Полупроводники, типы проводимости

Тема 1.Физические основы полупроводниковой техники

ЭЛЕКТРОНИКА

Ю.Е. Калугин

Тексты лекций

Кыштым

ВВЕДЕНИЕ

Электроника – отрасль науки и техники, изучающая 1) физические основы электронных приборов; 2) электрические характеристики и параметры, их свойства, устройство; 3) системы, основанные на электронных приборах.

Промышленная электроника, составляющая часть технической электроники, выделяются три области:

1) информационная электроника составляет основу вычислительной, информационно измерительной техники, а также устройств автоматики. К ней относятся устройства получения, обработки, передачи, хранения и использования информации, устройств управления различными объектами и технологическими процессами;

2) энергетическая электроника связана с устройствами и системами преобразования электрической энергии средней и большой мощностей. Сюда относятся: выпрямители, инверторы, преобразователи и др.

3) электронная технология включает в себя методы и устройства, используемые в технологических процессах, основанных на действии электромагнитных волн: высокочастотный нагрев, плавка; ультразвуковая резка, сварка и т.д.

Основу всей электроники составляют полупроводники. Это кристаллическая структура в 1000000 хуже проводящая электрический ток, чем проводник. Поясним.

Свойства полупроводников хорошо объясняются с помощью зонной теории твердого тела. Согласно квантовой механике энергия электрона дискретна (прерывиста) или квантована. Вследствие этого электрон может двигаться только по той орбите, которая соответствует его энергии. Значение энергии электрона называют энергетическим уровнем.

Энергетические уровни электронов отделены друг от друга запрещенными интервалами. На одинаковых уровнях по принципу запрета Паули не может находиться более двух электронов c разными спинами.

В результате воздействия на электрон не только ядра своего атома, но и соседних атомов, энергетические уровни смещаются и расщепляются и образуются энергетические зоны, называемые разрешенными.

Расщепление в кристалле уровней, занятых внутренними электронами малозаметно расщепляются лишь уровни, занимаемые валентными электронами.

Для полупроводников наиболее важной является валентная зона, образованная уровнями энергии валентных электронов невозбужденных атомов (т.е. при отсутствии внешней энергии) и ближайшая к ней разрешенная зона (см. рис. 1). Разрешенная зона, в которой при возбуждении могут находиться электроны, называется зоной проводимости, или свободной зоной.

С точки зрения зонной теории твердого тела деление твердых тел на металлы, полупроводники и диэлектрики производят, исходя из ширины запрещенной зоны и степени заполнения разрешенных энергетических зон.

Рис.-1. Образование энергетических зон

Ширина запрещенной зоны DW называется энергией активизации собственной проводимости. Считают, что при DW £2эВ (электрон–вольт) кристалл является полупроводником, при – DW >2эВ диэлектриком.

Понятно, что при повышении температуры, количество электронов перешедших в свободную зону увеличивается, что приводит к улучшению проводимости (чистый полупроводник, чистая электропроводность). Тогда как у настоящих проводников возрастание температуры ухудшает проводимость.

Однако степень проводимости можно значительно (в тысячи раз) повысить, если чистый полупроводник легировать и возникает примесная проводимость.

Если некоторые атомы полупроводника заменить в узлах кристаллической решетки атомами, валентность которых отличается на единицу от валентности основных атомов, возникает тип проводимости, называемый примесной (рис.2, 3).

Рис. 2

Примеси, валентность атомов которых выше валентности основных атомов, называются донорными (или донорами). В этом случае электропроводность будет обусловлена в основном электронами примеси, которые переходят в свободную зону с уровня доноров W_P<0,1 эВ, их называют основными носителями заряда (рис. 2,а). Полупроводники такого рода называют электронными, донорными, типа «n».

Примеси, валентность которых на единицу ниже валентности основных атомов, образуют свободные уровни вблизи занятой зоны W_p, не которую и переходят электроны из занятой зоны, тем самым освобождая зону для электронов проводимости. Полупроводники такого рода называют акцепторными, дырочными, типа «р»

Рис. 3

Рассмотрим, как это выполняется в реальных полупроводниках. Обычно полупроводники лежат в 4 или 6 зонах периодической системы Менделеева ПСМ. Кремний, германий, селен и т.д. Допустим, что кристаллическую решетку кремния попадает элемент из третьей группы (рис. 3, а). Так как для связи ему не хватает одного электрона, то он отбирает его у соседнего атома, при этом атом с недостатком электрона наз. дыркой. Эта дырка постоянно мигрирует от одного атома к другому. Если же полупроводник попадает в электрическое поле, то дырка будет смещаться направленно, т.е. появляется дырочная проводимость.

Если же в кристаллической решетке будет находиться атом элемента из 5 группы ПСМ, то один электрон лишний, он не нужен для связи, поэтому он сразу становится свободным и принимает участие в направленном движении, если полупроводник попадает в электрическое поле (рис. 2,а).

В легированных проводниках количество свободных зарядов увеличивается в десятки тысяч раз по сравнению с чистым полупроводником, во столько же раз увеличивается электропроводность.

1.2. Переход «р-n»

При контакте двух полупроводников с разным типом примесной проводимости (п – и р– типа) на границе раздела образуется область, которую называют электронно–дырочным переходом или р–п переходом.

Свойства р–п перехода положены в основу принципа действия подавляющего большинства полупроводниковых приборов. Контакт p-n перехода осуществляется сложными технологическими приемами (рис.3).

n I_др p

I_диф

Рис. 3

Так как в одном слое высока плотность дырок, в другом – электронов, то начинается процесс диффузии электронов в область «р», а дырок – в область «n» (так называемый ток диффузии). Но заряды не проникают далеко вглубь, концентрируются вблизи перехода, образуя потенциальный барьер по величине (0,6-0,9) В, который полностью прекратит дальнейшую диффузию. Только отдельные свободные электроны, возникшие в самом переходе, движутся в обратную сторону, создавая ток дрейфа.

Если приложить к переходу прямое внешнее напряжение, то уже при напряжении (0,3-0,5)В барьер снимается и через переход потечет ток.

Если на переход подать обратное напряжение, то барьер усилится, и ток почти полностью прекратится. То есть переход обладает вентильными свойствами.

Если же обратное напряжение повышать дальше, то при широком переходе дрейфовые электроны могут достигнуть таких скоростей, что будут ионизировать атомы и дрейфовый ток может лавинно нарастать. Это явление называют лавинным пробоем. Если же переход узкий, то при повышении напряжения электрические силы будут разрывать атом на ион и электрон, при этом количество носителей резко возрастает. Это электрический пробой. Если при этих видах пробоя отводить тепло от перехода, то после снятия напряжения переход восстанавливается. Однако, если этого не произойдет, то лавинный переход может разогреть переход и количество носителей резко возрастет, что приведет к еще большему нагреву и в конце концов переход исчезнет. Это явление – тепловой пробой. То есть после теплового пробоя переход не восстанавливается.

Туннельный пробой наблюдается при больших напряженностях поля в узких р–п переходах. В них наблюдается туннельный эффект, который состоит в том, что электроны через узкий р–п перехода проходят в смежную область без затраты энергии, «туннелируют».

Дата добавления: 2015-05-06