Студопедия

КАТЕГОРИИ:


Архитектура-(3434)Астрономия-(809)Биология-(7483)Биотехнологии-(1457)Военное дело-(14632)Высокие технологии-(1363)География-(913)Геология-(1438)Государство-(451)Демография-(1065)Дом-(47672)Журналистика и СМИ-(912)Изобретательство-(14524)Иностранные языки-(4268)Информатика-(17799)Искусство-(1338)История-(13644)Компьютеры-(11121)Косметика-(55)Кулинария-(373)Культура-(8427)Лингвистика-(374)Литература-(1642)Маркетинг-(23702)Математика-(16968)Машиностроение-(1700)Медицина-(12668)Менеджмент-(24684)Механика-(15423)Науковедение-(506)Образование-(11852)Охрана труда-(3308)Педагогика-(5571)Полиграфия-(1312)Политика-(7869)Право-(5454)Приборостроение-(1369)Программирование-(2801)Производство-(97182)Промышленность-(8706)Психология-(18388)Религия-(3217)Связь-(10668)Сельское хозяйство-(299)Социология-(6455)Спорт-(42831)Строительство-(4793)Торговля-(5050)Транспорт-(2929)Туризм-(1568)Физика-(3942)Философия-(17015)Финансы-(26596)Химия-(22929)Экология-(12095)Экономика-(9961)Электроника-(8441)Электротехника-(4623)Энергетика-(12629)Юриспруденция-(1492)Ядерная техника-(1748)

Полупроводниковых материалов




Основные свойства и характеристики

Электронно-дырочный переход и его свойства.

Основные свойства и характеристики полупроводниковых материалов.

Лекция 1. Физические основы полупроводниковых приборов

Тема 1. Полупроводниковые приборы

Литература: 1.Гусев В.Г. Электроника: Учеб. для вузов /В.Г.Гусев, Ю.М.Гусев. – 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Высш. шк., 1991. – 622 с.

2. Прянишников В.А. Электроника: Полный курс лекций /В.А.Прянишников. – 4-е изд. – СПб.: Корона принт, 2006. – 416 с.

3. Ушаков В.Н. Электротехника и электроника: Учеб. пособие для вузов. –М.: Радио и связь, 1997. – 328 с.

 

 

 

Если в качестве признака классификации материалов, используемых для изготовления элементов электронных устройств, взять их способность проводить электрический ток (электропроводность), то все эти материалы с учетом их удельного электрического сопротивления можно разделить на три группы: проводники, полупроводники и диэлектрики.

К проводникам относят материалы, удельное электрическое сопротивление которых при комнатной температуре (Т = 300 К) не превышает 10-4 Ом×см. Удельное электрическое сопротивление диэлектриков, как правило, более 109 Ом×см.

Особый интерес представляют полупроводниковые материалы. Они занимают промежуточное положение между проводниками и диэлектриками. Интервал их удельных сопротивлений находится в диапазоне от 10-4 до 109 Ом×см и частично перекрывается с удельными электрическими сопротивлениями проводников и диэлектриков. Количество полупроводников превышает количество проводников и диэлектриков. На практике наиболее часто находят применение кремний, германий, арсенид галлия, селен, разные оксиды, сульфиды, нитриды и др.

В таблице 1 в качестве примера приведены значения удельных электрических сопротивлений представителей разных групп материалов при температуре Т = 300 К (t = +27о С).

По спо­собности проводить электрический ток и зависимости электропроводности от темпера­туры полупроводники значительно ближе к диэлектрикам, чем к проводникам. Это связано, в первую очередь, с особенностью строения атомов полупроводниковых материалов.

 

Таблица 1

Материалы r, Ом × см
Проводники: алюминий 2, 63 × 10-6
  железо 5, 30 × 10-6
  золото 2, 44 × 10-6
  медь 1, 72 × 10-6
  серебро 1, 62 × 10-6
Полупроводники: германий  
  кремний 230 × 103
  арсенид галлия 4 × 108
Диэлектрики: янтарь 5 × 1016
  слюда 1, 3 × 1014
  стекло 1 × 1014

 

Как известно, атом любого вещества состоит из ядра и перемещающихся вокруг него электронов. Электроны находятся в постоянном движении на некотором расстоянии от ядра в пределах слоев (оболочек), определяемых их энергией. Чем дальше от ядра находится вращающийся электрон, тем выше его энергия (или, как говорят, энергетический уровень) (рисунок 1) и тем слабее его связь с атомом. На каждом энергетическом уровне может находиться не более двух электронов. Расстояние между энергетическими уровнями уменьшается с увеличением энергии электронов. Электроны внешней оболочки связаны с ядром значительно слабее электронов внутренних оболо­чек. Такие электроны называются валентными, и они обеспечивают соединение атомов в молекулы или кристаллы.

Рисунок 1

 

Совокупность уровней, на каждом из которых могут находиться электроны, называют разрешенной зоной. Промежутки между разрешенными зонами называют запрещенными зонами.

Разрешенная зона характеризуется тем, что все ее энергетические уровни при температуре 0 К заполнены электронами. В атоме твердого тела можно выделить несколько разрешенных зон. Электроны верхней разрешенной зоны обладают энергиями, позволяющими им освобождаться от связи с атомами и передвигаться внутри твердого тела под воздействием температуры, электрического поля или других факторов, придающих им дополнительную энергию, создавая электрический ток. В связи с этим верхняя разрешенная зона получила название зоны проводимости. Ближайшая к зоне проводимости разрешенная зона получила название валентной зоны. Именно взаимодействие этих двух энергетических зон и определяет электрические свойства твердого тела.

В проводниках (например, у металлов) валентная зона и зона проводимости взаимно перекрываются, поэтому валентные электроны имеют возможность перемещаться с оболочки одного атома вещества на оболочку другого атома, совершая при от­сутствии внешнего электрического поля хаотическое тепловое движение. В связи с этим даже при 0 К проводники обладают проводимостью. При наличии внешнего электрического поля движение электронов становится упорядоченным (направленным). Направление движения электронов обратно направлению силовых линий электрического поля. Упорядоченное движение электронов в проводниках под действием электрического поля называется электрическим током.

Типичными представителями проводников являются металлы. Число свободных электронов в металлах достаточно велико и практически не зависит от температуры. Однако с повышением температуры увеличивается число столкновений электронов при их тепловом перемещении, и электропроводность метал­лов понижается.

В диэлектриках электроны внешней оболочки достаточно жестко связаны с яд­ром и не могут свободно перемещаться даже при повышении температуры. В связи с этим внешнее электрическое поле не приводит к появлению в диэлектриках заметного электрического тока. Однако при высокой напряженности электрического поля может произойти отрыв валентных электронов и их лавинное размножение, которое называет­ся пробоем диэлектрика.

Химически чистые полупроводники при температуре абсолютного нуля (Т = 0 К) ведут себя так же, как диэлектрики, и их электропроводность равна нулю, поскольку их зона проводимости при этих условиях пуста.

Чтобы обеспечить возможность перехода электронов полупроводника из валентной зоны в зону проводимости (то есть, сделать полупроводник электропроводным), необходимо придать электронам энергию, равную ширине запрещенной зоны DW. У наиболее распространенных полупроводников DW = = 0,1... 3 эВ (в частности, у германия DW = 0,72 эВ, у кремния – DW = 1,12 эВ).

Если рассматривать структуру полупроводникового материала на уровне молекул, то можно отметить, что для полупроводников характерными являются ковалентные связи между отдельными атомами в молекуле. Они образуются за счет присоединения валентных электронов соседних атомов. На рисунке 1 в качестве примера показана структура связей атома кремния в кристаллической решетке.

Рисунок 1

 

Кремний (Si) имеет кристаллическую решет­ку в виде множества тетраэдров. Особенность этой решет­ки состоит в том, что каждый атом в ней расположен на одинаковом расстоянии от четырех соседних, а на его внешней оболочке находится четыре валентных электрона. Образуя ковалентную связь, атом отдает во «временное пользование» свой валентный электрон и одновременно, таким же образом, «приобретает» электрон соседа. В результате ка­ждый из атомов, образующих кристалл, как бы достраивает свою внеш­нюю оболочку до восьми электронов, создавая устойчивую структуру. Из-за неразличимости отдельных электронов любой валентный элек­трон в одинаковой степени оказывается принадлежащим всем атомам кристалла. Такой полупроводник предстает в виде одной гигантской молекулы, в которой атомы соединены между собой ковалентными свя­зями.

В абсолютно чистом полупроводнике при температуре, близкой к абсолютному нулю, и отсутствии внешнего электрического поля все валентные электроны участвуют в ковалентных связях. При этом переход любого электрона от одного атома к другому сопровождается встречным переходом электрона от другого атома. Свободные носители зарядов отсутствуют, поэтому электропроводность полупроводника при таких условиях равна нулю, его свойства близки к свойствам диэлектрика.

При повы­шении температуры полупроводникового материала тепловые колебания атомов в кристаллической решетке приводят к увеличе­нию энергии валентных электронов, которые могут оторваться от «своих» атомов и начать сво­бодное перемещение. Поэтому при нормальной комнатной температуре полупроводни­ки, в отличие от диэлектриков, имеют некоторую электропроводность. С повышением температуры растет число оторвавшихся электронов, а, следовательно, увеличивается электропроводность по­лупроводника. Электропроводность полупроводника, обусловленная образованием носителей заряда под действием температуры, называется собственной электропроводностью.

При разрыве ковалентной связи в структуре молекулы образуется вакантное место – «дырка» у того атома, от которого «оторвался» электрон. На освободившееся вакантное место может пе­рейти валентный электрон любого соседнего атома. В свою очередь, на место, освободившееся после ухода второго электрона, переходит элек­трон еще одного атома и т.д. Перемещение электронов в цепочке таких переходов происходит последовательно – каждый электрон переходит на место, освободившееся после его предшественни­ка. В направлении, противоположном движению электронов, также последовательно перемещаются вакантные места – «дырки». Таким образом, в полупроводнике существует два типа носителей заряда – электроны и дырки. Дырке приписывается положительный заряд, численно равный заряду электрона.

Процесс образования пары электрон – дырка под влиянием температуры называется термогенерацией.

Электрон, покинувший атом при термогенерации и разрушивший ковалентную связь, может находиться в свободном состоянии очень незначительное время. При своем движении он, в конце концов, попадает в зону дырки и заполняет освободившуюся ковалентную связь в дру­гом атоме. При этом ранее разорванная ковалентная связь восстанавливается, а электрон и дырка исчезают – электрон «захватывается» дыркой или дырка «занимается» электроном. Этот процесс называют рекомбинацией. При определенной температуре полупроводникового материала существует термодинамическое равновесие между генерацией и реком­бинацией, в результате чего в полупроводнике устанавливается определенная концентрация свободных носителей зарядов: электронов и дырок. Причем в чистом полупроводнике они все­гда образуются и исчезают парами, т.е. количество электронов и дырок в нем всегда одинаково. Среднее время существо­вания пары электрон – дырка называют временем жизни носителей заряда.

При отсутствии внешнего электрического поля электрон и дырка, появившиеся в результате термогенерации, совершают хаотические движения в объеме полупроводника, которые не приво­дят к смещению электронов в одном направлении, т.е. не способствуют появлению электрического тока в полупроводнике. Если полупроводник поместить в электрическое поле, то движения электронов и дырок приобретают направленный характер – происходит дрейф свободных носителей зарядов, что вызывает появление в полу­проводнике электрического тока, который называют дрейфовым. При этом электропроводность полупроводника определяется двумя типами носителей зарядов: электронами и дырками.

Дрейфовый ток в полупроводнике зависит от концентрации носителей зарядов и их подвижности. В чистом полупроводнике при повышении температуры происходит увеличение концентрации подвижных носителей, а, следовательно, и увеличение проводимости.

Кроме дрейфового тока в полупроводниках существует так называемый диффузионный ток, который возникает в результате неравномерной концентрации носителей зарядов в кристалле полупроводника.

Несмотря на наличие в полупроводниках двух видов токов – дрейфового и диффузионного, их собственная электропроводность даже при повышенных температурах остается незначительной. Поэтому в чистом виде полупроводниковый материал для изготовления компонентов электронной техники не используется.

Чтобы повысить электропроводность полупроводников к ним добавляют примесь (примерно один атом примеси на 106... 108 атомов основного вещества). Примесь может быть акцепторная или донорная. Если в полупроводниковый материал четвертой группы периодической таблицы Менделеева добавить в виде примеси материал из пятой группы (например, фосфор Р, мышьяк As, сурьму Sb), то четыре валентных электрона примеси образуют ковалентные связи с четырьмя валентными электронами полупроводника, а пятый валентный электрон примеси такой связи не образует, т.е. появляются носители электрического заряда – свободные электроны, которые могут свободно перемещаться по объему полупроводника (рисунок 2, а).

Рисунок 2

 

Электропроводность полупроводника, обусловленная свободными электронами, носит название электропроводности n -типа, а полупроводник, реализующий электропроводность n -типа, называется полупроводником n -типа. Примесь, которая обусловливает электропроводность n -типа, называется донорной (отдающей). При образовании свободного электрона атом примеси приобретает положительный заряд и становится неподвижным ионом.

Если в полупроводниковый материал четвертой группы периодической таблицы добавить в виде примеси материал из третьей группы (например, индий In, бор В, алюминий Al), то три валентных электрона примеси образуют ковалентные связи с тремя валентными электронами полупроводника. Недостающий валентный электрон для образования ковалентной связи легко притягивается атомом примеси от одного из соседних атомов полупроводника. На месте разорванной ковалентной связи образуется носитель электрического заряда положительного знака (дырка), а атом примеси при этом приобретает отрицательный заряд и становится неподвижным ионом (рисунок 2, б).

Электропроводность полупроводника, обусловленная свободными дырками, носит название электропроводности р -типа, а полупроводник, реализующий электропроводность р -типа, называется полупроводником р -типа. Примесь, которая обусловливает электропроводность р -типа, называется акцепторной (принимающей).

Носители электрического заряда, образующиеся в результате добавления примеси в полупроводник, количественно преобладают над носителями заряда, получаемыми в результате процесса термогенерации, поэтому электроны в п -полупроводнике и дырки в р -полупроводнике носят название основных носителей электрического заряда (пп и рр соответственно). В свою очередь, электроны в р -полупроводнике и дырки в п -полупроводнике носят название неосновных носителей электрического заряда (пр и рп соответственно).

 

 




Поделиться с друзьями:


Дата добавления: 2014-01-07; Просмотров: 1003; Нарушение авторских прав?; Мы поможем в написании вашей работы!


Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет



studopedia.su - Студопедия (2013 - 2024) год. Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав! Последнее добавление




Генерация страницы за: 0.034 сек.