Собственная и примесная электропроводность полупроводников

ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Использующиеся для изготовления дискретных полупроводниковых (ПП) приборов и интегральных схем ПП материалы являются материальной основой вычислительной, радиоэлектронной и электронной техни­ки.

Общее число ПП материалов, полученных в лабораториях или опытно-промышленном производстве, превышает сотню. Однако число се­рийно производимых ПП невелико - не более десяти. К ним относятся, в первую очередь, кремний Si,мировое производство которого исчисляется тысячами тонн в год, германий Ge и арсенид галлия GaAs, производимые десятками тонн в год, и фосфид галлия GaP, арсенид индия InAs, фосфид индия InP, годовое производство которых исчисляется единицами тонн, но к концу столетия может до­стичь и десятков тонн.

Полупроводниковые материалы – это вещества, у которых при комнатной температуре удельное электрическое сопротивление ρ имеет проме­жуточное значение между ρ = (10^-9 - 10^-6)Ом∙м для проводников и ρ = (10⁸ - 10¹⁸)Ом∙м для диэлектриков.

Исходя из характерных особенностей ПП можно определить как ве­щество, основным свойством которого является сильная зависимость электропроводности от воздействия внешних факторов (температура, свет, электрическое и магнитное поля, потоки быстрых частиц, меха­нические воздействия, примеси, дефекты структуры и т.д.).

Собственная электропроводность ПП возникает за счет разрыва собственных ковалентных связей. Ковалентная связь достаточно проч­ная и, чтобы ее разрушить, то есть освободить электрон, требуется энергия, не меньшая ширины запрещенной зоны Δ Е. Оторвавшийся от атома Si электрон под действием внешнего электрического поля становится электроном проводимости, а на его месте появляется по­ложительно заряженная незаполненная связь с зарядом, равным заря­ду электрона. Эта электронная вакансия в кристалле ПП, фиктивная частица с массой электрона и единичным положительным зарядом, наз­вана дыркой проводимости, так как дырку стремится заполнить элект­рон соседнего атома, и перемещение такого электрона условно счита­ется движением дырки (рисунок 3.1, а).

Рисунок 3.1

Наглядно движение дырок в кристалле ПП можно представить себе на примере кинозала, в котором все места, кроме одного, заняты. Если сидящий на соседнем месте пересядет на свободное кресло, ос­тавив свое пустым, которое займет его ближайший сосед, то, сосре­доточив свое внимание лишь на свободном месте, легко видеть, что оно будет перемещаться по кинозалу. Движение дырки подобно движе­нию пустого места.

Процесс появления сразу двух носителей заряда свободного элек­трона и дырки при разрыве одной ковалентной связи называется ге­нерацией электронно-дырочных пар.

Одновременно с генерацией электронно-дырочных пар в ПП происходит и обратный процесс: электроны переходят из зоны проводимос­ти в валентную зону, заполняя дырку и выделяя энергию ΔЕ. Этот процесс назван рекомбинацией носителей заряда.

ПП, в котором в результате разрыва ковалентных связей образу­ется равное количество свободных электронов (в зоне проводимости) и дырок (в валентной зоне) называется собственным ПП.

Обычно бес­примесный, химически чистый ПП является собственным.

Собственная электропроводность такого ПП складывается из электронной σ_n и дырочной электропроводности σ_p:

σ_i = σ_n + σ_p,

где индексы p – positive (положительный);

n – negative (отрицательный).

Рисунок 3.2

На практике в ПП материалах используется примесная электропроводность, которой легче управлять. Примесная электропроводность характерна для примесных ПП, свойства которых эависят от типа и количества введенной примеси. В примесных ПП появляются дополни­тельные энергетические уровни в запрещенной зоне, которые соответствуют энергиям ионизации атомов примеси Е_Д и Е_А (рисунок 3.2).

Энергия, необходимая для перехода электрона с дополнительного уровня Ед в зону проводимости или из валентной зоны на дополнительный уровень Е_А, оказывается гораздо меньше ширины запрещенной зона ΔЕ. В результате этих переходов появляется один носи­тель заряда; электрон проводимости в первом случае и дырка - во втором случае. Таким образом, примесная электропроводность возникает за счет ионизации атомов примесей и обусловливается одним типом носителя заряда: или только электронами в электронном ПП (n-тип проводимости), или только дырками в дырочном ПП (р-тип проводимости) (рисунок 3.1, б, в). В ПП n -типа проводимости концентрация электронов больше, чем дырок, и электроны являются основ­ными носителями заряда, а дырки - неосновными. В ПП р-типа проводимости - наоборот.

Свободные носителя заряда в ПП, появившиеся и результате теплового возбуждения, называют тепловыми или равновесными, а допол­нительные носители заряда, появившиеся за счет света, электричес­кого поля, облучения и т.д.» называют неравновесными.

Дата добавления: 2015-05-26