Лекции7 (Лекции - Физические основы электронных приборов)

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМ. Н.Э. БАУМАНАДисциплина:Физические основы электронных приборовМихайлов Валерий ПавловичЛекция № 10Физические процессы в полупроводниковыхструктурахПолупроводники–вещества,удельноеэлектрическоесопротивление которых лежит в диапазоне ρ =10-4.. 1010 Ом  см.У проводников (металлов) -ρ ≤ 10-4 Ом  см, у изоляторов(диэлектриков) ρ ≥ 1010 Омсм. Основные полупроводниковыематериалы – германий (Ge), кремний (Si), арсенид галлия (GaAs).Зонная теория твердых телСогласно квантово - механической теории твердого телаэлектроны в атоме не могут иметь произвольную энергию, аобладают строго определенными дискретными значениямиэнергии, т.

е. располагаются на определенных энергетическихуровнях.В твердом теле возникают зоны разрешенных значенийэнергии электронов (валентная зона и зона проводимости) изапрещенные зоны.Для идеального кристалла запрещенная зона – диапазонзначений энергии, которую не может иметь электрон в атоме.Валентная зона – зона энергетических уровней, полностьюзанятыхэлектронами.Зонапроводимости–зонаэнергетических уровней, не заполненных электронами.Зонные диаграммы материаловЕ  Ес  Еv- ширина запрещенной зоны,гдеEc - минимальная энергия электрона в зонепроводимости; Ev - максимальная энергия электрона ввалентной зоне.Различиемеханизмовэлектрическойпроводимостиметаллов и полупроводников проявляется в температурнойзависимости. Для металлов характерно повышение ρ приповышенииTза счет рассеяния энергии электронов натепловых колебаниях кристаллической решетки:T  0T0, где0при комнатной температуре (- удельное сопротивлениеT0  300K).Для полупроводников при повышении температурыудельное сопротивление снижается за счет возникновенияподвижных носителей заряда (электронов и дырок) врезультате теплового возбуждения, т.

е. электроны из валентнойзоны могут переходить в зону проводимости. Так, для чистыхполупроводников:  0e /Tгде β – постоянная положительная величина.Собственные и примесные полупроводникиПроводимость в полупроводниках создается не толькоэлектронамивзонепроводимости.Послепереходаэлектронов в зону проводимости в валентной зоне остаютсявакантные состояния, называемые «дырками», которые ведутсебя как положительно заряженные частицы. Такимобразом, в валентной зоне проводимость осуществляетсядырками.Зонные диаграммы полупроводникова) собственный полупроводник; б) полупроводник n-типа;в) полупроводник p-типаСобственный полупроводник – полупроводник вкотором подвижные носители заряда образуются только врезультате переноса электронов из валентной зоны в зонупроводимости. В этом случае концентрация электронов равнаконцентрации дырок (схема а).Примеснойполупроводник–полупроводник,содержащий примесные атомы, имеющие свои энергетическиеуровни (примесные уровни).Если такой уровень располагается вблизи дна зоныпроводимости, то электроны с него могут легко переходить вэту зону.

Полупроводник n-типа – полупроводник, у которогоподвижные электроны возникают вследствие их перехода спримесных уровней в зону проводимости (схема б). Уровни,поставляющие электроны в зону проводимости, называютдонорными.Если примесный уровень, не занятый электронами,расположен вблизи потолка валентной зоны, то электроны изэтой зоны могут легко перейти на этот уровень, образуя ввалентной зоне подвижные дырки. Полупроводник p-типа –полупроводник, у которого подвижные носители заряда –дырки образуются за счет захвата электронов примеснымиуровнями (схема в).

Уровни, захватывающие электроны игенерирующиедыркиввалентнойзоненазываютакцепторными.Кристаллические структуры «типа алмаза» и«типа цинковой обманки»Монокристаллические полупроводниковые материалы,используемые при изготовлении интегральных микросхем(ИМС), имеют кристаллическую решетку типа алмаза илицинковой обманки. В такой решетке каждый атом окруженчетырьмя соседними атомами, расположенными в вершинахтетраэдра. Валентную связь между парой соседних атомовобразуютдваэлектронасдвумяпротивоположноориентированными спинами.Для германия Ge и кремния Si (IV группы таблицыМенделеева) характерны решетки типа алмаза, т. е. в этихматериалах все валентные связи существуют только междуатомами одного элемента.Арсенид галлия GaAs (AIIIB V) обладает решеткойтипа цинковой обманки, т.

е. кристаллическая решеткаобразована атомами галлия – элемента III группы (A III), имышьяка – элемента V группы (B V).Кристаллы полупроводниковых материалов обладаютанизотропией,т.е.неоднородностьюмеханическихиэлектрофизических свойств в различных направлениях. ВтехнологиипроизводствакристаллографическихМиллера.ИМСплоскостейдляобозначенияиспользуютиндексыИндексы МиллераДлякубическихкристалловиндексыМиллерапредставляют собой три цифры, относящиеся к прямоугольнойсистеме координат.Кристаллографические оси, определяемые индексамиМиллера,перпендикулярнысоответствующимкристаллографическим плоскостям.Важнейшимпараметромкристаллическойрешеткиполупроводников является ее постоянная «а» – расстояниемежду двумя атомами, расположенными в соседних вершинахкуба.Основные кристаллографические плоскостикубической решетки.