INFORMACJE PODSTAWOWE
Policzenie koncentracji elektronów w paśmie przewodnictwa (jak również dziur w paśmie walencyjnym) byłoby skomplikowaną operacją, gdyby nie znaczne uproszczenia, które można wprowadzić nie zmieniając przy tym prawie wcale wyniku.Ponieważ rachunki dotyczą półprzewodnika samoistnego, w którym poziom Fermiego znajduje się w połowie przerwy energetycznej, w funkcji Fermiego-Diraca E-EF jest znacznie większe od kT w związku z czym funkcja eksponencjalna >>1.Dzięki temu można tę jedynkę pominąć nie popełniając przy tym dużego błędu.Z podobną sytuacją mamy do czynienia w paśmie walencyjnym gdyż tam energia jest ujemna a Fh=1-Fe.Tak więc i w tym wypadku jedynkę z mianownika można pominąć.Drugim posunięciem upraszczającym rachunki jest przyjęcie za górną granicę całkowania nieskończoności zamiast szycztu pasma przewodnictwa.Można tak uczynić gdyż funkcja eksponencjalna jest szybko malejąca.W przypadku liczenia koncentracji dziur podobnie można przyjąć za dolną granicę całkowania minus nieskończoność na podstawie takich samych założeń jak poprzednio.
Położenie poziomu Fermiego w półprzewodniku samoistnym można znaleć poprzez przyrównanie koncentracji elektronów do koncentracji dziur.Poziom ten jest nieznacznie przesunięty względem środka przerwy energetycznej w związku z różnicą masy efektywnej elektronu i dziury.Prawo działania mas oblicza się korzystając z równości koncentracji elektronów i dziur w półprzewodniku samoistnym.Daje to równanie
W półprzewodnikach niesamoistnych(domieszkowanych) poziom Fermiego ulega przesunięciu w keirunku dna pasma prewodnictwa(domieszki donorowe) lub szczytu pasma podstawowego(domieszki akceptorowe).Poziom ten łatwo wyliczyć korzystając z zależności
METODY DOMIESZKOWANIA
Domieszkowanie umożliwia nam szeroką zmianę oporu właściwego półprzewodnika, a jest to około 10 rzędów wielkości. Do domieszkowania używa się głównie pierwiastków III i V grupy. Domieszki z pierwiastkami III grupy pozwalają na otrzymanie akceptorów (wytwarza się dziura), a z grupy V dostarczają donorów.
Ilustracja domieszki z pierwiastkiem V grupy
DIODA P-N
Złącze p-n uzyskujemy przez odpowiednie rozmieszczenie domieszek donorowych i akceptorowych. Zmiana rodzaju domieszek może zachodzić liniowo (półprzewodniki liniowe) lub skokowo (analogicznie).
W warunkach, w których znany jest rozkład ładundku przestrzennego w warstwie zaporowej jednowymiarowego złącza p-n, rozkład potencjałów U(x) można wyznaczyć z równania Poissona
w którym licznik ułamka z prawej stony równania jest rozkładem ładunku przestrzennego, a mianownik stanowi przenikalność elektryczną półprzewodnika.
Dla złącz skokowych rozkład potencjałów w warstwie zaporowej określają rownania:
przy założeniu, że potencjał części obszaru p, w którą nie wnika warstwa zaporowa, jest równy zeru. W podanych równaniach UD oznacza napięcie dyfuzyjne złącza p-n, U napięcie doprowadzone do złącza z zewnątrz, przy czym znak U zależy od zwrotu względem UD.
Odpowiednie głębokości wnikania warstwy zaporowej dn oraz dp w poszczególne obszary złącza są określone następującym wzorem
Suma głębokości wnikania określonych powyższymi zależnościami wyznacza całkowitą grubość warstwy zaporowej skokowego złącza p-n
Napięcie dyfuzyjne UD oznacza całkowity skok potencjału występujący na warstwie zaporowej złącza. Korzystając z koncentracji elektronów w półprzewodniku typu n i w półprzewodniku p i po podstawieniu tych wartości przy założeniu, jest to ten sam rodzaj półprzewodnika tylko innego typu otrzymujemy równanie:
Poziom Fermiego w złączu p-n w warunkach równowagi termodynamicznej i w warunkach, w których żadne napięcie nie jest doprowadzone z zewnątrz, nie może ulegać zmianie. Musi zatem wypadać zarówno w obszarze typu p, jak i n na jednym poziomie energetycznym. Oznacza to, że w modelu pasmowym warstwy zaporowej wystąpi przesunięcie odpowiednich pasm o wartość
Podstawiając tę zależność do poprzedniego równania możemy napięcie dyfuzyjne opisać wzorem
Natężenie pola elektrycznego występujące w warstwie zaporowej skokowego złącza przy x=0 (w tym miejscu dla wartwy zaporowej natężnie osiąga maksimum) jest określone zaleznością
W oparciu o wcześniej omówione rozkłady potencjału w wartwie zaporowej to model pasmowy, do którego nie jest doprowadzone żadne napięciei znajduje się w stanie równowagi termodynamicznej można wyznaczyć w prosty sposób. Rozkład potencjału U(x) w złączu pomnożnony przez ładunek elektronu określa przebieg nachylenia pasm w modelu pasmowym złącza.
TRANZYSTOR
Tworząc w jednej bryle półprzewodnika kombinację dwóch złącz p-n otrzymać można przyrząd półprzewodnikowy o trzech zaciskach, który umożliwia wzmacnianie mocy sygnałów elektrycznych. Działanie jego opiera się na odpowiednim wykorzystaniu obu złacz p-n.
p-n prąd płynący przez złącze polaryzowane w kierunku zaporowym praktycznie nie zależy od doprowadzonego napięcia polaryzującego, ale zależy od parametrów materiałów półprzewodnikowych wchodzących w skład złącza. W skrócie to natężenie prądu Is jest proporcjonalne do koncentracji nośników mniejszościowych w obu obszarach złącza. Zmianę tego parametru można uzyskać między innymi za pomocą prądu elektrycznego. W tym celu do złącza p-n można dołożyć jeszcze jeden obszar półprzewodnika tak oby powstalo nowe złącze. Są tu możliwe dwie kombinacje : p-n-p i n-p-n.
Poszczególne obszary oznaczoe literami E,B,C, są odpowiednio nazywane emiterem, bazą i kolektorem. Złącze emiter-baza jest wykorzystywane do zmiany koncentracji nośników mniejszościowych w obszarze bazy.
Uproszczone modele pasmowe tranzystora p-n-p przed i po spolaryzowaniu przedstawia rysunek poniżej.
Autorzy: Piotr Kłos, Michał Klisch
