pn sandūra

 • pn sandūra ir jos savybės • pn sandūra ir jos savybės • pn sandūra vadinamas pereinamasis sluoksnis tarp puslaidininkio monokristalo skirtingo laidumo (p ir n) sričių. • pn sandūros būna staigios ir tolydinės, simetrinės ir nesimetrinės. • Staigioje pn sandūroje priemaišų tankis kinta šuoliu, tolydinėje – palaipsniui. • Simetrinės pn sandūros p srityje akceptorinių priemaišų tankis yra toks pat kaip donorinių priemaišų tankis n srityje. • Nesimetrinėje pn sandūroje priemaišų tankiai nevienodi. ◦ Nagrinėkime staigiąją simetrinę pn sandūrą silicio (Si) monokristale, į kurio kairiąją pusę įterpta akceptorinių priemaišų (jų tankis NA), į dešiniąją pusę – donorinių priemaišų (jų tankis ND). Sakykime, kad NA=ND=1016 1/cm3. ◦ Normalioje temperatūroje visi priemaišų atomai yra jonizuoti. Todėl kairiojoje monokristalo pusėje skylių tankis pp=NA=1016 1/cm3. Elektronų tankis dešiniojoje kristalo pusėje nn=ND=1016 1/cm3. • Be pagrindinių krūvininkų, abiejose puslaidininkio monokristalo dalyse yra ir šalutinių krūvininkų. Jų tankį galima rasti iš išraiškos • Grynajame silicyje normaliojoje temperatūroje (T=300 K) savųjų krūvininkų tankis ni =1,51010 1/cm3. Tada elektronų tankis kairiojoje monokristalo pusėje • 1/cm3, • skylių tankis dešiniojoje monokristalo pusėje • 1/cm3. • Dėl didelio krūvininkų tankio gradiento pn sandūroje vyksta jų difuzija. Skylės iš p srities difunduoja į n sritį, elektronai iš n srities – į p sritį. Dėl difuzijos krūvininkų tankis pn sandūroje kinta ne taip staigiai, kaip legiruojančiųjų priemaišų atomų tankis, o palaipsniui (pav., b). • Pereinamajame sluoksnyje tarp p ir n sričių krūvininkų tankis yra daug kartų mažesnis negu už jo ribų. • Kai x = 0, tai p =n =pi=ni. • Vadinasi, pn sandūroje susidaro sluoksnis su mažu krūvininkų tankiu, arba nuskurdęs puslaidininkio sluoksnis, pasižymintis didele savitąja varža. • Difunduodamos iš p srities į n sritį, skylės p srityje palieka nesukompensuotus neigiamus akceptorių jonus. Difunduodami iš n srities į p sritį, elektronai palieka nesukompensuotus teigiamus donorų jonus. Taip pn sandūroje susidaro erdviniai krūviai, kurių tankio pasiskirstymas atvaizduotas • Tarp erdvinių krūvių atsiranda elektrinis laukas. Elektrinio lauko pasiskirstymo grafikas atvaizduotas • Dėl krūvininkų tankio gradiento ir elektrinio lauko per pn sandūrą teka difuziniai ir dreifiniai krūvininkų srautai. • Difuzinius srautus ir difuzines skylinę bei elektroninę sroves per pn sandūrą sudaro pagrindiniai krūvininkai, difunduojantys tankio mažėjimo kryptimi. Įveikę pn sandūrą, jie tampa šalutiniais krūvininkais. Pagrindinių krūvininkų difuziją stabdo pn sandūros vidinis elektrinis laukas. • Nepakankamai energijos turinčius pagrindinius krūvininkus elektrinis laukas grąžina atgal: skyles – į p sritį, elektronus – į n sritį. • p • n • Jei el. kinetinė energ. mažesnė už barjero aukštį, jis gali tik įsiskverbti į pn sandūrą, tad el. laukas grąžina į n sritį. • Dreifinius srautus ir dreifines elektroninę bei skylinę sroves sudaro šalutiniai krūvininkai. p ir n srityse šalutiniai krūvininkai juda chaotiškai. • Priartėjusius prie pn sandūros šalutinius krūvininkus pagauna vidinis elektrinis laukas, pradeda greitinti ir perneša per sandūrą. Per pn sandūrą pernešti šalutiniai krūvininkai tampa pagrindiniais • p • n • Šalutinių krūvininkų kinetinė energija didėja. Susidurdami su gardelės defektais jie praranda energiją ir tarsi slysta barjeru • elektros srovę per pn sandūrą sudaro keturios dedamosios: skylinė difuzinė srovė, elektroninė difuzinė srovė, elektroninė dreifinė srovė ir skylinė dreifinė srovė. • Šių srovių tankiai – jpD, jnD, jnE ir jpE • Kai neveikia išorinis elektrinis laukas, pn sandūroje nusistovi dinaminė pusiausvyra, kuriai esant difuzinė ir dreifinė srovės kompensuoja viena kitą, ir srovė per pn sandūrą neteka. Vadinasi • arba • čia jD=jnD+jpD – pn sandūros difuzinės srovės tankis, jE=jnE+jpE – dreifinės srovės tankis. • Taigi, krūvininkų judėjimas pro kontaktą sukuria srovę. Jos atsiradimo priežastys yra dvi: • Pagrindinių krūvininkų tankio gradientas ir • Susikūręs kontaktinis elektrinis laukas. • Dėl gradiento atsiradusios srovės vadinamos difuzinėmis. • Kontaktinis elektrinis laukas veikia šalutinius krūvininkus, jų sukurta srovė vadinama • dreifine. • Pusiausvyros sąlygomis Fermio lygmuo yra vienodas visame nagrinėjamame puslaidininkio monokristale. Už pn sandūros ribų p srityje Fermio lygmuo yra žemiau draustinės juostos vidurio, n srityje – virš draustinės juostos vidurio. Remiantis šiais teiginiais galima sudaryti pn sandūros energijos juostų diagramą Pagal energijos juostų diagramą pn sandūroje energijos lygmenų Wv ir Wc padėtis kinta ir susidaro potencialinis barjeras. Šis barjeras atsiranda todėl, kad pn sandūroje veikia elektrinis laukas ir tarp n ir p sričių susidaro kontaktinis potencialų skirtumas Uk. • Barjero aukštis Wb išreiškiamas formule • Wb = -qUk • čia • Vidutinių temperatūrų srityje (kai nn=ND ir pp=NA) • Pagal paskutinę formulę kontaktinis potencialų skirtumas tarp n ir p sričių tuo didesnis ir potencialinis barjeras pn sandūroje tuo aukštesnis, kuo didesni priemaišų tankiai ND ir NA. • Pagal paveikslą, galioja ryšys • Didėjant priemaišų tankiams, p srityje Fermio lygmuo artėja prie valentinės juostos viršaus (Wp0), n srityje – prie laidumo juostos dugno (Wn0). Tada barjero aukštis Wb artėja prie draudžiamosios energijos juostos pločio W, o didžiausias kontaktinis potencialų skirtumas tarp n ir p sričių išreiškiamas formule • p • n • Ukmax  W/q. Kai medžiaga – silicis, tai Ukmax 1,1 V • pn sandūroje susidariusį elektrinį lauką, kontaktinį potencialų skirtumą ir potencialinį barjerą gali įveikti tik pakankamai kinetinės energijos turintys elektronai. Jei elektrono kinetinė energija mažesnė už barjero aukštį, jis gali tik įsiskverbti į pn sandūrą. Išeikvojęs energiją darbui, nukreiptam prieš elektrinio lauko jėgas, elektronas sustoja. Po to elektrinis laukas tą elektroną grąžina į n sritį. Analogiški procesai vyksta, kai iš p srities į n sritį juda skylės. • Priartėjusius prie pn sandūros šalutinius krūvininkus elektrinis laukas veikia priešingai: ne stabdo, o greitina. Judančių per pn sandūrą šalutinių krūvininkų kinetinė energija didėja. Susidurdami su kristaline gardele, šalutiniai krūvininkai praranda kinetinę energiją. Jei tokie susidūrimai vyksta pn sandūroje, krūvininkai periodiškai praranda kinetinę energiją ir tarsi slysta barjeru. • pn sandūros voltamperinė charakteristika • Prijungus prie pn sandūros išorinę įtampą, sutrinka krūvininkų difuzijos ir dreifo pusiausvyra ir per pn sandūrą ima tekėti srovė. Šios srovės priklausomybė nuo įtampos yra netiesinė ir vadinama pn sandūros voltamperine charakteristika • Sakykime, kad išorinė įtampa yra prijungta minusu prie p srities ir pliusu prie n srities. Kadangi p ir n sričių varžos yra gerokai mažesnės už nuskurdintojo sluoksnio varžą, praktiškai visa išorinė įtampa krinta pn sandūroje. • Išorinė įtampa pn sandūroje sukuria išorinį elektrinį lauką Ee, kurio kryptis nagrinėjamu atveju sutampa su vidinio elektrinio lauko Ei kryptimi • Padidėjus potencialų skirtumui tarp n ir p sričių, padidėja potencialinio barjero aukštis pn sandūroje. Jis išreiškiamas formule • čia • Uk – kontaktinis potencialų skirtumas tarp n ir p sričių; U – išorinė įtampa tarp p ir n sričių. • Priartėję prie pn sandūros šalutiniai krūvininkai patenka į elektrinį lauką ir jo veikiami pereina per sandūrą į kitą sritį. Tokių krūvininkų skaičius priklauso tik nuo šalutinių krūvininkų tankio. Nuo elektrinio lauko stiprio pn sandūroje jis nepriklauso. • Todėl dreifinė pn sandūros srovė nuo potencialinio barjero aukščio nepriklauso. • • Galima įsitikinti, kad, didėjant barjero aukščiui Wb, įveikiančių potencialinį barjerą elektronų skaičius mažėja eksponentiniu dėsniu. Ši išvada tinka ir p srities skylėms. • Todėl, didėjant paveiksle nurodytai įtampai ir barjero aukščiui, difuzinė pn sandūros srovė silpnėja. Paveiksle nurodyto poliarumo įtampa (U0 pasikeičia jos sukurto elektrinio lauko Ee kryptis. pn sandūroje veikiančio elektrinio lauko stipris sumažėja. Sumažėja ir potencialinio barjero aukštis. Sumažėjus barjero aukščiui, dreifinė pn sandūros srovė nepakinta. Difuzinė srovė, didėjant tiesioginei įtampai U ir mažėjant potencialinio barjero aukščiui, didėja eksponentiniu dėsniu. Įrodoma, kad difuzinės srovės tankis išreiškiamas formule • čia js – proporcingumo koeficientas • Kadangi pn sandūros srovę j sudaro difuzinė ir dreifinė dedamosios, galima užrašyti šitokią lygtį • Padauginę srovės tankį iš pn sandūros ploto S, gauname per pn sandūrą tekančią srovę. Jos stipris • čia Is=jsS • tai idealios pn sandūros teorinės voltamperinės charakteristikos išraiška. • normaliojoje temperatūroje (T=300 K) kT/q25 mV. • Todėl, kai U >0,1 V, galioja nelygybė • exp(qU/kT )>>1. • Tada I  Is exp(qU/kT). Vadinasi, didėjant tiesioginei įtampai, pn sandūros tiesioginės srovės stipris didėja eksponentiniu dėsniu. • Taip yra todėl, kad per pn sandūrą teka tik dreifinė srovė, kurios tankis ir stipris nepriklauso nuo veikiančios įtampos ir potencialinio barjero aukščio. Srovė Is=jsS vadinama pn sandūros soties srove • Jeigu veikia atgalinė įtampa ir -U>0,1 V, tai exp (qU/kT) 0,1 V, didėjant atgalinei įtampai, idealios pn sandūros atgalinė srovė nekinta. • Kylant temperatūrai, didėja krūvininkų šiluminio judėjimo greitis, jų energija, ir atsiranda vis daugiau krūvininkų, galinčių įveikti pn sandūroje esantį potencialinį barjerą. Todėl, kylant temperatūrai, stiprėja difuzinė pn sandūros srovė, ir pn sandūros voltamperinės charakteristikos tiesioginė šaka pasidaro šiek tiek statesnė. Tekant tai pačiai srovei, pakilus temperatūrai, įtampos kritimas pn sandūroje sumažėja • pn sandūros pramušimas • Elektrinis pramušimas būna tunelinis arba griūtinis • Tunelinis pramušimas įmanomas tik tuomet, kai priemaišų tankiai p ir n srityse yra dideli ir pn sandūra yra plona – 10-6–10-5 cm eilės. • Prasidėjus jonizacijai, padidėja laidumo elektronų ir skylių tankiai, sumažėja pn sandūros atgalinė varža ir sustiprėja atgalinė srovė.Tunelinis pramušimas prasideda, kai elektrinio lauko stipris pn sandūroje viršija maždaug 107 V/cm. • Šiluminis pramušimas • Plonoje sandūroje, veikiant atgalinei įtampai, susikuria stiprus elektrinis laukas. Stiprus laukas traukia elektronus iš kovalentinių ryšių ir gali sukelti Zinerio (Zener) efektą – elektrostatinę puslaidininkio atomų jonizaciją. • pn sandūros pramušimas • Griūtinis procesas gali vykti tik tuomet, kai pn sandūros storis didesnis už krūvininkų laisvąjį kelią. Todėl griūtinis pramušimas galimas tik storose pn sandūrose, susidarančiose tarp silpnai priemaišomis legiruotų p ir n sričių. • Šiluminis pramušimas • Griūtinis pn sandūros pramušimas gali vykti silpnai legiruotose plačiose pn sandūrose ir prasideda, veikiant silpnesniam elektriniam laukui, krūvininkų tankiui sandūroje didėjant dėl smūginės puslaidininkio atomų jonizacijos. • • Wv • a • Tunelinis pramušimas • Griūtinis pramušimas • Griūtinis pn sandūros pramušimas gali vykti silpnai legiruotose plačiose pn sandūrose ir prasideda, veikiant silpnesniam elektriniam laukui, krūvininkų tankiui sandūroje didėjant dėl smūginės puslaidininkio atomų jonizacijos. • Tunelinis pramušimas įmanomas tik tuomet, kai priemaišų tankiai p ir n srityse yra dideli ir pn sandūra yra plona – 10-6–10-5 cm eilės. Plonoje sandūroje, veikiant atgalinei įtampai, susikuria stiprus elektrinis laukas. Stiprus laukas traukia elektronus iš kovalentinių ryšių ir gali sukelti Zinerio (Zener) efektą – elektrostatinę puslaidininkio atomų jonizaciją. • Patekęs į pn sandūrą ir veikiamas el. lauko šal. krūv. greitėja, jo kinetinė energija didėja, sąveikaudamas su gardele krūvininkas suardo kovalentinį ryšį, atsiranda nauja krūvininkų pora, tada el. laukas greitina jau tris krūvininkus, kurie gali jonizuoti naujus pusl. atomus. Susidaro krūv. griūtis. • n srities l.j.apačia atsiduria žemiau p srities v.j. Viršaus, taigi prieš el. užpildytus p srities v.j. lygmenis atsiduria neužpildyti n srities l.j. lygmenys • pn sandūros storis • pn sandūros storį galima apskaičiuoti sprendžiant Puasono lygtį. Kai erdvinis krūvis ir potencialas kinta tik vienos koordinatės x kryptimi • Kai pn sandūra staigioji, donorų tankis n srityje yra Nd , akceptorių tankis p srityje Na. Vidutinių temperatūrų srityje priemaišos jonizuotos. Tada p srityje (kai 0>x>dp erdvinio krūvio tankis • n srityje, kai -dn

Daugiau informacijos...

★ Klientai rekomenduoja

Šį rašto darbą rekomenduoja mūsų klientai. Ką tai reiškia?

Mūsų svetainėje pateikiama dešimtys tūkstančių skirtingų rašto darbų, kuriuos įkėlė daugybė moksleivių ir studentų su skirtingais gabumais. Būtent šis rašto darbas yra patikrintas specialistų ir rekomenduojamas kitų klientų, kurie po atsisiuntimo įvertino šį mokslo darbą teigiamai. Todėl galite būti tikri, kad šis pasirinkimas geriausias!