Собственная и примесная проводимость полупроводников

Лекция 14 Полупроводники

Полупроводники, широкий класс веществ, характеризующихся значениями электропроводности, промежуточными между электропроводностью металлов (~ 10⁸—10⁶ ом^-1 м^-1) и хороших диэлектриков (10^-12—10^-14 ом^-1м^-1, электропроводность указана при комнатной температуре). Характерной особенностью полупроводников, отличающей их от металлов, является возрастание электропроводности с ростом температуры. В достаточно широком интервале температур возрастание происходит экспоненциально:

g = g₀ехр (-E_A/кТ), (1)

где k — Больцмана постоянная, E_A — энергия активации электронов, (g₀ — коэффициент пропорциональности (в действительности зависит от температуры, но медленнее, чем экспоненциальный множитель). С повышением температуры тепловое движение разрывает связи электронов, и часть их, пропорциональная exp (—E_A/kT), становится свободными носителями тока. Для полупроводников характерна высокая чувствительность электропроводности к внешним воздействиям (свету, потокам быстрых частиц, сильным электрическим полям и т.д.), а также к содержанию примесей и дефектов в кристаллах, поскольку во многих случаях энергия E_A для электронов, локализованных вблизи примесей или дефектов, существенно меньше, чем в идеальном кристалле данного полупроводника. Возможность в широких пределах управлять электропроводностью изменением температуры, введением примесей и т.д. является основой многочисленных и разнообразных применений полупроводников.

Термин «полупроводник» часто понимают как совокупность нескольких наиболее типичных групп веществ, полупроводниковые свойства которых четко выражены уже при комнатной температуре (300 К). Примером такой группы могут служить элементы IV группы периодической системы элементов Менделеева германий и кремний, которые наиболее полно изучены и широко применяются в полупроводниковой электронике. Атомы этих элементов, обладая 4 валентными электронами, образуют кристаллические решётки типа алмаза с ковалентной связью атомов, Сам алмаз также обладает свойствами полупроводника, однако величина E_A для него значительно больше, чем у Ge и Si, и поэтому при Т = 300 К его собственная (не связанная с примесями или внешними воздействиями) электропроводность весьма мала.

Рассмотрим структуру собственного (беспримесного) полупроводника на примере кремния (приблизительно 97% всех изделий полупроводниковой электроники на сегодняшний день выполняются на основе кремния).

Связь атомов в кремнии устанавливается вследствие наличия специфических обменных сил, возникающих при парном объединении валентных электронов. У соседних атомов кремния появляются общие орбиты, на которых в соответствии с принципом запрета Паули, находится не более двух электронов. Поскольку атом кремния имеет четыре валентных электрона, то он использует эти электроны для связи с четырьмя другими атомами, которые, в свою очередь, также выделяют по одному валентному электрону для связи с каждым из своих четырех соседних атомов. Таким образом, получается, что любой атом кремния связан с каждым из четырех соседних атомов общей орбитой, причем на этой общей орбите находится два электрона. Такая связь атомов называется ковалентной (рис.1.1).

Рис. 1.1 Ковалентная связь

На рис. 1.2 приведена упрощенная модель решетки (а) и зонная энергетическая диаграмма (б) для беспримесного кремния. На этом рисунке между каждыми двумя атомами кремния проведены две связывающие их прямые линии. Каждая такая линия символизирует собой наличие электрона на общей орбитеу этих атомов. Ее принято называть связью (валентной связью). Валентный электрон, находящийся в такой связи, по энергии расположен в валентной зоне. Электроны во всех связях будут присутствовать только при температуре абсолютного нуля. По мере нагревания полупроводника происходит нарушение связей, т.е. некоторые валентные электроны получают энергию, необходимую для их перехода в зону проводимости (рис. 1.2, б). Такой переход соответствует ионизации связи и выходу из нее электрона (рис. 1.2, а). Появившиеся свободные электроны будут принимать участие в образовании тока в полупроводнике (при приложении напряжения к полупроводнику).

Появление вакантных уровней в валентной зоне свидетельствует о том, что для валентных электронов появляется возможность переходить с одного разрешенного уровня валентной зоны на другой, т.е. изменять свою энергию, а, следовательно, участвовать в процессе протекания тока через полупроводник. С повышением температуры возрастает число свободных электронов в зоне проводимости и число вакантных уровней в валентной зоне. Процесс будет проходить интенсивнее в полупроводниках с узкой запрещенной зоной.Для наиболее часто используемых в электронике полупроводников германия, кремния и арсенида галлия - ширина запрещенной зоны равна соответственно 0,7; 1,1 и 1,4 эВ.

Вакантный энергетический уровень в валентной зоне и соответственно ионизированная валентная связь называется дыркой. Дырка является подвижным носителем положительного заряда, равного по модулю заряду электрона. Перемещение дырки (положительного заряда) соответствует встречному перемещению валентного электрона (из связи в связь). Движение дырки есть поочередная ионизация валентных связей. Процесс образования свободного электрона и дырки принято называть генерацией.

Таким образом, за счет генерации в собственном (беспримесном) полупроводнике образуются два типа подвижных носителей заряда: свободные электроны n и дырки p, причем их число одинаково (ni = pi). Эти носители заряда называют собственными, а электропроводность, ими обусловленную, - собственной электропроводностью.

В полупроводниковой электронике, в отличие от собственной электропроводности, наиболее часто используют примесную электропроводность, характерную для примесных полупроводников.

В обычном состоянии, атомы кремния образуют кристаллическую решетку. На внешней электронной оболочке атома находятся четыре электрона. С их помощью, устанавливается ковалентная связь с четырьмя соседними атомами. Каждый электрон в такой связи принадлежит двум атомам одновременно. Таким образом, у каждого атома на внешней электронной оболочке находиться восемь электронов. В результате, поскольку последний уровень электронной оболочки оказывается завершенным, у атома очень трудно забрать его электроны и материал ведет себя как диэлектрик (не проводит электрический ток).

Дата добавления: 2014-01-04