Политех в Сети

Сайт для Учебы

4.1. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ПРИБОРЫ

Рейтинг пользователей: / 2
ХудшийЛучший 

СВОЙСТВА ПОЛУПРОВОДНИКОВ.

К полупроводникам относятся материалы, которые по

Своему удельному электрическому сопротивлению занимают

Промежуточное положение между металлами и диэлектриками.

Концентрация электронов в металлах составляет , в диэлектриках - , а в полупроводниках сильно зависит от температуры. В соответствии с этим удельное электрическое сопротивление металлов , у диэлектриков -, а у полупроводниковых материалов при комнатной температуре

Можно проводить классификацию материалов, исходя из ширины запрещенной зоны. Полупроводники это материалы, ширина запрещенной зоны которых . У диэлектриков ширина запрещенной зоны , у металлов запрещенная зона отсутствует. Исходя из такой классификации, к полупроводникам относятся германий, кремний, селен и химические соединения такие, как арсенид галлия, сульфид кадмия, антимонид индия и др.

К специфическим свойствам полупроводников относятся обратная по сравнению с металлами температурная зависимость проводимости и сильное влияние на величину проводимости даже малых количеств примесей некоторых элементов периодической таблицы.

В качестве материалов для изготовления полупроводниковых приборов используются элементы четвертой группы периодической таблицы - германий Ge и кремний Si. При комнатной температуре () ширина запрещенной зоны германия составляет 0,66эВ, а кремния - 1,12эВ.

Германий и кремний имеют характерную для всех четырехвалентных элементов тетраэдрическую кристаллическую решетку рис.4.1А. У атомов этих элементов на наиболее удаленных от ядра внешних орбитах находятся четыре электрона. Связь атомов в кристаллической решетке возникает из-за наличия специфических обменных сил, приводящих к попарному объединению внешних валентных электронов соседних атомов, и называется валентной.

описание: кристалическая решетка кремния 1

а б в

Рис.4.1.Плоская модель кристаллической решетки кремния (А), с донорной примесью сурьмы (Б) и с акцепторной примесью бора (В)

В предельно чистом по составу полупроводнике (собственном полупроводнике) при температуре абсолютного нуля в валентной связи участвуют все четыре электрона каждого атома. При этом полупроводник обладает свойствами идеального диэлектрика, поскольку в нем отсутствуют свободные электроны и его проводимость равна нулю. При сближении атомов возникает взаимодействие между электронами различных атомов и энергии электронов несколько изменяются. При этом энергетические уровни расщепляются и образуют зоны разрешенных энергетических состояний, отделенных друг от друга запрещенной зоной. Валентная зона образуется в результате расщепления энергетических уровней валентных электронов, зона проводимости – в результате расщепления уровней возбуждения и ионизации атомов. Число уровней в энергетической зоне определяется числом взаимодействующих атомов в данном куске твердого тела, в 1см которого содержится 10 атомов. Энергетические уровни электронов, наиболее удаленные от ядра, образуют валентную зону. При повышении температуры валентная связь между отдельными атомами может нарушиться, и электрон может быть оторван от атома. При этом электрон получает дополнительную энергию и переходит в зону проводимости. В зоне проводимости возникает свободный электрон, а в валентной зоне возникает ионизированный положительно заряженный атом – дырка. Электрон, покинувший атом, может находиться в свободном состоянии только определенное время. Место дырки, имеющей положительный заряд, равный по абсолютной величине заряду электрона, может быть занято любым электроном, перешедшим из соседнего атома. Этот процесс называется рекомбинацией. Периодический захват электронов соседних атомов приводит к перемещению дырки по кристаллу. Среднее время существования свободного электрона и дырки называется временем жизни носителей заряда.

Таким образом, в собственном полупроводнике имеются два типа носителей электрических зарядов - электроны и дырки, причем концентрация электронов равна концентрации дырок и зависит от температуры:

, (4.1)

Где: - постоянный коэффициент;

- минимальная энергия, необходимая для разрыва валентной связи, называемая энергией ионизации;

- постоянная Больцмана;

- абсолютная температура.

Энергия ионизации равна ширине запрещенной зоны полупроводника.

В собственном полупроводнике при комнатной температуре концентрация дырок равна концентрации электронов и для германия составляет Ni = Pi = 2.5 1013 см -3, а для кремния - Ni = Pi = 1.41010 см -3.

В соответствии с наличием в собственных полупроводниках двух типов носителей зарядов выражение для удельной электрической проводимости представляется в виде двух слагаемых:

, (4.2)

Где И - подвижность электронов и дырок соответственно.

Несмотря на равенство концентраций электронов и дырок, вклад электронной проводимости в проводимость собственного полупроводника, как правило, больше вклада дырочной проводимости. Это объясняется большей подвижностью электронов по сравнению с дырками. Подвижность электронов в кремнии и германии в 22,5 раза выше подвижности дырок.

Средняя скорость электрона с массой за счет теплового движения в твердом теле равна:

. (4.3)

Отсюда кинетическая энергия электрона при тепловых колебаниях в кристаллической решетке равна:

. (4.4)

- значение энергии, которую могут передать электронам атомы кристаллической решетки, испытывающие тепловые колебания.

Выраженная в электрических единицах средняя кинетическая энергия свободного электрона в твердом теле оценивается величиной температурного потенциала:

, (4.5)

Где Кулона – заряд электрона.

При комнатной температуре () средняя величина энергии хаотического движения электронов соответствует МВ. Эта величина много меньше энергии ионизации атомов, поэтому при комнатной температуре ионизируется лишь незначительная часть атомов. В германии в каждом кубическом сантиметре ионизуется атомов из общего количества . Возникающие при этом свободные электроны и дырки определяют собственную проводимость полупроводника. С ростом температуры увеличивается число ионизированных атомов и собственная проводимость полупроводника увеличивается.

Характер электропроводности собственного полупроводника существенно изменяется при добавлении к нему атомов примесного вещества. В чистом виде германий и кремний не используются в радиоэлектронике. Полупроводниковые приборы изготавливаются из примесных (легированных) полупроводников. Количество примесей строго дозируется, составляя примерно 1 атом примеси на атомов основного полупроводника. В качестве примесей применяют элементы пятой (сурьма, мышьяк, фосфор) и третьей (индий, бор, галлий) групп периодической таблицы элементов.

При введении в кристалл германия или кремния атомов какого-либо пятивалентного вещества (например, сурьмы), только четыре его валентных электрона вступают в прочную связь с четырьмя соседними атомами собственного полупроводника. Пятый валентный электрон оказывается слабо связанным с ядром. Энергия ионизации, необходимая для отрыва этого электрона, имеет величину порядка 0,01 В и он легко отрывается от атома примеси и становится свободным (рис.4.1Б). При этом примесный атом превращается в неподвижный положительный ион. Свободные электроны, оторвавшиеся от примесных атомов, добавляются к свободным электронам собственного полупроводника и его электропроводность начинает определяться преимущественно электронами. Примеси, обуславливающие электронную проводимость, называются донорами, поскольку они являются поставщиками электронов. А получающийся в результате примесный полупроводник приобретает электронную проводимость и называется полупроводником типа.

При введении в кристалл германия или кремния атомов какого-либо трехвалентного вещества (например, бора) одна из четырех связей между атомом примеси и атомом собственного полупроводника оказывается незаполненной, что эквивалентно образованию дырки (рис.4.1В) и неподвижного отрицательного иона. Электропроводность таких примесных полупроводников обеспечивается за счет перемещения дырок, поэтому они называются полупроводниками Типа. Примеси третьей группы являются поставщиками дырок, поэтому их называют акцепторными.

В примесном полупроводнике один тип носителей электрических зарядов преобладает над другим типом носителей зарядов. Преобладающие носители зарядов называются основными, а те, которые составляют меньшинство – неосновными. Концентрация основных носителей превышает концентрацию неосновных носителей от 200 до 200000 раз. В полупроводнике типа основными носителями являются электроны, а в полупроводнике Типа – дырки.

Энергия ионизации примесных полупроводников значительно меньше энергии ионизации собственных полупроводников. Поэтому примесная электропроводность значительно выше собственной электропроводности.