Особенности строения полупроводников

Твердые вещества по их способности проводить электрический ток делятся на три группы: проводники (металлы), диэлектрики (изоляторы) и полупроводники. По способности проводить электрический ток и зависимости электропроводности от температуры полупроводники значительно ближе к диэлектрикам, чем к проводникам. Причины такого сходства диэлектриков и полупроводников кроются в построении их атомной структуры.

Атом вещества состоит из ядра и перемещающихся вокруг него электронов. Ядро имеет положительный заряд, а электроны — отрицательный. Электроны в атоме группируются в оболочки, находящиеся на некоторых расстояниях от ядра. Электроны внешней оболочки связаны с ядром значительно слабее электронов внутренних оболочек. Такие электроны называются валентными, и они обеспечивают соединение атомов в молекулы или кристаллы.

В проводниках электронные оболочки атомов сильно перекрываются и валентные электроны перестают быть жестко связанными с какими-либо определенными атомами. Такие электроны могут свободно перемещаться в объеме вещества, совершая при отсутствии внешнего электрического поля хаотическое тепловое движение.

При наличии внешнего электрического поля эти электроны получают некоторое поступательное движение, которое называют их дрейфом. Дрейф отрицательно заря­женных электронов происходит в направлении, обратном направлению силовых линий электрического поля, и образует электрический ток.

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 ведут себя так же, как диэлектрики, и их электропроводность равна нулю. Однако с повышением температуры тепловые колебания атомов полупроводников приводят к увеличению энергии валентных электронов, которые могут оторваться от 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, поэтому электропроводность полупроводников повышается. Такую электропроводность полупроводников, связанную с нарушением валентных связей, называют их собственной проводимостью.

На электропроводность полупроводников большое влияние оказывают примеси. Приналичии примесей происходит появление избыточных валентных электронов, которые легко освобождаются от атомов и превращаются в свободные заряды. Следует отметить, что содержание примесей может быть весьма незначительным, однако повышение электропроводности при этом может быть весьма существенным. Так, например, для германия наличие всего 0,001% примесей приводит к увеличению электропроводности в 10⁴ раз.

Электропроводность полупроводников, обусловленную наличием примесей, называют его примесной проводимостью. Примесная проводимость полупроводников может во много раз превышать их собственную проводимость.

В соответствии с зонной теорией твердого тела электроны, связанные с изолированным атомом, могут иметь только определенные дискретные уровни энергии и, следовательно, могут занимать только дискретные орбиты, между которыми располагаются зоны запрещенных энергий.

В запрещенные зоны входят такие уровни энергий, которые электроны принимать не могут. Шириной запрещенной зоны называется уровень энергии ΔW между двумя соседними разрешенными зонами.

На рис. 1д. 1 приведена энергетическая диаграмма полупроводника, в которой последняя разрешенная полностью занятая зона называется валентной, а первая разрешенная свободная зона называется зоной проводимости. Между этими двумя разрешенными зонами располагается запрещенная зона с шириной ΔW.

Внутри разрешенных зон энергетические уровни располагаются так близко, что можно считать их практически непрерывными. Это позволяет вместо линейчатого энергетического спектра электронов атома рассматривать спектр энергетических зон, в котором чередуются разрешенные и запрещенные зоны ΔW.

При этом Электрон может перейти из валентной зоны в зону проводимости, если он получит дополнительную энергию, превышающую ширину запрещенной зоны.

По значениям ширины запрещенной зоны все вещества также можно разделить на диэлектрики, полупроводники и проводники. Если ширина запрещенной зоны больше 3 эВ, то вещество относится к диэлектрикам. Если ширина запрещенной зоны меньше 3 эВ, то вещество считается полупроводником. У проводников запрещенная зона отсутствует совсем.

Среди различных полупроводников в электронной технике наиболее широкое применение нашли три вещества: германий, кремний и арсенид галлия. Их основные свойства приведены в табл. 1д. 1. Из этой таблицы следует, что наименьшее значение ширины запрещенной зоны имеет германий, а наибольшее значение — арсенид галлия. Кремний занимает промежуточное положение.

Применение германия ограничено малой шириной запрещенной зоны, что приводит к большому току утечки при повышении температуры. Наиболее широкое рас­пространение в полупроводниковой электронике получил кремний, который имеет умеренно широкую запрещенную зону и высокую температуру плавления. Самую широкую запрещенную зону имеет арсенид галлия. Он также имеет высокую подвижность носителей зарядов и высокую температуру плавления. Главным недостатком арсенида галлия является малое время жизни неосновных носителей зарядов.

-

Таблица 1 д. Свойства полупроводниковых материалов
Материал полупроводника	Ge	Si	GaAs
Ширина запрещенной зоны, эВ	0,66	1,11	1,42
Концентрация собственных носителей, см^-3	2,4×10^13	1,4×10^10	1,8×10^6
Подвижность дрейфа, см^2/В с
электронов
дырок
Время жизни неосновных носителей, с	10^-3	2,5.10^-3	10^-8
Теплопроводность, Вт/Ксм	0,6	1,45	0,46
Температура плавления,°С

Германий и кремний относятся к элементам четвертой группы периодической системы элементов Д. И. Менделеева. Атомы этих элементов имеют по четыре валентных электрона. Арсенид галлия GaAs состоит из соединения элементов третьей группы Ga и пятой группы As. Так как атомы третьей группы имеют три валентных электрона, а атомы пятой группы — пять, то среднее число валентных электронов у этого соединения тоже четыре.

Дата добавления: 2014-01-13