Основні параметри напівпровідникових матеріалів

До основних характеристик напівпровідникових матеріалів згідно головній класифікації у першу чергу ставиться електропровідність. Роздивимося цей параметр докладніше. Істотно, що електропровідність будь-якого матеріалу визначається концентрацією вільних носіїв заряду і їх спроможності переміщуватися під дією електричного поля. Раніше відзначалося, що однією з найважливіших відмітних властивостей напівпровідників є сильна залежність цього параметра від зовнішніх умов.

Найбільш чітко напівпровідникові властивості матеріалу виявляються в температурній залежності їх електропровідності. Для розгляду фізичних процесів, що відповідають за експериментальні залежності електропровідності від температури, скористаємося взаємозв'язком між провідністю, концентрацією вільних носіїв заряду і їх спроможністю переміщуватися в електричному полі:

у=еп^+ер^^, (2.1)

де р, п та /^„, /^ - концентрації і рухливості електронів і

дірок в напівпровіднику; е - заряд електрону.

Якщо поняття концентрації вільних носіїв заряду досить очевидне, то опис переміщення зарядів в електричному полі потребує деяких пояснень.

Для кількісного опису цього кінетичного явища вводиться поняття рухливість носіїв заряду. Рухливість - це швидкість спрямованого руху, що одержується носієм заряду, у полі одиничної напруженості:

^~Е- де у^ - швидкість спрямованого руху (дрейфу) носія, Е -

напруженість електричного поля, що викликає переміщення заряду.

Рухливість є надзвичайно складною функцією практично будь-яких характеристик напівпровідникового матеріалу. Дійсно, рух носіїв заряду в полі кристалічної ґратки, як частки або в квантово-механічному уявленні як хвилі, визначається присутністю в середовищі розповсюдження будь-яких неоднорідностей останньої. Іншими словами, розсіювання або, те ж саме зміна характеру руху, пов'язана з тепловими коливаннями ґратки, наявністю домішок, механічними деформаціями ґратки, концентрацією носіїв заряду і т.д. Таким чином можна стверджувати, що цей параметр містить у собі практично весь комплекс фундаментальних мікроскопічних властивостей матеріалу, необхідний для вибору його в якості активного середовища приладу.

Рис. 2.1. Типові залежності концентрації носіїв заряду в напівпровіднику від температури при різних концентраціях донорної домішки: N д^ < Nд^ < Nд•^.

Відповідно до виразу (2.1) електричний опір матеріалу пов'язаний з концентрацією вільних носіїв заряду. Експериментальні і теоретичні розробки показують, що залежність концентрації носіїв заряду від температури практично у всіх легованих напівпровідників має вигляд, приведений на рис. 2.1. Характерними є три ділянки на поданій залежності. Низькотемпературна область, де відбувається виснаження домішки, і провідність визначається фізичними процесами взаємодії домішки з кристалічною граткою. Область виснаження домішки, коли концентрація вільних носіїв практично не залежить від температури і діапазон власної провідності, обумовлений генерацією електронно-діркових пар через заборонену зону. Кутові коефіцієнти на кожній з ділянок визначаються або енергією іонізації домішки, або шириною забороненої зони матеріалу. Залежність концентрації носіїв заряду від температури має досить просте пояснення з точки зору зонної квантово-механічної теорії твердого тіла. Дійсно в міру зростання температури вільні носії заряду утворюються тільки за рахунок іонізації домішки аж до області повного її виснаження. Виснаженню домішки відповідає положиста ділянка залежності. При подальшому підвищенні температури наступає область власної провідності, коли енергетичне дозволена генерація злектронно-діркових пар через заборонену зону. Провідність напівпровідників відображає по своїй формі температурну залежність концентрації носіїв заряду, хоча температурна залежність рухливості вносить свої, але в цілому не дуже істотні корективи в аналізовану функцію.

Що стосується рухливості, то експерименти показують, що при переносі електричного заряду в напівпровідниках електрони і дірки найбільш інтенсивно взаємодіють з подовжніми акустичними фононами (довгохвильовими коливаннями ґратки) в елементарних напівпровідниках або з поперечними оптичними фононами (миттєво виникаючими при коливаннях ґратки електричними диполями) у складних напівпровідникових композиціях, що пов'язано з частково іонним характером хімічного зв'язку атомів в кристалах сполук. На рис. 2.2. в якості прикладу наведені довідникові дані по залежності електропровідності Ое від температури для різних концентрацій домішок. В координатах //!=/— виразно відокремлюютьсяописані області, де діють різні жерелапостачання вільних носіїв заряду в зону провідності.

Рис. 2.2. Залежності питомої провідності германію п-типу від температури. Штриховою лінією показано власну провідність. Концентрація домішки миш'яку: 1 - 8-Ю¹⁸ лГ³;

2- В.ІО¹⁹^-³;^- 7-Ю²¹ м-^з;4- З.ІО²³^-³.

Високочастотні й імпульсні параметри напівпровідникових матеріалів прийнято характеризувати часом життя носіїв заряду. У реальному напівпровіднику, що знаходиться в термодинамічній рівновазі з навколишнім середовищем, відбуваються безупинні процеси теплової генерації і рекомбінації електронно-діркових пар. Це явище є відповідальним за процеси рівноважної електропровідності матеріалу. Вказані процеси протікають у часі з кінцевою швидкістю, яка відповідає їх імовірності протікання у заданих умовах. Час життя неосновних носіїв заряду звичайно оцінюється при аналізі часу наростання або спаду електропровідності при малому збудженні матеріалу імпульсами току, випромінювання і т.п. При цьому часом життя вважається час, за який концентрація носіїв заряду змінився в е разів.Цілком очевидно, що для різноманітних застосувань необхідні матеріали як із малими тривалостями життя носіїв заряду, так і з досить великими. Так, для приладів НВЧ-техніки необхідний матеріал із малою тривалістю життя носіїв, тоді як оптоелектронні прилади часто припускають використання матеріалу з великою тривалістю життя. Відзначимо, що часом життя носіїв у напівпровіднику, як і електропровідністю, можна керувати введенням у матеріал спеціальних домішок. Ця домішка створює глибокі рівні-пастки в забороненій зоні і тим самим відчиняє ефективний канал для генерації і рекомбінації нерівноважних носіїв заряду.

Серед відзначених параметрів напівпровідників найбільш просто вимірювати електропровідність. Тому поряд із типом домішки цей параметр ліг в основу сучасних Держстандартів і технічних умов на виробництво напівпровідникових матеріалів практично будь-якого хімічного складу від елементарних напівпровідників до складних композицій. Природно, що вимоги Держстандарту накладаються і на частотний параметр -тривалість життя неосновних носіїв заряду.

Дата добавления: 2014-01-04