Тема 1: Фізичні основи напівпровідникових приладів
Напівпровідникові матеріали
Всі тверді речовини за своїми електричним властивостям поділяють на провідники, напівпровідники і діелектрики.
Напівпровідники займають по електропровідності проміжне положення між металами (провідниками електричного струму) і діелектриками. Питомий електричний опір провідників становить ПЃ = 10 -4 Ом см, напівпровідників - ПЃ = 10 -4 - 10 10 Ом см, діелектриків - ПЃ = 10 10 Ом см і вище.
Для виготовлення напівпровідникових приладів в даний час використовують крім германію та кремнію деякі хімічні сполуки, наприклад арсенід галію, окис титану, антимонід індію, фосфід індію та ін Найбільш широко застосовують кремній і германій.
Германій і кремній - елементи четвертої групи періодичної системи Д.І. Менделєєва, тобто є чотиривалентний елемент. У валентній зоні кожного атома германію і кремнію є по чотири валентних електрони. Германій і кремній мають атомні кристалічні решітки. Зв'язок між атомами в таких решітках парноелектронная або ковалентний. Кожен атом у них пов'язаний із сусіднім двома електронами - по одному від кожного атома. Схематичне зображення кристала германію на площині показано на рис.1. Кожен атом у монокристалі германію оточений чотирма сусідніми атомами, з якими він пов'язаний парноелектроннимі зв'язками. В результаті валентна оболонка кожного атома має вісім електронів, тобто виявляється повністю заповненою. У такому кристалі всі валентні електрони зв'язані між собою міцними парноелектроннимі зв'язками. Вільних електронів, які могли б брати участь в перенесенні зарядів, немає.
Малюнок 1
Чисті напівпровідники при нулі абсолютної температури (Т = 0 Вє К) є ідеальними діелектриками.
Однак в нормальних умовах, при кімнатній температурі, деякі валентні електрони кристалічної решітки отримують енергію, достатню для розриву ковалентного зв'язку, тобто для переходу електрона з валентної зони в зону провідності. Внаслідок розриву однієї парноелектронной зв'язки утворюються два носії заряду: електрон і дірка.
Електрон, як відомо, є носієм елементарного негативного заряду. При розриві парноелектронной зв'язку електрон відривається від атома, після чого один зв'язок в атомі виявляється незаповненою - вільної.
Незаповнена електронний зв'язок в кристалічній решітці напівпровідника називається діркою. Дірка володіє позитивним зарядом, за абсолютною величиною рівним заряду електрона, і, отже, є носієм позитивного заряду.
Дірка може бути заповнена електроном, що відірвався від сусіднього атома. Процес заповнення електроном дірки називається рекомбінацією. При цьому в сусідньому атомі на місці збіглого електрона утворюється нова дірка.
У звичайних умовах, тобто при кімнатній температурі, процес виникнення пари електрон - дірка і рекомбінація відбуваються безперервно. В результаті встановлюється динамічна рівновага, при якому в чистому напівпровіднику концентрація електронів дорівнює концентрації дірок.
Наявність носіїв зарядів в напівпровіднику пояснює його провідність. Провідність чистого напівпровідника, обумовлена ​​електронами і дірками, що виникають тільки в результаті розриву парноелектронних зв'язків, називається власною провідністю.
При відсутності зовнішнього електричного поля електрони і дірки переміщаються в об'ємі напівпровідника безладно. Якщо ж до напівпровідника прикласти напругу, то в ньому виникає впорядкований рух електронів в одному напрямку і дірок в іншому - протилежному напрямку. Через напівпровідник протікає струм, який дорівнює сумі струмів електронного I n і діркового I p , тобто
I = I n + I p . (1.1)
Струм, що протікає в напівпровіднику при рівноважній концентрації носіїв зарядів (електронів та дірок), називається дрейфовий струмом або струмом провідності.
Щільність дрейфового струму визначає питому електропровідність напівпровідників Пѓ. Так, для германію питома електропровідність
Пѓ Ge = 10 лютого -2 Ом -1 см -1, а для кремнію
Пѓ Si = 4 жовтня -6 Ом -1 см -1, тобто Пѓ Ge >> Пѓ Si .
З підвищенням температури питома електропровідність збільшується за експоненціальним законом.
Напівпровідник без домішок називають власним напівпровідником або напівпровідником и - Типу. Він володіє власною електропровідністю, яка, як було показано, складається з електронної та діркової електропровідності.
Якщо в напівпровіднику є домішки інших речовин, то додатково до власної електропровідності з'являється ще домішкова електропровідність, яка в залежності від роду домішки може бути електронною або діркової.
Для отримання напівпровідника з електронною електропровідністю в чистий напівпровідник - германій або кремній - вводять невелику кількість елемента п'ятої групи періодичної системи елементів: сурми (Sb), миш'яку (As), фосфору (P). Їх атоми взаємодіють з атомами германію тільки чотирма своїми електронами (рис.2) утворюючи міцні парноелектронние зв'язку з чотирма сусідніми атомами германію. П'ятий валентний електрон, наприклад атома миш'яку, в освіті парноелектронной зв'язку не бере участь. Тому він виявляється слабо пов'язаним зі своїм атомом і може бути легко відірваний від нього. В результаті він перетворюється на вільний електрон, який може вільно переміщатися в об'ємі напівпровідника, створюючи електронну провідність.
Атом миш'яку, втративши один електрон, перетворюється в позитивний іон, який виявляється нерухомим, так як він міцно утримується у вузлі кристалічної решітки парноелектроннимі зв'язками.
Рухливі носії зарядів, концентрація яких в даному напівпровіднику переважає, називаються основними носіями зарядів.
Елементи, атоми яких віддають свої електрони, створюючи в напівпровіднику надлишок вільних електронів, називаються донорами.
Зазвичай донорами для германію є миш'як і сурма, а для кремнію - фосфор і сурма.
У напівпровіднику з донорними домішками електрони є основними носіями зарядів, а дірки - не основними.
Провідність, обумовлена наявністю в напівпровіднику надлишкових вільних електронів, називається електронною провідністю.
Напівпровідник, в якому основними носіями зарядів є електрони, називається електронним напівпровідником або напівпровідником n - типу.
Для отримання напівпровідника з діркової електропровідністю в кристал чистого германію вводять домішки тривалентних елементів: індій (In) і галій (Ga) для германію; бор (В) і алюміній (Al) для кремнію. При цьому три валентних електрони, наприклад індію, утворюють три парноелектронние зв'язки з сусідніми атомами германію. У результаті теплового руху електрон одного з сусідніх атомів германію може перейти в незаповнену зв'язок атома індію. В атомі германію з'явиться одна незаповнена зв'язок - дірка (Рис.3). Захоплений атомом індію, четвертий електрон утворює парноелектронную зв'язок і міцно утримується атомом індію. Атом індію стає при цьому нерухомим негативним іоном.
Домішки, атоми яких захоплюють і міцно утримують електрони атомів напівпровідника, називаються акцепторними або акцепторами.
Провідність, обумовлена наявністю в напівпровіднику надлишку рухомих дірок, тобто перевищенням їх концентрації над концентрацією електронів, називається дірковою провідністю або провідністю р - типа.
Основними носіями зарядів в напівпровіднику з акцепторною домішкою є дірки, а не основними - електрони.
Напівпровідники, в яких основними носіями зарядів є дірки, називаються дірковими напівпровідниками або напівпровідниками р - типу.
Малю...
