Nr ćwiczenia: 19	Temat ćwiczenia: Sporządzanie charakterystyk tranzystora	Wydział: FTiMK	Data: 17.10.2000
Zespół nr: 4	Imię i nazwisko: Elżbieta Pojnar	Rok: II	Ocena:

Przewodnictwo elektronowe na przykładzie modelu pasmowego

W ciałach stałych atomy oddziałują między sobą, co prowadzi do rozszczepienia dyskretnych poziomów pojedynczego atomu na bardzo wiele blisko siebie położonych poziomów, które tworzą pasmo energetyczne, przedstawione na rys.7. Dozwolonymi energiami elektronów w krysztale są jedynie wartości energii dozwolonych pasm energetycznych. Oddzielone są one od siebie pasmami wzbronionymi. Ważną rolę w ciałach stałych odgrywa:

1. pasmo walencyjne - wszystkie poziomy są obsadzone elektronami i nie mogą one zwiększyć swojej energii w przyłożonym zewnętrznym polu elektrycznym, aby uczestniczyć w przewodnictwie

2. pasmo przewodnictwa - znaczna liczba wolnych poziomów, które mogą być zajmowane przez elektrony uczestniczące w przepływie prądu

W metalach pasmo walencyjne i pasmo przewodnictwa jest tylko częściowo zapełnione elektronami, więc mogą one przechodzić na wyższe, wolne poziomy. Izolatory mają szerokie pasmo wzbronione i energia ruchu cieplnego jest zbyt mała, aby mogły one przejść do pasma przewodnictwa. W półprzewodnikach wypełnione elektronami pasmo walencyjne jest oddzielone od pasma przewodnictwa pasmem wzbronionym, którego szerokość jest na tyle mała, że energia ruchu cieplnego będzie wystarczająca, aby część elektronów przeszła z pasma walencyjnego do pasma przewodnictwa. Wzbudzenia elektronów z pasma walencyjnego do pasma przewodnictwa przedstawia rys.8. W paśmie walencyjnym powstają dziury, czyli miejsca niewypełnione elektronami. Zachowują się one jak cząstki o ładunku dodatnim i mogą się przemieszczać, tworząc prąd dziurowy.

W półprzewodnikach mamy dwa prądy:

1. elektronowy - nośnikami są elektrony

2. dziurowy - nośnikami są dziury

Elektrony mogą powrócić z pasma przewodnictwa do pasma walencyjnego zapełniając dziurę i oddając w ten sposób nadmiar energii. Proces ten nazywamy rekombinacją.

W półprzewodnikach samoistnych (czystych materiałach Si, Ge, GaAs) wraz ze wzrostem temperatury rośnie ilość nośników prądu i przewodnictwo elektryczne półprzewodnika. Maleje natomiast opór właściwy.

Atomy półprzewodników samoistnych należących do IV grupy układu okresowego pierwiastków mają po cztery elektrony walencyjne, które biorą udział w wiązaniu chemicznym. Każdy atom związany jest ze swoimi czterema sąsiednimi wiązaniami kowalencyjnymi. Wiązanie to tworzą dwa elektrony, po jednym z każdego atomu biorącego udział w wiązaniu. Oderwanie takiego elektronu od atomu jest możliwe za pomocą dostarczenia mu pewnej ilości energii. Po zaabsorbowaniu energii elektron walencyjny opuszcza obszar wiązania i przechodzi do przestrzeni między atomami, gdzie może się swobodnie poruszać. W modelu pasmowym odpowiada to wzbudzeniu elektronu z pasma walencyjnego do pasma przewodnictwa. Przewodnictwo w półprzewodnikach samoistnych zależy od wielkości przerwy energetycznej, czyli największej szerokości pasma wzbronionego i rośnie wraz z temperaturą.

Istotny wpływ na własności elektryczne półprzewodników ma obecność domieszek. Najlepsze są domieszki, które posiadają o jeden elektron więcej lub mniej niż atomy kryształu. Domieszki także zajmują w krysztale położenia węzłowe. Dodanie do kryształu krzemu lub germanu domieszek pierwiastków pięciowartościowych (As, P), zwanych donorami, prowadzi do pojawienia się elektronów nie biorących udziału w tworzeniu normalnego wiązania miedzy atomami kryształu. Bardzo słabo związane elektrony tzw. nadmiarowe, łatwo stają się elektronami swobodnymi, po dostarczeniu niewielkiej ilości energii. W modelu pasmowym ich poziomy energetyczne znajdują się w pobliżu dna pasma przewodnictwa. Do wzbudzenia elektronów z poziomów donorowych do pasma przewodnictwa wystarczy bardzo niewielka energia. Ilustrację graficzną przedstawia rys.9. Dziury na poziomach donorowych są zlokalizowane na atomach domieszek i nie biorą udziału w przewodnictwie elektrycznym. Półprzewodniki nazywamy często typu n i elektrony są w nich większościowymi nośnikami.

Wprowadzenie do kryształu domieszek trójelektronowych (B, In) wytworzy brak jednego elektronu w wiązaniu atomu domieszki z atomami kryształu np. Si, czyli powstanie jednej dziury. Przedstawia to rys.10. Przeskok elektronu z sąsiedniego miejsca spowoduje przesunięcie się dziury, która po umieszczeniu kryształu w polu elektrycznym stanie się dodatnim nośnikiem prądu. Takie domieszki nazywamy akceptorami, a poziom akceptorowym, który znajduje się w paśmie wzbronionym blisko walencyjnego. Elektrony z pasma walencyjnego przechodzą na poziomy akceptorowe, pozostawiając w paśmie walencyjnym dziury, które uczestniczą w przewodzeniu prądu elektrycznego. Półprzewodniki, w których przeważa przewodnictwo dziurowe nazywamy typu p.

W niskich temperaturach liczba nośników bardzo silnie zależy od koncentracji domieszek. W wyższych temperaturach, począwszy od pewnej wartości, domieszki są zjonizowane. Dalszy wzrost liczby nośników pochodzi od wzbudzeń elektronów z pasma walencyjnego do pasma przewodnictwa. Wartość oporu właściwego półprzewodników w temperaturze pokojowej zawarty jest między 10^-2, a 10⁹ Ωcm. W ostatnich latach największe zastosowanie znalazły Si, Ge, GaAs, CdTe. Większość półprzewodników cechuje wykładniczy wzrost przewodnictwa wraz z temperaturą oraz nieliniowa zależność natężenia prądu od przyłożonego napięcia.

Dioda półprzewodnikowa

W elementach półprzewodnikowych: diodach i tranzystorach występuje złącze p-n. W takim złączu wyróżniamy trzy warstwy:

1. obszar typu p

2. obszar typu n

3. warstwę zubożoną

Warstwa zubożona powstaje po zetknięciu obu typów półprzewodnika, gdzie nośnikami większościowymi są elektrony, które dyfundują do obszaru typu p, pozostawiając dodatnio naładowane jony. Natomiast dziury z typu p dyfundują w obszar typu n, pozostawiając ujemne jony. Po ustaleniu się równowagi, tworzy się kilkumikronowa zubożona w nośniki większościowe warstwa, a wytworzone w niej pole elektryczne E charakteryzuje bariera potencjału V, która zapobiega dalszej dyfuzji dziur i elektronów przez złącze. Równowaga w złączu jest dynamiczna, czyli pewna liczba nośników większościowych może pokonać barierę potencjału, na skutek czego przez złącze płynie niewielki prąd
, skompensowany przez płynący w przeciwnym kierunku prąd nośników mniejszościowych
, który prawie nie zależy od wysokości bariery. Jeżeli nie przyłożymy zewnętrznego napięcia do złącza, to prąd nie popłynie przez złącze. Złącze przepuszcza prąd tylko w jednym kierunku, czyli ma tzw. własności prostownicze. Jeśli dodatni biegun baterii połączymy z obszarem typu n, to bariera potencjału V zostanie obniżona, wzrośnie prąd
i przez złącze zacznie płynąć prąd rosnący ekspotencjalnie wraz z napięciem zewnętrznym. Zjawisko to nazywamy polaryzacją w kierunku przewodzenia. Dla sytuacji odwrotnej bariera potencjału wzrasta, zmniejsza się prąd
i przez złącze płynie bardzo słaby zaporowy związany z nośnikami mniejszościowymi, który szybko osiąga wartość nasycenia
.Wielkość prądu płynącego przez złącze wyraża się wzorem:

Diody półprzewodnikowe są elementami, w których przewodnik typu n przylega ściśle do półprzewodnika typu p. Są one wykonywane z domieszkowego germanu lub krzemu. Wykorzystywane są przede wszystkim jako prostowniki prądu zmiennego.

Tranzystor

Tranzystory są półprzewodnikowymi elementami wzmacniającymi, posiadającymi dwa złącza p-n. Tranzystor składa się z trzech warstw półprzewodnika n-p-n lub p-n-p. Warstwy te nazywamy odpowiednio emiter E, baza B, kolektor K. Złącze baza - emiter polaryzujemy w kierunku przewodzenia, a złącze baza - kolektor w kierunku zaporowym. Napięcie na złączu emiter - baza przyłożone jest w kierunku przewodzenia, czyli niewielkim zmianom tego napięcia odpowiadają duże zmiany prądu dziurowego płynącego przez to złącze. Półprzewodnik typu p, tworzący emiter jest silnie domieszkowany w porównaniu z obszarem bazy, prawie cały prąd składa się z dziur poruszających się przez złącze

---