promel (Электроника учебник), страница 3

Германий и кремний принадлежат к 1У группе Периодической системы элементов. На внешней оболочке их атомов находятся четыре валентных электрона. Ширина запрещенной зоны германия равна 0,72 эВ, кремния — 1,12 эВ. Кристаллическая решетка этих полупроводников имеет одинаковую тетраэдрическую структуру. Двумерная (плоскостная) модель кристаллической решетки имеет вид, показанный на рис. 1.4, а (па примере германия). В отсутствие структурных дефектов и при Т = 0 К четыре валентных электрона внешней электронной оболочки каждого атома 'участвуют втакназываемых парноэлектронных или к о в а л е н т н ы х с в я з я х с соседними атомами.

Эти связи характеризуются перекрытиями внешней электронной оболочки каждого атома с внешними электронными оболочками рядом расположенных четырех атомов кристалла, При таком перекрытии каждые два электрона принадлежат двум соседним атомам и все четыре электрона внешней оболочки атома участвуют в создании парноэлектронных связей с четырьмя соседними атомами. Парноэлектронные связи показаны на рис. ! 4, а в виде двух параллельных линий, связывающих атомы, распело>кенные в соседних узлах кристаллической решетки.

Участие всех электронов атомов Врисгпапп германия ~е Зона пдооодимоспга Запрещенная нона Вапегптная гога а) Рис. !.4. Воэннкновенне свободного электрона н дырки в кристалле полупроводника (о) и отражение этого процесса на энергетической диаграмме (б); схема движения дырки в кристалл е полупроводника (в) !О кристалла в создании ковалентных связей между атомами свидетельвует о нахождении электронов на уровнях энергии валентной зоны (рис.

1.3 б' 1 4 б) Повьппение температуры кристалла вызывает увеличение энергии фононов. При некоторой температуре энергия фонона становится достаточной для освобождения электрона от связей с атомами кристаллической решетки. Валентный электрон освобождается от связей я становится с в о б о д н ы м (рис. 1.4, а). Освобождение электрона от связей с атомами соответствует на энергетической диаграмме его переходу с уровня валентной зоны на уровень зоны проводимости (рис, 1,4, б).

Свободный электрон способен изменять свою энергию и перемещаться между узлами кристаллической решетки под воздействием электрического поля, т. е, участвовать в создании тока. Образование свободного электрона сопровождается разрывом ковалентной связи между атомами и появлением в месте разрыва так называемой д ы р к и (рис. 1.4, а).

Отсутствие электрона в ковалентной связи равносильно появлению в данном месте положительного заряда, который и приписывают дырке. На энергетической диаграмме (рис. !.4, б) образование дырки после перехода электрона в зону проводимости отождествляют с появлением в а к а н т н о г о у р о в н я э н е р г и и в валентпой зоне, позволяющего электронам валентной зоны (находящимся в ковалентных связях с атомами) изменять энергию под воздействием электрического поля, т. е.

перемещаться в кристалле от атома к атому и участвовать в создании тока. Фактическое перемещение валентных электронов под воздействием внешнего электрического поля при их последовательном заполнении образовавшегося разрыва ковалентной связи формально может быть заменено движением дырки между узлами кристаллической решетки в противоположном направлении. Действительно, валентный электрон, получив необходимую энергию, заполняет (компенсирует) дырку с приближением к ней.

Дырка исчезает, и восстанавливается ковалентная связь у дашюго атома, но возникает новая дырка в той ковалентной связи, откуда ушел электрон. Исчезновение дырки в одном месте кристалла и ее появление в другом учитывают (условно) как движение дырки (рис, 1.4, в). Важность учета движения дырок как самостоятельных носителей заряда обусловливается различием в подвижностях с в о б о д н ы х э л е к т р о н о в и в а л е н т н ы х э л е к т р о н о в, перемещающихся по вакантным уровням энергии. При температуре выше абсолютного нуля переход из валентной зоны в зону проводимости возможен у многих электронов, В результате этого процесса, получившего название т е р м о г е н е р а ц и и н о си тел ей з а р я д а, в полупроводнике создается некоторая концентрация электронов и; в свободной зоне и равная ей концентрация дырок р; в валентной зоне (индекс ! означает, что речь идет о чистых, беспримесных полупроводниках; при этом п„ л, называют со б от в е н н ы и и к о н ц е н т р а ц и я м и н о си т ел е й з а р я д а в полупроводнике).

Конценграция носителей заряда за- висит от температуры кристалла, ширины запрещенной зоны и определяется зависимостью ЬЮ т«г и; = р; = Ае (!.1) где А — коэффициент, числовое значение которого зависит от рода кристалла; й = 1,37 !О" Дж1К вЂ” постоянная Больцмана; Т— абсолютная температура. Из выражения (1.1) следует, что концентрация носителей зарядз в полупроводнике н его электрическая проводимость увеличиваются с повышением температуры н уменьшаются с ростом ширины запрещенной зоны. Электроны и дырки являются подвижнымн частицами, Постоянство их кош!ептрации, определяемой нз соотношения (1.1), при неизменной температуре обусловливается тем, что в любом элементе объема полупроьодника одновременно действуют два процесса: термогенерация носителей заряда, а также исчезновение электронов и дырок за счет возвращения электронов из зоны проводимости на вакантные уровни аалентной зоны (рекомбинация носителей з а р и д а).

Соответствующая концентрация устанавливается из условия динамического равновесия, прн котором число вновь возникающих носителей заряда равно количеству рекомбинирующих носителей. Носители заряда в прижесных полупроводниках Прн производстве полупроводниковых приборов помимо чистых полупроводников, в частности чистых германия и кремния, являющихся исходными материалами, используют примесные полупроводники. Введение примеси связано с необходимостью создания в полупроводнике преимущественно элекгронной либо дырочной электропроводности и увеличения электрической проводимости.

В связи с этим различают соответственно электронные (и-тнпа) и дырочные (р-типа) полупроводники. Для получения полупроводника с электропроводностью и-тнпа в чистый полупроводник вводят примесь, создающую в полупроводнике только свободные электроны. Вводимая примесь является «поставщиком» электронов, в связи с чем ее называют д о н о р и о й. Для германия и кремния, относящихся к 1Ъ' группе Периодической системы элементов, донорной примесью служат элементы»' группы (сурьма, фосфор мышьяк), атомы которых имеют пять валентных электронов.

При внесении такой примеси атомы примеси замещаютатомы исходно~о полупроводника в отдельных узлах кристаллической решетки (рнс. 1 5, а). Четыре электрона каждого атома дснорной примеси участвуют в ковалентной связи с соседними атомами исходного материала, а пятый («избыточный») электрон, не участвующий в кова- !2 л птнай связи, оказывается значительно слабее связанным со своим ман!. »)ля того чтобы оторвать его от атома и превратить в свобод„ый носитель заряда, требуется значительно меньшее количества нергии, чем для освобождения электрона из ковалентной связи. В результате приобретения такой энергии (например, энергии фонона при комнатной температуре кристалла) «избыточный» электрон по- „дает атом и становится свободным, а атом примеси превращается „положительный иоп (и оннзаци я атома при- иге м е с и).

В условиях доста- се ве ае точна болыпой концентрации атомов примеси их ионизация соз;гает некоторую концентра- пе зь пе би' цпю в кристалле полупроводника свободных электронов И НЕПОДВИЖНЫХ ПОЛОЖИТЕЛ! " Ое Пе Пе ных ионов„ локализованных в местах расположения ато- н) д) мов примеси. Слой полупроводника остается электри- Рис. !.5. Возникновение свободного влек«- чески нейтральным, если Рона в кРисталле полупроводника и-гипа (а) и отражение »того процесса на знергеосвободившиеся электроны не гвчеекой диаграиые (б) уходят за пределы слоя, !)Ри уходе электронов под воздействием каких-либо факторов в другие слои кристалла оставшиеся положительные ионы донорной примеси создают в данном слое негкомпенсированньш положительный объемный заряд. На энергетической диаграмме полупроводника и-типа (рис.

!.5, б) вводимая примесь приводит к появлению в запрещенной зоне вблизи зоны проводимостп близко расположенных друг от друга л о к а л ьиых валентных уровней энергии, заполненных электронами при температуре абсолютного нуля, Число локальных уровней определяется количеством атомов примеси в кристалле. На Рис. 1.5, б локальные уровни показаны пунктиром. Так как ширина а'4«л мала (в зависимости от типа исходного полупроводника и матеРиада доноРной! пРимеси Л'Уд = 0,01 —:0,07 эВ)„ИРи комнатной температуре практически все электроны донориых уровней перейдут в зону проводимости и смогут участвовать в создании така.