveik visas mus supantis neorganinis pasaulis“.

Puslaidininkiai yra kristaliniai, amorfiniai ir skysti. Puslaidininkių technologijoje dažniausiai naudojami tik kristaliniai puslaidininkiai (pavieniai kristalai, kurių priemaišos yra ne daugiau kaip vienas priemaišos atomas 1010 pagrindinės medžiagos atomų). Paprastai puslaidininkiams priskiriamos medžiagos, kurios pagal elektros laidumą užima tarpinę padėtį tarp metalų ir dielektrikų (iš čia ir kilo jų pavadinimas). Kambario temperatūroje jų savitasis elektros laidumas svyruoja nuo 10-8 iki 105 S/m (metalams - 106-108 S/m, dielektrikams - 10-8-10-13 S/m). Pagrindinis puslaidininkių bruožas yra elektros laidumo padidėjimas kylant temperatūrai (metalams jis krenta). Puslaidininkių elektrinis laidumas labai priklauso nuo išorinių poveikių: įkaitimo, švitinimo, elektrinių ir magnetinių laukų, slėgio, pagreičio, taip pat nuo net nedidelių priemaišų kiekio. Puslaidininkių savybės gerai paaiškinamos naudojant kietųjų kūnų juostos teoriją.

Visų medžiagų atomai susideda iš branduolio ir elektronų, judančių uždara orbita aplink branduolį. Elektronai atome yra sugrupuoti į apvalkalus. Pagrindiniai puslaidininkiai, naudojami puslaidininkiniams įtaisams kurti – silicis ir germanis – turi tetraedrinę kristalinę gardelę (turi taisyklingos trikampės piramidės formą) (16.1 pav.). Ge struktūros projekcija į plokštumą parodyta Fig. 16.2. Kiekvienas valentinis elektronas, t.y. elektronas, esantis išoriniame, neužpildytame atomo apvalkale, kristale priklauso ne tik savo, bet ir gretimo atomo branduoliui. Visi kristalų gardelės atomai išsidėstę vienodu atstumu vienas nuo kito ir yra sujungti kovalentiniais ryšiais (ryšys tarp dviejų atomų valentinių elektronų poros vadinamas kovalentiniu; 16.2 pav. parodyta dviem linijomis). Šie ryšiai yra stiprūs; Norint juos sulaužyti, reikia panaudoti energiją iš išorės.

Elektrono energija W yra diskretinė arba kvantuota, todėl elektronas gali judėti tik ta orbita, kuri atitinka jo energiją. Galimas elektronų energijos reikšmes galima pavaizduoti diagramoje pagal energijos lygius (16.3 pav.). Kuo toliau nuo branduolio yra orbita, tuo didesnė elektrono energija ir aukštesnis jo energijos lygis. Energijos lygiai yra atskirti II zonomis, atitinkančiomis uždraustą elektronų energiją (uždraustos zonos). Kadangi gretimi kietosios medžiagos atomai yra labai arti vienas kito, tai sukelia energijos lygių poslinkį ir skilimą, todėl susidaro energijos juostos, vadinamos leistinomis juostomis (I, III, IV 16.3 pav.). Leidžiamų juostų plotis paprastai yra keli elektronvoltai. Energijos juostoje leistinų lygių skaičius yra lygus atomų skaičiui kristale. Kiekviena leistina zona užima tam tikrą energijos sritį ir jai būdingi minimalūs ir didžiausi energijos lygiai, kurie atitinkamai vadinami zonos dugnu ir lubomis.

Leidžiamos zonos, kuriose nėra elektronų, vadinamos laisvosiomis (I). Laisvoji zona, kurioje 0 K temperatūroje elektronų nėra, bet aukštesnėje temperatūroje jų gali būti, vadinama laidumo juosta.

Jis yra virš valentinės juostos (III) - viršutinės užpildytų juostų, kuriose visus energijos lygius 0 K temperatūroje užima elektronai.

Juostų teorijoje kietųjų kūnų skirstymas į metalus, puslaidininkius ir izoliatorius remiasi juostos tarpu tarp valentinės ir laidumo juostų bei leistinų energijos juostų užpildymo laipsniu (16.4 pav.). Juostos tarpas ΔWa vadinamas vidinio elektros laidumo aktyvavimo energija. Metalui ΔWa = 0 (16.4 pav., a); sutartinai, kai ΔWa ≤ 2 eV, kristalas yra puslaidininkis (16.4,6 pav.), kai ΔWa ≥ 2 eV – dielektrikas (16.4 pav., c). Kadangi ΔWa reikšmė puslaidininkiuose yra palyginti maža, pakanka elektronui perduoti energiją, panašią į šiluminio judėjimo energiją, kad jis judėtų iš valentinės juostos į laidumo juostą. Tai paaiškina puslaidininkių ypatumą – elektros laidumo padidėjimą kylant temperatūrai.

Puslaidininkių elektrinis laidumas. Vidinis elektros laidumas. Kad medžiaga turėtų elektrinį laidumą, joje turi būti laisvųjų krūvininkų. Tokie krūvininkai metaluose yra elektronai. Puslaidininkiuose yra elektronų ir skylių.

Panagrinėkime savųjų puslaidininkių (i tipo), t.y. medžiagų, kuriose nėra priemaišų ir neturinčių kristalinės gardelės struktūrinių defektų (tuščios vietos, gardelės poslinkiai ir pan.) elektrinį laidumą. Esant 0 K temperatūrai, tokiame puslaidininkyje nėra laisvųjų krūvininkų. Tačiau kylant temperatūrai (ar kitokiai energetinei įtakai, pvz., apšvietimui), kai kurie kovalentiniai ryšiai gali nutrūkti ir valentiniai elektronai, tapdami laisvi, gali tolti nuo savo atomo (16.5 pav.). Elektrono praradimas paverčia atomą teigiamu jonu. Ryšiuose, toje vietoje, kur anksčiau buvo elektronas, atsiranda laisva („laisva“) erdvė – skylė. Skylės krūvis yra teigiamas ir absoliučia reikšme lygus elektrono krūviui.

Laisvą erdvę – skylę – gali užpildyti gretimo atomo valentinis elektronas, kurio vietoje kovalentiniame ryšyje susidaro nauja skylė ir pan.. Taigi kartu su valentinių elektronų judėjimu judės ir skylės. Reikėtų nepamiršti, kad kristalinėje gardelėje atomai yra „standžiai“ pritvirtinti prie mazgų. Elektrono nukrypimas nuo atomo veda į jonizaciją, o vėlesnis skylės judėjimas reiškia pakaitinę „stacionarių“ atomų jonizaciją. Jei nėra elektrinio lauko, laidumo elektronai patiria chaotišką šiluminį judėjimą. Jei puslaidininkis dedamas į išorinį elektrinį lauką, elektronai ir skylės, toliau dalyvaudami chaotiškame šiluminiame judėjime, veikiami lauko pradės judėti (drift), o tai sukurs elektros srovę. Tokiu atveju elektronai juda priešingai elektrinio lauko kryptimi, o skylės, kaip ir teigiami krūviai, juda lauko kryptimi. Puslaidininkio elektrinis laidumas, atsirandantis dėl kovalentinių ryšių nutraukimo, vadinamas vidiniu elektros laidumu.

Puslaidininkių elektrinį laidumą taip pat galima paaiškinti naudojant juostos teoriją. Pagal jį visi valentinės juostos energijos lygiai esant 0 K temperatūrai yra užimti elektronų. Jei elektronams iš išorės suteikiama energija, viršijanti aktyvacijos energiją ΔWa, tai dalis valentinių elektronų pereis į laidumo juostą, kur taps laisvaisiais, arba laidumo elektronais. Dėl elektronų pasitraukimo iš valentinės juostos joje susidaro skylės, kurių skaičius natūraliai lygus išėjusių elektronų skaičiui. Skyles gali užimti elektronai, kurių energija atitinka valentinės juostos lygių energiją. Vadinasi, valentinėje juostoje dėl elektronų judėjimo skylės juda priešinga kryptimi. Nors elektronai juda valentinėje juostoje, paprastai patogiau atsižvelgti į skylių judėjimą.

Laidumo elektronų – laidumo skylių poros susidarymo procesas vadinamas krūvininkų poros susidarymu (16.6 pav.). Galima sakyti, kad vidinis puslaidininkio elektrinis laidumas yra elektros laidumas, kurį sukelia laidumo elektronų ir laidumo skylių porų susidarymas. Susidariusios elektronų skylės poros gali išnykti, jei skylė bus užpildyta elektronu: elektronas išsilaisvins ir praras galimybę judėti, o perteklinis teigiamas atomo jono krūvis bus neutralizuotas. Tokiu atveju ir skylė, ir elektronas išnyksta vienu metu. Elektrono ir skylės susijungimo procesas vadinamas rekombinacija (16.6 pav. 2). Rekombinacija, remiantis juostų teorija, gali būti laikoma elektronų perėjimu iš laidumo juostos į laisvas vietas valentinėje juostoje. Atkreipkite dėmesį, kad elektronų perėjimą iš aukštesnio energijos lygio į žemesnį lydi energijos išsiskyrimas, kuris arba išspinduliuojamas šviesos kvantų (fotonų) pavidalu, arba perkeliamas į kristalinę gardelę šiluminių virpesių (fononų) pavidalu. ). Vidutinė krūvininkų poros tarnavimo trukmė vadinama nešiklio tarnavimo laiku. Vidutinis atstumas, kurį krūvininkas nuvažiuoja per savo gyvavimo laiką, vadinamas krūvininko difuzijos ilgiu (Lр, – skylėms, Ln – elektronams).

Esant pastoviai temperatūrai (ir nesant kitų išorinių poveikių), kristalas yra pusiausvyros būsenoje: susidariusių krūvininkų porų skaičius lygus rekombinuotų porų skaičiui. Krūvininkų skaičius tūrio vienete, tai yra jų koncentracija, lemia savitojo elektros laidumo reikšmę. Savajam puslaidininkiui elektronų koncentracija ni yra lygi skylės koncentracijai pi (ni = pi).

Priemaišų elektrinis laidumas. Jei į puslaidininkį patenka priemaiša, ji taip pat turės priemaišų, be savo elektrinio laidumo. Priemaišų elektrinis laidumas gali būti elektroninis arba skylinis. Kaip pavyzdį panagrinėkime atvejį, kai penkiavalenčio elemento priemaiša, pavyzdžiui, arsenas, patenka į gryną germanį (keturiavalentį elementą) (16.7 pav., a). Arseno atomas germanio kristalinėje gardelėje yra surištas kovalentiniais ryšiais. Tačiau ryšyje gali dalyvauti tik keturi valentiniai arseno elektronai, o penktasis elektronas pasirodo esąs „papildomas“, ne taip stipriai surištas su arseno atomu. Norint atplėšti šį elektroną nuo atomo, reikia daug mažiau energijos, todėl jau kambario temperatūroje jis gali tapti laidumo elektronu, nepalikdamas skylės kovalentiniame ryšyje. Taigi kristalinės gardelės vietoje atsiranda teigiamai įkrautas priemaišos jonas, o kristale – laisvas elektronas. Priemaišos, kurių atomai atiduoda laisvuosius elektronus, vadinamos donorais.

Fig. 16.7b paveiksle parodyta puslaidininkio su donorine priemaiša energijos juostų diagrama. Juostos tarpelyje prie laidumo juostos apačios sukuriamas leistinas energijos lygis (priemaiša, donoras), ant kurio esant artimai 0 K temperatūrai išsidėsto „papildomi“ elektronai. Norint perkelti elektroną iš priemaišų lygio į laidumo juostą, reikia mažiau energijos nei perkelti elektroną iš valentinės juostos. Atstumas nuo donoro lygio iki laidumo juostos apačios vadinamas donorų jonizacijos (aktyvacijos) energija ΔWand.

Donorinės priemaišos įvedimas į puslaidininkį žymiai padidina laisvųjų elektronų koncentraciją, o skylės koncentracija išlieka tokia pati, kokia buvo savajame puslaidininkyje. Tokiame priemaišiniame puslaidininkyje elektrinį laidumą daugiausia lemia elektronai, jis vadinamas elektroniniu, o puslaidininkiai – n tipo puslaidininkiais. Elektronai n tipo puslaidininkiuose yra daugiausiai krūvininkai (jų koncentracija didelė), o skylės – mažumos.

Jei į germanį įvedama trivalenčio elemento priemaiša (pavyzdžiui, indis), tai vieno elektrono neužtenka, kad indis sudarytų aštuonių elektronų kovalentinį ryšį su germaniu. Vienas ryšys liks tuščias. Šiek tiek padidėjus temperatūrai, elektronas iš gretimo germanio atomo gali pereiti į neužpildytą valentinį ryšį, savo vietoje palikdamas skylę (16.8 pav., a), kuri taip pat gali būti užpildyta elektronu ir pan. atrodo, kad skylė juda puslaidininkyje. Priemaišos atomas virsta neigiamu jonu. Priemaišos, kurių atomai, sužadinti, gali priimti valentinius elektronus iš gretimų atomų ir sukurti juose skylę, vadinamos akceptoriais arba akceptoriais.

Fig. 16.8b paveiksle parodyta puslaidininkio su akceptoriaus priemaiša energijos juostų schema. Priemaišos energijos lygis (akceptorius) sukuriamas juostoje, esančioje šalia valentinės juostos viršaus. Esant temperatūrai, artimai 0 K, šis lygis yra laisvas, kylant temperatūrai jį gali užimti valentinės juostos elektronas, kuriame elektronui išėjus susidaro skylė. Atstumas nuo valentinės juostos viršaus iki akceptoriaus lygio vadinamas akceptorių jonizacijos (aktyvinimo) energija ΔWа. Akceptoriaus priemaišos įvedimas į puslaidininkį žymiai padidina skylės koncentraciją, o elektronų koncentracija išlieka tokia pati, kokia buvo vietiniame puslaidininkyje. Šiame priemaišiniame puslaidininkyje elektrinį laidumą daugiausia lemia skylės, jis vadinamas skyliniu laidumu, o puslaidininkiai vadinami p tipo puslaidininkiais. P tipo puslaidininkiams daugiausiai krūvininkų yra skylės, o mažumos – elektronai.

Priemaišiniuose puslaidininkiuose kartu su priemaišų elektriniu laidumu taip pat yra būdingas laidumas dėl mažumos nešėjų buvimo. Mažumos nešėjų koncentracija priemaišiniame puslaidininkyje mažėja tiek kartų, kiek didėja daugumos nešėjų koncentracija, todėl n tipo puslaidininkiams galioja santykis nnpn = nipi = ni2 = pi2, o p tipo puslaidininkiams - ppnp = ni2 = pi2, kur nn ir pn – didžiųjų krūvininkų koncentracija, o pp ir np – atitinkamai mažumos krūvininkų koncentracija n ir p tipo puslaidininkyje.

Priemaišinio puslaidininkio savitąjį elektros laidumą lemia daugumos nešėjų koncentracija ir kuo didesnė, tuo didesnė jų koncentracija. Praktikoje dažnai pasitaiko atvejų, kai puslaidininkyje yra ir donorinių, ir akceptorių priemaišų. Tada elektros laidumo tipą lems priemaiša, kurios koncentracija didesnė. Puslaidininkis, kuriame Nd donorų ir Na akceptorių koncentracijos yra lygios (Nd = Na)), vadinamas kompensuotu.

Puslaidininkiams būdingos ir laidininkų, ir dielektrikų savybės. Puslaidininkių kristaluose atomai užmezga kovalentinius ryšius (tai yra, vienas elektronas silicio kristale, kaip ir deimantas, yra sujungtas dviem atomais); elektronams reikalingas tam tikras vidinės energijos lygis, kad jis išsiskirtų iš atomo (1,76 10 -19 J, palyginti su 11,2). 10 −19 J, kuri apibūdina skirtumą tarp puslaidininkių ir dielektrikų). Ši energija juose atsiranda kylant temperatūrai (pavyzdžiui, kambario temperatūroje atomų šiluminio judėjimo energijos lygis yra 0,4·10−19 J), o atskiri atomai gauna energiją elektronui pašalinti iš atomo. Kylant temperatūrai, didėja laisvųjų elektronų ir skylių skaičius, todėl puslaidininkyje, kuriame nėra priemaišų, savitoji varža mažėja. Paprastai puslaidininkiais laikomi elementai, kurių elektronų surišimo energija yra mažesnė nei 1,5-2 eV. Elektronų skylių laidumo mechanizmas pasireiškia vietiniuose (ty be priemaišų) puslaidininkiuose. Jis vadinamas vidiniu puslaidininkių elektriniu laidumu.

Skylė

Nutrūkus ryšiui tarp elektrono ir branduolio, atomo elektroniniame apvalkale atsiranda laisva erdvė. Tai sukelia elektrono perkėlimą iš kito atomo į atomą, turintį laisvą vietą. Atomas, iš kurio praėjo elektronas, gauna kitą elektroną iš kito atomo ir tt Taip yra dėl atomų kovalentinių ryšių. Taigi teigiamas krūvis juda nejudindamas paties atomo. Šis sąlyginis teigiamas krūvis vadinamas skyle.

Savaiminis tankumas

Esant termodinaminei pusiausvyrai, puslaidininkio elektronų tankis yra susijęs su temperatūra tokiu ryšiu:

Be to, puslaidininkio skylės tankis yra susijęs su temperatūra taip:

Vidinis tankis yra susijęs su šiais santykiais:

Puslaidininkių tipai

Pagal laidumo prigimtį

Savaiminis laidumas

Puslaidininkiai, kuriuose jonizuojantis atomams, iš kurių yra pastatytas visas kristalas, atsiranda laisvųjų elektronų ir „skylių“, vadinami savaime laidžiais puslaidininkiais. Puslaidininkiuose su vidiniu laidumu laisvųjų elektronų koncentracija yra lygi „skylių“ koncentracijai.

Laidumas yra susijęs su dalelių judumu tokiu ryšiu:

kur varža, elektronų judrumas, skylių judrumas, jų koncentracija, q elementarusis elektros krūvis (1,602·10 −19 C).

Vidiniam puslaidininkiui nešiklio koncentracijos sutampa, o formulė yra tokia:

Priemaišų laidumas

Norint sukurti puslaidininkinius įtaisus, dažnai naudojami kristalai su priemaišų laidumu. Tokie kristalai gaminami įvedant priemaišas su trivalenčio arba penkiavalenčio cheminio elemento atomais.

Pagal laidumo tipą

Elektroniniai puslaidininkiai (n tipo)

n tipo puslaidininkis

Terminas "n tipo" kilęs iš žodžio „neigiamas“, reiškiančio neigiamą daugumos nešėjų krūvį. Šio tipo puslaidininkiai turi priemaišų pobūdį. Į keturvalentį puslaidininkį (pavyzdžiui, silicį) dedama penkiavalenčio puslaidininkio priemaiša (pavyzdžiui, arsenas). Sąveikos metu kiekvienas priemaišos atomas įveda kovalentinį ryšį su silicio atomais. Tačiau penktam arseno atomo elektronui sočiųjų valentinių ryšių nėra vietos, jis patenka į išorinį elektronų apvalkalą. Ten elektronui pašalinti iš atomo reikia mažiau energijos. Elektronas nuimamas ir tampa laisvas. Šiuo atveju krūvį perduoda elektronas, o ne skylė, tai yra, tokio tipo puslaidininkiai praleidžia elektros srovę kaip metalai. Priemaišos, kurios dedamos į puslaidininkius, todėl jie tampa n tipo puslaidininkiais, vadinamos donorinėmis priemaišomis.

N-puslaidininkių laidumas yra maždaug lygus:

Skyliniai puslaidininkiai (p tipo)

p tipo puslaidininkis

Terminas "p tipas" kilęs iš žodžio „teigiamas“, reiškiančio teigiamą pagrindinių nešėjų krūvį. Šio tipo puslaidininkiams, be priemaišų pagrindo, būdingas skylinis laidumo pobūdis. Nedidelis trivalenčio elemento (pavyzdžiui, indžio) atomų kiekis dedamas į keturvalentį puslaidininkį (pvz., silicį). Kiekvienas priemaišos atomas sukuria kovalentinį ryšį su trimis gretimais silicio atomais. Kad užmegztų ryšį su ketvirtuoju silicio atomu, indžio atomas neturi valentinio elektrono, todėl jis paima valentinį elektroną iš kovalentinio ryšio tarp gretimų silicio atomų ir tampa neigiamai įkrautu jonu, todėl susidaro skylė. Priemaišos, kurios pridedamos šiuo atveju, vadinamos akceptoriaus priemaišomis.

P-puslaidininkių laidumas yra maždaug lygus:

Naudojimas radijo inžinerijoje

Puslaidininkinis diodas

Puslaidininkinis diodas susideda iš dviejų tipų puslaidininkių – skylės ir elektronų. Šių sričių kontakto metu elektronai pereina iš srities su n-tipo puslaidininkiu į sritį su p-tipo puslaidininkiu, kuri vėliau rekombinuojasi su skylutėmis. Dėl to tarp dviejų sričių atsiranda elektrinis laukas, kuris nustato puslaidininkių padalijimo ribą – vadinamąją p-n sandūrą. Dėl to srityje su p tipo puslaidininkiu atsiranda nekompensuotas neigiamų jonų krūvis, o n tipo puslaidininkio srityje – nekompensuotas teigiamų jonų krūvis. Skirtumas tarp potencialų siekia 0,3-0,6 V.

Ryšys tarp potencialų skirtumo ir priemaišų koncentracijos išreiškiamas tokia formule:

kur yra termodinaminis įtempis, yra elektronų koncentracija, yra skylės koncentracija, yra vidinė koncentracija.

Taikant teigiamą įtampą p-puslaidininkiui ir minusą n-puslaidininkiui, išorinis elektrinis laukas bus nukreiptas prieš p-n sandūros vidinį elektrinį lauką ir esant pakankamai įtampai, elektronai įveiks p-n. sandūrą, o diodo grandinėje atsiras elektros srovė (tiesioginis laidumas). Kai minusinė įtampa įvedama į sritį su p tipo puslaidininkiu, o į pliusinę į sritį su n tipo puslaidininkiu, tarp dviejų sričių atsiranda sritis, kurioje nėra laisvų elektros srovės nešėjų (atvirkštinis laidumas). Puslaidininkinio diodo atvirkštinė srovė nėra lygi nuliui, nes abiejuose regionuose visada yra mažumos krūvininkų. Šių nešėjų pn sandūra bus atvira.

Taigi p-n sandūra pasižymi vienpusio laidumo savybėmis, kurias sukelia skirtingo poliškumo įtampa. Ši savybė naudojama kintamajai srovei ištaisyti.

Tranzistorius

Tranzistorius yra puslaidininkinis įtaisas, susidedantis iš dviejų sričių su p arba n tipo puslaidininkiais, tarp kurių yra sritis su n arba p tipo puslaidininkiu. Taigi tranzistoryje yra dvi p-n sandūros sritys. Kristalo sritis tarp dviejų jungčių vadinama baze, o išorinės – emiteriu ir kolektorius. Dažniausiai naudojama tranzistorių prijungimo grandinė yra jungties grandinė su bendru emiteriu, kurioje srovė sklinda per bazę ir emiterį į kolektorių.

Dvipolis tranzistorius naudojamas elektros srovei stiprinti.

Puslaidininkių tipai periodinėje elementų lentelėje

Žemiau esančioje lentelėje pateikiama informacija apie daugybę puslaidininkinių elementų ir jų jungčių, suskirstytų į keletą tipų:

• periodinės elementų lentelės IV grupės vieno elemento puslaidininkiai,
• kompleksas: dviejų elementų A III B V ir A II B VI atitinkamai iš trečios ir penktos grupių bei iš antros ir šeštos elementų grupių.

Visų tipų puslaidininkiai turi įdomią juostos tarpo priklausomybę nuo periodo, būtent, periodui didėjant, juostos tarpas mažėja.

Fizinės savybės ir pritaikymas

Visų pirma, reikia pasakyti, kad puslaidininkių fizikinės savybės yra labiausiai ištirtos, palyginti su metalais ir dielektrikais. Daugeliu atvejų tai palengvina daugybė poveikių, kurių negalima pastebėti nei vienoje, nei kitoje medžiagoje, visų pirma susijusių su puslaidininkių juostos struktūros struktūra ir gana siauro juostos tarpo buvimu. Žinoma, pagrindinė paskata studijuoti puslaidininkius yra puslaidininkinių įtaisų ir integrinių grandynų gamyba – tai visų pirma taikoma siliciui, bet turi įtakos ir kitiems junginiams (GaAs, InP, InSb).

Dėl to, kad technologai gali gauti labai grynas medžiagas, kyla klausimas dėl naujo Avogadro numerio standarto.

Legiravimas

Tūrinės puslaidininkių savybės gali labai priklausyti nuo kristalinės struktūros defektų. Todėl jie stengiasi auginti labai grynas medžiagas, daugiausia elektronikos pramonei. Siekiant kontroliuoti puslaidininkio laidumo kiekį ir tipą, įvedami priedai. Pavyzdžiui, plačiai paplitęs silicis gali būti legiruotas periodinės elementų lentelės V pogrupio elementu - fosforu, kuris yra donoras, ir sukurti n-Si. Norint gauti silicį su skylės tipo laidumu (p-Si), naudojamas boras (akceptorius). Taip pat sukuriami kompensuoti puslaidininkiai, kad būtų užfiksuotas Fermi lygis juostos viduryje.

Priėmimo būdai

Puslaidininkiniams monokristalams gauti naudojami įvairūs fizinio ir cheminio nusodinimo būdai. Pats tiksliausias ir brangiausias vienkristalinių plėvelių auginimo įrankis technologų rankose yra molekulinio pluošto epitaksiniai blokai, leidžiantys preciziškai išauginti kristalą iki vieno sluoksnio.

Puslaidininkinė optika

Puslaidininkiai sugeria šviesą dėl perėjimų tarp juostos struktūros energijos būsenų. Atsižvelgiant į Pauli išskyrimo principą, elektronai gali pereiti tik iš užpildyto energijos lygio į neužpildytą. Vidiniame puslaidininkyje visos valentinės juostos būsenos yra užpildytos, o visos laidumo juostos būsenos yra neužpildytos, todėl perėjimai galimi tik iš valentinės juostos į laidumo juostą. Norint atlikti tokį perėjimą, elektronas turi gauti energiją iš šviesos, kuri viršija juostos tarpą. Mažesnės energijos fotonai nesukelia perėjimų tarp puslaidininkio elektroninių būsenų, todėl tokie puslaidininkiai yra skaidrūs dažnių diapazone, kur yra juostos tarpas ir yra Planko konstanta. Šis dažnis nustato pagrindinę puslaidininkio sugerties kraštą. Puslaidininkiams, kurie dažnai naudojami elektronikoje (silicis, germanis, galio arsenidas), jis yra infraraudonųjų spindulių spektro srityje.

Papildomus puslaidininkių šviesos sugerties apribojimus nustato atrankos taisyklės, ypač impulso tvermės dėsnis. Impulso tvermės dėsnis reikalauja, kad galutinės būsenos kvaziimpulsas skirtųsi nuo pradinės būsenos kvaziimpulso sugerto fotono impulso dydžiu. Fotono bangos skaičius, kur yra bangos ilgis, yra labai mažas, palyginti su puslaidininkio grįžtamosios gardelės bangos vektoriumi, arba, kas yra tas pats, fotono bangos ilgis matomoje srityje yra daug didesnis nei charakteristika tarpatominis atstumas puslaidininkyje, o tai lemia reikalavimą, kad baigtinės būsenos kvazi-impulsas elektroninio perėjimo metu būtų praktiškai lygus pradinės būsenos kvaziimpulsui. Esant dažniams, artimiems pagrindinės sugerties briaunoms, tai įmanoma tik tiesioginio tarpo puslaidininkiams. Vadinami optiniai perėjimai puslaidininkiuose, kurių metu elektronų impulsas išlieka beveik nepakitęs tiesiai arba vertikaliai. Galutinės būsenos impulsas gali labai skirtis nuo pradinės būsenos impulso, jei fotonų sugerties procese dalyvauja kita, trečioji dalelė, pavyzdžiui, fononas. Tokie perėjimai taip pat galimi, nors ir mažiau tikėtini. Jie vadinami netiesioginiai perėjimai.

Taigi, tiesioginio tarpo puslaidininkiai, tokie kaip galio arsenidas, pradeda stipriai sugerti šviesą, kai kvantinė energija viršija juostos tarpą. Tokius puslaidininkius labai patogu naudoti optoelektronikoje.

Netiesioginiai juostos tarpo puslaidininkiai, pavyzdžiui, silicis, šviesos dažnių diapazone sugeria šviesą, kurios kvantinė energija šiek tiek didesnė už juostos plotį, daug silpnesnė tik dėl netiesioginių perėjimų, kurių intensyvumas priklauso nuo fononų buvimo, todėl temperatūros. Tiesioginių perėjimų silicyje ribinis dažnis yra didesnis nei 3 eV, tai yra, jis yra ultravioletinėje spektro srityje.

Kai elektronas pereina iš valentinės juostos į laidumo juostą, puslaidininkyje atsiranda laisvieji krūvininkai, taigi ir fotolaidumas.

Esant dažniams, esantiems žemiau pagrindinės sugerties briaunos, taip pat galima sugerti šviesą, kuri yra susijusi su eksitonų sužadinimu, elektroniniais perėjimais tarp priemaišų lygių ir leidžiamų juostų, taip pat šviesos sugerti gardelės virpesiais ir laisvaisiais nešikliais. Eksitono juostos yra puslaidininkyje šiek tiek žemiau laidumo juostos apačios dėl eksitono surišimo energijos. Eksitonų sugerties spektrai turi į vandenilį panašią energijos lygių struktūrą. Panašiai priemaišos, akceptoriai arba donorai sukuria akceptorių arba donorų lygius, esančius juostos tarpelyje. Jie žymiai pakeičia legiruoto puslaidininkio sugerties spektrą. Jei netiesioginio tarpo perėjimo metu fononas sugeriamas kartu su šviesos kvantu, tai sugerto šviesos kvanto energija gali būti mažesnė už fonono energijos kiekį, o tai lemia sugertį dažniais, kurių energija yra šiek tiek mažesnė nuo pagrindinės sugerties briaunos. .

Puslaidininkių sąrašas

Puslaidininkiniai junginiai skirstomi į keletą tipų:

• paprastas puslaidininkinės medžiagos – tikrieji cheminiai elementai: boras B, anglis C, germanis Ge, silicis Si, selenas Se, siera S, stibis Sb, telūras Te ir jodas I. Germanis, silicis ir selenas plačiai naudojami atskirai. Likusieji dažniausiai naudojami kaip priedai arba kaip sudėtingų puslaidininkinių medžiagų komponentai;
• į grupę kompleksas Puslaidininkinės medžiagos apima cheminius junginius, turinčius puslaidininkių savybių ir turinčius du, tris ar daugiau cheminių elementų. Šios grupės puslaidininkinės medžiagos, susidedančios iš dviejų elementų, vadinamos dvejetainis, ir kaip įprasta chemijoje, jie turi komponento pavadinimą, kurio metalinės savybės yra mažiau ryškios. Taigi vadinami dvejetainiai junginiai, kuriuose yra arseno arsenidai, siera - sulfidai, telūras - teluridai, anglis - karbidai. Sudėtingos puslaidininkinės medžiagos yra vienijamos D. I. Mendelejevo periodinės elementų lentelės, kuriai priklauso junginio komponentai, grupės numeriu ir žymimos lotyniškos abėcėlės raidėmis (A yra pirmasis elementas, B yra antrasis ir kt. .). Pavyzdžiui, dvejetainis junginys indžio fosfidas InP žymimas A III B V

Plačiai naudojami šie junginiai:

A III B V

• InSb, InAs, InP, GaSb, GaP, AlSb, GaN, InN

• CdSb, ZnSb

• ZnS, ZnSe, ZnTe, CdS, CdTe, HgSe, HgTe, HgS

• PbS, PbSe, PbTe, SnTe, SnS, SnSe, GeS, GeSe

taip pat kai kurie švino, alavo, germanio, silicio oksidai, taip pat feritas, amorfiniai stiklai ir daugelis kitų junginių (A I B III C 2 VI, A I B V C 2 VI, A II B IV C 2 V, A II B 2 II C 4 VI, A II B IV C 3 VI).

Remiantis dauguma aukščiau išvardintų dvejetainių junginių, galima gauti jų kietus tirpalus: (CdTe) x (HgTe) 1-x, (HgTe) x (HgSe) 1-x, (PbTe) x (SnTe) 1-x , (PbSe) x (SnSe) 1-x ir kt.

Jungtys A III B V daugiausia naudojamos elektroniniams gaminiams, veikiantiems itin aukštais dažniais

A II B V junginiai naudojami kaip matomos srities luminoforai, šviesos diodai, Holo jutikliai ir moduliatoriai.

Junginiai A III B V, A II B VI ir A IV B VI naudojami šviesos šaltinių ir imtuvų, indikatorių ir spinduliuotės moduliatorių gamyboje.

Oksidiniai puslaidininkiniai junginiai naudojami fotovoltinių elementų, lygintuvų ir aukšto dažnio induktorių šerdims gaminti.

Puslaidininkiai yra plati medžiagų klasė, kuriai būdingos specifinės elektrinio laidumo vertės, esančios intervale tarp metalų elektrinio laidumo ir gerų dielektrikų, tai yra, šios medžiagos negali būti klasifikuojamos nei kaip dielektrikas (nes jos nėra geri izoliatoriai), nei metalai (nėra geri elektros srovės laidininkai). Pavyzdžiui, puslaidininkiams priskiriamos tokios medžiagos kaip germanis, silicis, selenas, telūras, taip pat kai kurie oksidai, sulfidai ir metalų lydiniai.

Savybės:

1) Kylant temperatūrai, puslaidininkių savitoji varža mažėja, priešingai nei metalų, kurių savitoji varža didėja kylant temperatūrai. Be to, kaip taisyklė, plačiame temperatūros diapazone šis padidėjimas vyksta eksponentiškai. Puslaidininkinių kristalų savitoji varža taip pat gali sumažėti veikiant šviesai ar stipriems elektroniniams laukams.

2) Dviejų puslaidininkių kontakto vienpusio laidumo savybė. Būtent ši savybė naudojama kuriant įvairius puslaidininkinius įrenginius: diodus, tranzistorius, tiristorius ir kt.

3) Įvairių puslaidininkių kontaktai tam tikromis sąlygomis apšvietimo ar šildymo metu yra foto-e šaltiniai. d.s. arba, atitinkamai, termo-e. d.s.

Puslaidininkiai nuo kitų kietųjų medžiagų klasių skiriasi daugeliu specifinių savybių, iš kurių svarbiausios yra:

1) teigiamas temperatūros elektros laidumo koeficientas, tai yra, didėjant temperatūrai, puslaidininkių elektrinis laidumas didėja;

2) puslaidininkių laidumas mažesnis nei metalų, bet didesnis nei izoliatorių;

3) didelės termoelektrovaros jėgos vertės, palyginti su metalais;

4) didelis puslaidininkių savybių jautrumas jonizuojančiai spinduliuotei;

5) gebėjimas staigiai keisti fizines savybes esant nereikšmingoms priemaišų koncentracijoms;

6) srovės ištaisymo efektas arba neominis elgesys kontaktuose.

3. Fizikiniai procesai p-n sandūroje.

Daugumos puslaidininkinių įtaisų pagrindinis elementas yra elektronų skylės jungtis ( р-n-jungtis), kuris yra pereinamasis sluoksnis tarp dviejų puslaidininkio sričių, iš kurių vienas turi elektroninį laidumą, o kitas - skylę.

Išsilavinimas p-n perėjimas. P-n perėjimas į pusiausvyros būseną

Pažvelkime atidžiau į ugdymo procesą p-n perėjimas. Pereinamoji būsena vadinama pusiausvyra, kai nėra išorinės įtampos. Prisiminkime tai R-regionas yra dviejų tipų pagrindinių krūvininkų: stacionarūs neigiamai įkrauti akceptorių priemaišų atomų jonai ir laisvos teigiamai įkrautos skylės; ir į n-regione taip pat yra dviejų tipų pagrindiniai krūvininkai: stacionarūs teigiamai įkrauti akceptorių priemaišų atomų jonai ir laisvieji neigiamai įkrauti elektronai.

Prieš susisiekiant p Ir n plotai, elektronai, skylės ir priemaišų jonai pasiskirsto tolygiai. Susisiekus pasienyje p Ir n regionuose atsiranda laisvųjų krūvininkų koncentracijos gradientas ir difuzija. Difuzijos įtakoje elektronai iš n- plotas patenka į p ir ten susijungia su skylutėmis. Skylės iš R- sritys eina į n-regioną ir rekombinuoti ten su elektronais. Dėl šio laisvųjų krūvininkų judėjimo ribinėje srityje jų koncentracija sumažėja beveik iki nulio ir tuo pačiu R regione susidaro neigiamas akceptorių priemaišų jonų erdvės krūvis, o in n-regionas turi teigiamą erdvinį donorų priemaišų jonų krūvį. Tarp šių krūvių atsiranda kontaktinio potencialo skirtumas φ į ir elektrinis laukas E k, kuris neleidžia sklisti laisviesiems krūvnešiams iš gilaus R- Ir n- plotus skersai p-n- perėjimas. Taigi sritis, kurią jungia laisvieji krūvininkai su savo elektriniu lauku, vadinama p-n- perėjimas.

P-n-Perėjimui būdingi du pagrindiniai parametrai:

1. Galimas barjero aukštis. Jis lygus kontaktinio potencialo skirtumui φ į. Tai potencialų skirtumas sandūroje, kurį sukelia krūvininkų koncentracijos gradientas. Tai energija, kurią turi turėti nemokamas įkrovimas, kad įveiktų potencialų barjerą:

Kur k– Boltzmanno konstanta; e– elektronų krūvis; T- temperatūra; N a Ir N D– akceptorių ir donorų koncentracijos atitinkamai skylės ir elektronų srityse; r r Ir р n- skylių koncentracija viduje R- Ir n- srityse; n i - vidinė krūvininkų koncentracija nesusijusiame puslaidininkyje,  t = kT/e- temperatūros potencialas. Esant temperatūrai T=27 0 C  t=0,025V, germanio sandūrai  į=0,6 V, silicio jungtis  į=0,8 V.

2. pn sandūros plotis(1 pav.) yra pasienio regionas, išsekęs krūvininkų, kuris yra p Ir n sritys: l p-n = l p + l n:

Iš čia,

Kur ε – puslaidininkinės medžiagos santykinė dielektrinė konstanta; ε 0 - laisvos erdvės dielektrinė konstanta.

Elektronų skylių perėjimų storis yra (0,1-10) µm. Jei , tada ir p-n-perėjimas vadinamas simetriniu, jei , tada ir p-n- perėjimas vadinamas asimetriniu ir daugiausia yra puslaidininkio srityje, kurioje priemaišų koncentracija yra mažesnė.

Pusiausvyros būsenoje (be išorinės įtampos) per р-n pereinant, juda du priešiniai krūvių srautai (teka dvi srovės). Tai mažumos krūvininkų dreifo srovė ir difuzinė srovė, kuri yra susijusi su daugumos krūvininkais. Kadangi nėra išorinės įtampos ir nėra srovės išorinėje grandinėje, dreifo srovė ir difuzijos srovė yra tarpusavyje subalansuotos ir gaunama srovė lygi nuliui.

I dr + I skirtumas = 0.

Šis ryšys vadinamas difuzijos ir dreifo procesų dinaminės pusiausvyros sąlyga izoliuotoje (pusiausvyra) p-n- perėjimas.

Paviršius ant kurio kontakto p Ir n plotas vadinamas metalurgijos riba. Iš tikrųjų jis turi ribotą storį - δ m. Jeigu δ m<< l p-n , Tai p-n- perėjimas vadinamas staigiu. Jei δ m >> l p-n, Tai p-n- perėjimas vadinamas sklandžiu.

Р-n perėjimas su išorine įtampa

Išorinė įtampa sutrikdo dinaminę srovių pusiausvyrą p-n- perėjimas. P-n- perėjimas pereina į nepusiausvyros būseną. Priklausomai nuo įtampos poliškumo į sritis p-n-perėjimas, galimi du darbo režimai.

1) Poslinkis į priekįp-n perėjimas. P-n- Sandūra laikoma nukreipta į priekį, jei yra prijungtas teigiamas maitinimo šaltinio polius R-sritis, o neigiamas n-sritys (1.2 pav.)

Esant tiesioginiam poslinkiui, įtampos  k ir U yra nukreiptos skaitikliu, gaunama įtampa yra p-n-perėjimas sumažėja iki vertės  į – U. Tai lemia tai, kad elektrinio lauko stipris mažėja ir pagrindinių krūvininkų difuzijos procesas atsinaujina. Be to, poslinkis į priekį sumažina plotį p-n perėjimas, nes l p-n ≈( k – U) 1/2. Difuzinė srovė, daugumos krūvininkų srovė, tampa daug didesnė už dreifo srovę. Per p-n- jungties nuolatinės srovės srautai

I r-n =I pr =I dif. +I dr I dif .

Tekant nuolatinei srovei, dauguma p srities krūvininkų pereina į n sritį, kur tampa mažuma. Vadinamas difuzijos procesas, kai daugumos krūvininkai įvedami į regioną, kuriame jie tampa mažumos nešikliais injekcija, o nuolatinė srovė yra difuzinė arba įpurškimo srovė. P ir n srityse susikaupusiems mažumos krūvininkų kompensavimui išorinėje grandinėje iš įtampos šaltinio kyla elektroninė srovė, t.y. išsaugomas elektros neutralumo principas.

Kai didėja U srovė smarkiai padidėja, - temperatūros potencialas ir gali pasiekti dideles vertes, nes susiję su pagrindiniais nešiotojais, kurių koncentracija yra didelė.

2) Atvirkštinis šališkumas, atsiranda, kai R-sritis taikomas minusas, ir prie n- pliuso plotas, išorinis įtampos šaltinis (1.3 pav.).

Toks išorinis stresas Uįtraukta pagal  į. Tai: padidina potencialaus barjero aukštį iki vertės  į + U; didėja elektrinio lauko stiprumas; plotis p-n perėjimas didėja, nes l p-n ≈( to + U) 1/2; difuzijos procesas visiškai sustoja ir po to p-n perėjimas, teka dreifo srovė, mažumos krūvininkų srovė. Ši srovė p-n-perėjimas vadinamas atvirkštiniu, o kadangi jis yra susijęs su mažumos krūvininkais, atsirandančiais dėl šiluminės generacijos, jis vadinamas šilumine srove ir žymimas - aš 0, t.y.

I r-n =I arr =I dif. +I dr I dr = I 0.

Ši srovė yra mažo dydžio, nes susiję su mažumos krūvininkais, kurių koncentracija maža. Taigi, p-n Jungtis turi vienpusį laidumą.

Atvirkštinio poslinkio metu mažumos krūvininkų koncentracija ties perėjimo riba šiek tiek sumažėja, palyginti su pusiausvyros reikšme. Tai veda prie mažumos krūvininkų difuzijos iš gilumos p Ir n- regionai iki sienos p-n perėjimas. Jį pasiekę mažumos nešėjai patenka į stiprų elektrinį lauką ir perkeliami p-n pereinamuoju laikotarpiu, kai jie tampa dauguma krūvininkų. Mažumos krūvininkų difuzija iki ribos p-n vadinamas perėjimu ir dreifavimu per jį į regioną, kuriame jie tampa pagrindiniais krūvininkų nešikliais gavyba. Ištraukiama ir sukuriama atvirkštinė srovė p-n perėjimas yra mažumos krūvininkų srovė.

Atbulinės eigos srovės dydis labai priklauso nuo: aplinkos temperatūros, puslaidininkinės medžiagos ir ploto. p-n perėjimas.

Atbulinės srovės priklausomybė nuo temperatūros nustatoma pagal išraišką , kur yra vardinė temperatūra, yra faktinė temperatūra, yra šiluminės srovės padvigubėjimo temperatūra.

Silicio sankryžos šiluminė srovė yra daug mažesnė nei germanio sankryžos šiluminė srovė (3-4 eilėmis). Tai susiję su  į medžiaga.

Didėjant sandūros plotui, didėja jo tūris, todėl mažumos nešėjų, atsirandančių dėl šilumos susidarymo ir šiluminės srovės, skaičius didėja.

Taigi, pagrindinis turtas p-n-perėjimas yra jo vienpusis laidumas.

4. P-n sandūros srovės-įtampos charakteristikos.

Gaukime p-n sandūros srovės-įtampos charakteristiką. Norėdami tai padaryti, rašome tęstinumo lygtį bendra forma:

Laikysime nejudantį atvejį dp/dt = 0.

Panagrinėkime n tipo puslaidininkio kvazineutralaus tūrio srovę, esančią dešinėje nuo p-n sandūros išeikvojimo srities (x > 0). G generacijos greitis kvazineutraliame tūryje lygus nuliui: G = 0. Elektrinis laukas E taip pat lygus nuliui: E = 0. Srovės dreifo dedamoji taip pat lygi nuliui: I E = 0, todėl srovė yra difuzija. Rekombinacijos greitis R esant žemam įpurškimo lygiui apibūdinamas tokiu ryšiu:

Naudokime tokį difuzijos koeficientą, difuzijos ilgį ir mažumos nešiklio tarnavimo laiką jungiantį ryšį: Dτ = L p 2 .

Atsižvelgiant į pirmiau pateiktas prielaidas, tęstinumo lygtis yra tokia:

Difuzijos lygties ribinės sąlygos p-n sandūroje yra tokios formos:

Diferencialinės lygties (2.58) sprendimas su ribinėmis sąlygomis (*) turi tokią formą:

Sąryšis (2.59) aprašo n tipo puslaidininkio kvazineutralaus tūrio įleistų skylių pasiskirstymo dėsnį elektronų skylės perėjimui (2.15 pav.). Visi nešikliai, kurie kerta SCR ribą su kvazineutraliu pn sandūros tūriu, dalyvauja pn sandūros srovėje. Kadangi visa srovė yra difuzija, srovės išraišką pakeitę (2.59), gauname (2.16 pav.):

Sąryšis (2.60) apibūdina pn sandūros skylės srovės difuzijos komponentą, atsirandantį įpurškiant mažumos nešiklius esant priekiniam poslinkiui. P-n sandūros srovės elektroniniam komponentui taip pat gauname:

Esant V G = 0, dreifo ir difuzijos komponentai subalansuoja vienas kitą. Vadinasi,.

Bendra p-n sandūros srovė yra visų keturių p-n sandūros srovės komponentų suma:

Išraiška skliausteliuose turi fizinę pn sandūros atvirkštinės srovės reikšmę. Iš tiesų, esant neigiamai įtampai V G< 0 ток дрейфовый и обусловлен неосновными носителями. Все эти носители уходят из цилиндра длиной L n со скоростью L n /τ p . Тогда для дрейфовой компоненты тока получаем:

Ryžiai. 2.15. Nepusiausvyros nešiklių, įpuršktų iš emiterio, pasiskirstymas per kvazineutralų p-n sandūros pagrindo tūrį

Nesunku pastebėti, kad šis ryšys yra lygiavertis anksčiau gautam tęstinumo lygties analizei.

Jei reikia įgyvendinti vienpusio įpurškimo sąlygą (pavyzdžiui, tik skylės įpurškimas), tai iš santykio (2.61) išplaukia, kad reikia pasirinkti nedidelę mažumos nešiklio koncentracijos n p0 reikšmę p- regione. Iš to seka, kad p tipo puslaidininkis turi būti stipriai legiruotas, lyginant su n tipo puslaidininkiu: N A >> N D . Šiuo atveju pn sandūros srovėje dominuos skylės dedamoji (2.16 pav.).

Ryžiai. 2.16. Srovės asimetrinėje p-n sandūroje su į priekį

Taigi p-n sandūros srovės įtampos charakteristika yra tokia:

Soties srovės tankis J s yra lygus:

P-n sandūros srovės-įtampos charakteristika, aprašyta ryšiu (2.62), parodyta 2.17 pav.

Ryžiai. 2.17. Idealios p-n sandūros srovės-įtampos charakteristika

Kaip matyti iš (2.16) ir 2.17 paveikslo, idealios pn sandūros srovės-įtampos charakteristika yra aiškiai asimetrinė. Tiesioginių įtampų srityje p-n sandūros srovė yra difuzinė ir didėja eksponentiškai didėjant taikomajai įtampai. Neigiamų įtampų srityje p-n sandūros srovė yra dreifuojanti ir nepriklauso nuo taikomos įtampos.

5. P-n sandūros talpa.

Bet kuri sistema, kurioje elektros krūvis Q kinta pasikeitus potencialui φ, turi talpą. Talpos C reikšmė nustatoma pagal santykį: .

P-n sandūrai galima išskirti du krūvių tipus: krūvį jonizuotų donorų ir akceptorių Q B erdvės krūvio srityje ir nešėjų, įšvirkščiamų į bazę iš emiterio Q p, krūvį. Esant skirtingiems poslinkiams pn sandūroje, skaičiuojant talpą dominuos vienas ar kitas krūvis. Šiuo atžvilgiu p-n sandūros talpa išskiriama barjerinė talpa C B ir difuzinė talpa C D.

Barjerinė talpa C B yra p-n sandūros talpa esant atvirkštiniam poslinkiui V G< 0, обусловленная изменением заряда ионизованных доноров в области пространственного заряда.

Jonizuotų donorų ir akceptorių Q B krūvio vertė asimetrinės p-n sandūros ploto vienetui yra lygi:

Diferencijuojant išraišką (2.65), gauname:

Iš (2.66) lygties seka, kad barjerinė talpa C B yra plokščiojo kondensatoriaus, kurio atstumas tarp plokščių lygus erdvės įkrovos srities W pločiui, talpa. Kadangi SCR plotis priklauso nuo naudojamos įtampos V G , barjero talpa taip pat priklauso nuo naudojamos įtampos. Skaitmeniniai barjero talpos įverčiai rodo, kad jos vertė yra dešimtys ar šimtai pikofaradų.

Difuzinė talpa C D – p-n sandūros talpa, esant priekiniam poslinkiui V G > 0, kurią sukelia įleidžiamų nešiklių krūvio Q p pokytis į bazę iš emiterio Q p.

Instrumentiniam įgyvendinimui naudojama barjerinės talpos C B priklausomybė nuo taikomos atvirkštinės įtampos V G. Puslaidininkinis diodas, įgyvendinantis šią priklausomybę, vadinamas varikapu. Varicap didžiausia talpa yra esant nulinei įtampai V G . Didėjant atvirkštiniam poslinkiui, varikapo talpa mažėja. Varicap talpos funkcinę priklausomybę nuo įtampos lemia varikapo bazės dopingo profilis. Esant vienodai dopingui, talpa yra atvirkščiai proporcinga įjungtos įtampos V G šaknei. Nustačius legiravimo profilį varikapo N D (x) bazėje, galima gauti įvairias varikapo talpos priklausomybes nuo įtampos C(V G) - tiesiškai mažėjančia, eksponentiškai mažėjančia.

6. Puslaidininkiniai diodai: klasifikacija, dizaino ypatybės, simboliai ir žymėjimai.

Puslaidininkinis diodas- puslaidininkinis įtaisas su viena elektros jungtimi ir dviem gnybtais (elektrodais). Skirtingai nuo kitų tipų diodų, puslaidininkinių diodų veikimo principas pagrįstas šiuo reiškiniu p-n- perėjimas.

Viena iš pagrindinių p-n-sankryžos savybių yra jos gebėjimas praleisti elektros srovę viena (pirmyn) kryptimi tūkstančius ir milijonus kartų geriau nei priešinga kryptimi.

Puslaidininkiai – medžiagų klasė, užimanti tarpinę padėtį tarp medžiagų, kurios gerai praleidžia elektros srovę (laidininkai, daugiausia metalai) ir medžiagų, kurios praktiškai nelaidžia elektros srovės (izoliatoriai arba dielektrikai).

Puslaidininkiams būdinga stipri jų savybių ir charakteristikų priklausomybė nuo mikroskopinio juose esančių priemaišų kiekio. Pakeitus priemaišų kiekį puslaidininkyje nuo dešimties milijonų procentų iki 0,1–1%, galite pakeisti jų laidumą milijonus kartų. Kita svarbi puslaidininkių savybė yra ta, kad elektros srovę į juos neša ne tik neigiami krūviai – elektronai, bet ir vienodo dydžio teigiami krūviai – skylės.

Jei laikysime idealizuotą puslaidininkio kristalą, visiškai be jokių priemaišų, tada jo gebėjimą praleisti elektros srovę lems vadinamasis vidinis elektrinis laidumas.

Puslaidininkinio kristalo atomai yra sujungti vienas su kitu naudojant išoriniame elektronų apvalkale esančius elektronus. Šiluminių atomų virpesių metu šiluminė energija tarp elektronų, sudarančių ryšius, pasiskirsto netolygiai. Atskiri elektronai gali gauti pakankamai šiluminės energijos, kad „atsiplėštų“ nuo savo atomo ir galėtų laisvai judėti kristale, t.y. tapti potencialiais srovės nešėjais (kitaip tariant, pereiti į laidumo juostą). Toks elektronų išskyrimas pažeidžia atomo elektrinį neutralumą, jis įgyja teigiamą krūvį, kurio dydis lygus pasišalinusio elektrono krūviui. Ši laisva erdvė vadinama skyle.

Kadangi laisvą vietą gali užimti elektronas iš kaimyninės jungties, skylė taip pat gali judėti kristalo viduje ir tapti teigiamu srovės nešikliu. Natūralu, kad tokiomis sąlygomis elektronų ir skylių atsiranda vienodai, o tokio idealaus kristalo elektrinį laidumą vienodai lems ir teigiami, ir neigiami krūviai.

Jei vietoje pagrindinio puslaidininkio atomo įdėsime priemaišos atomą, kurio išoriniame elektronų apvalkale yra vienu elektronu daugiau nei pagrindinio puslaidininkio atome, tai toks elektronas pasirodys perteklinis, nereikalingas puslaidininkio susidarymui. tarpatominiai ryšiai kristale ir silpnai sujungti su jo atomu. Pakanka dešimčių kartų mažiau energijos, kad atplėštų jį nuo atomo ir paverstų laisvu elektronu. Tokios priemaišos vadinamos donorinėmis, ty dovanojančiomis „papildomą“ elektroną. Priemaišos atomas įkraunamas, žinoma, teigiamai, tačiau skylė neatsiranda, nes skylė gali būti tik elektronų laisva vieta neužpildytame tarpatominiame ryšyje, ir šiuo atveju visos jungtys yra užpildytos. Šis teigiamas krūvis lieka susietas su jo atomu, nejuda, todėl negali dalyvauti elektros laidumo procese.

Priemaišų patekimas į puslaidininkį, kurio išoriniame elektronų apvalkale yra mažiau elektronų nei pagrindinės medžiagos atomuose, atsiranda neužpildytų ryšių, ty skylių. Kaip minėta aukščiau, šią laisvą vietą gali užimti elektronas iš kaimyninės jungties, o skylė gali laisvai judėti visame kristale. Kitaip tariant, skylės judėjimas yra nuoseklus elektronų perėjimas iš vienos kaimyninės jungties į kitą. Tokios priemaišos, kurios "priima" elektroną, vadinamos akceptoriaus priemaišomis.

Jei n tipo metalo-dielektrinio puslaidininkio struktūroje yra įjungta įtampa (kaip parodyta poliškumo paveiksle), tai puslaidininkio paviršiniame sluoksnyje atsiranda elektrinis laukas, atstumiantis elektronus. Pasirodo, šis sluoksnis išeikvotas.

P tipo puslaidininkyje, kur daugiausiai nešėjų yra teigiami krūviai – skylės, elektronus atstumiančios įtampos poliškumas pritrauks skylutes ir sukurs prisodrintą sluoksnį su sumažinta varža. Poliškumo pasikeitimas šiuo atveju sukels skylių atstūmimą ir paviršinio sluoksnio susidarymą su padidintu atsparumu.

Didėjant vienokio ar kitokio tipo priemaišų kiekiui, kristalo elektrinis laidumas pradeda įgauti vis ryškesnį elektroninį ar skylės pobūdį. Pagal lotyniškų žodžių negativus ir positivus pirmąsias raides elektroninis elektrinis laidumas vadinamas n tipo elektriniu laidumu, o skylių laidumas – p tipo, nurodantis, kokio tipo judrūs krūvininkai tam tikram puslaidininkiui yra pagrindiniai ir kuris yra nepilnametis.

Esant elektriniam laidumui dėl priemaišų (t. y. priemaišų), kristale vis dar liko 2 tipų nešikliai: pagrindiniai, kurie atsiranda daugiausia dėl priemaišų patekimo į puslaidininkį, ir mažumai, kurie savo išvaizdą lėmė terminis sužadinimas. Elektronų n ir skylių p kiekis 1 cm 3 (koncentracija) tam tikram puslaidininkiui tam tikroje temperatūroje yra pastovi reikšmė: n − p = const. Tai reiškia, kad kelis kartus padidinę tam tikro tipo nešiklių koncentraciją dėl priemaišų, tokiu pat kiekiu sumažiname ir kito tipo nešiklių koncentraciją. Kita svarbi puslaidininkių savybė yra didelis jų jautrumas temperatūrai ir spinduliuotei. Kylant temperatūrai, vidutinė kristalo atomų virpesių energija didėja, nutrūks vis daugiau ryšių. Atsiras vis daugiau elektronų porų ir skylių. Esant pakankamai aukštai temperatūrai, vidinis (šiluminis) laidumas gali būti lygus priemaišų laidumui arba net gerokai jį viršyti. Kuo didesnė priemaišų koncentracija, tuo aukštesnėje temperatūroje šis poveikis pasireikš.

Ryšiai gali būti nutraukti ir apšvitinant puslaidininkį, pavyzdžiui, šviesa, jei šviesos kvantų energijos pakanka ryšiams nutraukti. Ryšių nutraukimo energija skirtingiems puslaidininkiams yra skirtinga, todėl jie skirtingai reaguoja į tam tikras švitinimo spektro dalis.

Kaip pagrindinės puslaidininkinės medžiagos naudojami silicio ir germanio kristalai, o kaip priemaišos – boras, fosforas, indis, arsenas, stibis ir daugelis kitų elementų, suteikiančių puslaidininkiams reikiamas savybes. Puslaidininkinių kristalų su tam tikru priemaišų kiekiu gamyba yra sudėtingas technologinis procesas, atliekamas ypač švariomis sąlygomis naudojant didelio tikslumo ir sudėtingumo įrangą.

Visos išvardintos svarbiausios puslaidininkių savybės naudojamos kuriant puslaidininkinius įtaisus, kurie savo paskirtimi ir taikymo sritimis yra labai įvairūs. Diodai, tranzistoriai, tiristoriai ir daugelis kitų puslaidininkinių įrenginių yra plačiai naudojami technikoje. Puslaidininkiai pradėti naudoti palyginti neseniai, o šiandien sunku išvardyti visas jų „profesijas“. Jie paverčia šviesą ir šiluminę energiją elektros energija ir, atvirkščiai, sukuria šilumą ir šaltį naudodami elektrą (žr. Saulės energija). Puslaidininkinius įtaisus galima rasti įprastame radijo imtuve ir kvantiniame generatoriuje – lazeryje, mažytėje atominėje baterijoje ir miniatiūriniuose elektroninio kompiuterio blokuose. Šiandien inžinieriai neapsieina be puslaidininkinių lygintuvų, jungiklių ir stiprintuvų. Vamzdžių įrangos pakeitimas puslaidininkine įranga leido dešimt kartų sumažinti elektroninių prietaisų dydį ir svorį, sumažinti jų energijos suvartojimą ir smarkiai padidinti patikimumą.

Apie tai galite perskaityti straipsnyje Mikroelektronika.