Основные понятия полупроводниковой электроники

Лекция №1

Физические принципы работы полупроводниковых приборов основаны на явлениях электропроводности в твердых телах.

По способности проводить электрический ток встречающиеся в природе вещества делятся на три класса: проводники, диэлектрики и полупроводники. Границы между ними весьма условны. К полупроводниковым, обычно относят вещества, удельная электрическая проводимость которых при комнатной температуре составляет 10^-10 – 10³ ом^-1.см^-1. Характерными свойствами полупроводников являются резко выраженная зависимость удельной электрической проводимости от температуры, от количества и природы введенных примесей, а также изменение удельной электрической проводимости под влиянием электрического поля, света, ионизирующего излучения и других внешних воздействий.

Рассмотрим явления электропроводности в кристаллических твердых телах (кристаллах). Твердое тело состоит из атомов, связанных между собой силами притяжения. Атомы образуют кристаллическую решетку, которая обладает свойством пространственной периодичности. Атом любого элемента состоит из положительно заряженного ядра и расположенных вокруг него электронов. Электронная теория проводимости полагает, что в металлах (проводниках) валентные электроны легко отделяются от атомов. Атомы при этом превращаются в положительные ионы. Отделившиеся от атомов электроны хаотически движутся внутри металла между ионами и представляют собой, так называемый электронный газ. Хаотическое движение электронов при отсутствии внешнего электрического поля не создает электрического тока.

Возникающий в твердом теле под действием внешнего электрического поля электрический ток представляет собой направленное движение частиц – носителей заряда.

Электропроводность полупроводников.

В настоящее время самыми изученными и распространенными полупроводниковыми материалами являются германий Ge, кремний Si и арсенид галлия GaAs. (рис. 25 а,б р/э). Атомы этих кристаллических веществ располагаются в пространстве в строго определенном порядке, образуя кристаллическую решетку, аналогичную кристаллической решетке алмаза. В такой решетке каждый атом окружен четырьмя ближайшими атомами той же

химической природы, которые расположены в вершинах тетраэдра на одинаковых расстояниях от рассматриваемого атома, и связан с ними силами ковалентных связей. При ковалентной связи каждая пара валентных электронов принадлежит в равной мере двум соседним атомам и образует связывающую атомы силу. С четырьмя соседними атомами рассматриваемый атом связывают восемь электронов – четыре собственных электрона и по одному электрону от каждого соседнего атома. Наибольшее применение в полупроводниковой электронике получили элементы 4 группы периодической системы элементов Менделеева – германий Ge, кремний Si. Так как у элементов 4 группы имеются четыре валентных электрона, то в идеальных кристаллах все ковалентные связи заполнены, все электроны связаны с атомами, и каждый атом имеет как бы полностью достроенную оболочку, содержащую восемь электронов.

Энергетические зоны.

Электропроводность различных веществ обычно поясняют с помощью энергетических зонных диаграмм (см. рис. а, б, в), на вертикальной оси которых откладывают энергию (Е) валентных электронов (рис. 1а,б,в). (рис. 26а,б, в) р/э.

Рис. 1

Пока валентный электрон находится на ковалентной орбите, его энергия соответствует одному из уровней валентной зоны ВЗ. Электрон, которому сообщена дополнительная энергия, поднимается на более высокий уровень этой зоны или покидает атом и становится свободным. В этом случае его энергия соответствует одному из уровней зоны проводимости ЗП.

В проводнике переход валентных электронов из валентной зоны в зону проводимости облегчен, поэтому при 300 К^˚ все валентные электроны участвуют в создании электрического тока (рис 1а).

Переход валентных электронов диэлектрика в зону проводимости затруднен, так как его валентная зона отделена от зоны проводимости широкой запрещенной зоной (ЗЗ), ни один из уровней энергии которой не может быть занят валентным электроном (рис. 1б).р/э.

Запрещенная зона полупроводника невелика и для Ge составляет 0,803эВ, для Si – 1,12 эВ, а для GaAs – 1,43 эВ. Поэтому при 300 К^˚ собственные полупроводники имеют заметную электропроводность. В собственном полупроводнике концентрации свободных носителей заряда – электронов n _i и дырок p _i одинаковы.

Для создания полупроводниковых приборов обычно применяют не собственные полупроводники, концентрация носителей заряда в которых зависит только от температуры, а примесные, которые бывают n и p – типов.

Примесная электропроводность полупроводников.

Полупроводник n – типа. ( рис. 2а,б), (рис. 27 а, б) р/ э.

При введении в собственный полупроводник германия пятивалентной примеси 5 группы (например, атомом сурьмы) в нем образуется избыточная концентрация электронов. Атом такой примеси, занимая узел кристаллической решетки полупроводника, оказывается в окружении его атомов (рис. 2а). На зонной диаграмме электронного полупроводника (рис. 2б) появляется дополнительный – донорный уровень энергии ДУ, расположенный в запрещенной зоне вблизи дна зоны проводимости. На этом уровне размещается один из пяти электронов примеси, который не может участвовать в парной ковалентной связи, поскольку они заняты четырьмя другими электронами. Интервал энергии D Е _д между донорным уровнем и дном зоны проводимости по сравнению с интервалом энергии запрещенной зоны мал, поэтому валентный электрон покидает донорный уровень переходит в зону проводимости.

Нейтральность кристалла при этом не нарушается.

Таким образом, в полупроводнике создают избыточную концентрацию электронов, называемых основными носителями заряда. Дырки, которых в полупроводнике значительно меньше, называют неосновными носителями заряда.

Таким образом, германий с примесью элементов 5 группы обладает электронной электропроводностью. Полупроводник, электропроводность которого обусловлена перемещением электронов, называется электронным (или полупроводником n – типа). Примеси, обуславливающие электронную электропроводность полупроводника, называют донорными (т.е. отдающими электроны).

Для электронного полупроводника (n – типа) справедливо отношение n_np_n = n_ip_i, где n_n и p_n – концентрация электронов и дырок.

Полупроводник p – типа. (рис. 3а,б), (рис. 28 а,б)

Рассмотрим поведение трехвалентного атома примеси, например индия, в кристаллической решетке германия. При введении в собственный полупроводник трехвалентной акцепторной примеси, три электрона атома индия образует три парные ковалентные связи с тремя из четырех соседних атомов германия (рис. 3, а), а недостающий четвертый электрон отбирается у соседнего атома полупроводника. При этом на месте оборванной ковалентной связи появляется дырка. Атом индия, замещающий германий в кристаллической решетке, становится при этом отрицательным ионом.

На зонной диаграммедырочного полупроводника (рис. 3 б) появляется акцепторный уровень энергии АУ, расположенный в запрещенной зоне вблизи потолка валентной зоны. Интервал энергии D Е _А между акцепторным уровнем и потолком валентной зоны по сравнению с интервалом энергии запрещенной зоны мал, поэтому валентный электрон покидает валентную зону и переходит на акцепторный уровень, восполняя недостающую ковалентную связь атома примеси. В валентной зоне при этом образуется дырка. В дырочном полупроводнике дырки являются основными, а электроны неосновными носителями заряда.

Для дырочного полупроводника (p – типа) справедливо соотношение n _p p _p = n _I p _I, где n _p и p _p - концентрации электронов и дырок.

Дата добавления: 2014-01-13