Степаненко И. Основы теории транзисторов и транзисторных схем (1977) (1086783), страница 2

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 2)

1-2) ". Направлеяня, перпендвкулярвые указанным плоскостям, обозначаются теми же вгщексамн, во в квадратных скобках. Наиболее «густым» по чвслу атомов на едвнвцу длвны является ваправленке [ 1!11, наиболее «разреженным» вЂ” направленве 1 1001. В последующих выводах мы будем пользоваться плоским эквивалентом тетраэдрической структуры (рис. 1-3), в котором сохранена главная особенность решетки типа алмаза — одинаковые расстояния между смежными атомами. Связь атомов в рассматриваемой решетке устанавливается вследствие наличия специфических обменных сил„ возникающих в результате попарного объединения валентных электронов. Эти силы отражены на рис.

1-3 сходящил!ися стрелками. Объединение электронов следует понимать так: пара электронов, обведенная на рис. 1-3 пунктиром, в равной степени принадлежит обоим соответствующим атомам или, образно говоря, поочередно примыкает то к одному, то к другому. Соответственно «в среднем» каждый атом обладает устойчивой восьмиэлектронной оболочкой. Такая связь атомов, при которой кикдый из них остается нейтральным, называется парноэлектронной, ковалемтной 12! или просто валентиой в отличие от ионной связи, обусловленной электрическими силами и имеющей место, например, в решетке каменной соли н сг,;*....г' В общем виде вндексы Миллера определяются следующим образам.

1!ачало прямоугольной системы коордннат помещают в одном нз узлов решетка; Огре«ха ~, ш, л, отсекаемые данной плоскостью на осях координат, в»меряют н едншщах постоянной решетка, обратные величины ! г, гл '. и ' прнводят общему наименьшему знаменателю, после чего знаменатель отбрасывают. нслнтелн образуют индексы Миллера. Совершенно однородная структура (рис. 1-3) бывает у кри* сталла лишь при температуре абсолютного куля. По мере нагрева. ния полупроводника часть валентных связей нарушается пад действием тепловых колебаний атомов в решетке.

В корпускулярной иятерпретации носителями энергии механических колебаний атомов являются фонемы — акустические аналоги световых фотонов '. Поэтому можно сказать, что при нагреве кристалла валентные связи нарушаются фононами, число и энергия которых растут с температурой, Нарушение валентных связей приводит к одновременному образованию свободных электронов и пустых мест — дырок вблизи тех атомов, от которых оторвались электроны !Рис. 1-4).

Такая дырка ведет себя подобно частице с элементарным положительным зарядом. Оиа, так же как и электрон, совершает хаотическое движение в зь» Й вЂ” — З1 течение некоторого времени после своего появления (времени жизни), а затем рекомбинирует с одним из свободных электронов. На рис. 1-5 показана схема движения дырки в решетке кремния как результат последовательного заРнс. Ьз. «Плоский» эквнвкаеит тетраадрн МЕЩЕНИЯ ЕЕ ЭЛЕКтРОНаМИ, ческой решетки с валентными связямв ПрИнадлЕжащимИ раЗным атомов.

атомам: исходная дырка в атоме 1 замещается одним из электронов атома П и «переходит» к атому П; затем дырка в атоме П замещается одним из электронов атома И и «переходит» к атому Ъ'1 и т. д. Создается впечатление, что одна и та же дырка непрерывно движется по пути 1 — П вЂ” 71 — Х вЂ” 711 — П1, тогда как на самом деле совершаются дискретные переходы электронов в обратном направлении: П вЂ” 1, 1'1 — П, Х вЂ” И и т.

д. Таким образом, в полупроводниках имеются два типа подвижных носителей заряда — электроны и дырки. При нагревании абсолютно чистого и однородного полупроводника (собственный полупроводник) свободные электроны и дырки всегда образуются парами, как следует из рис. 1-4. Число этих з Тепловые колебания рецктки н соответственно фононы девятов на два типа: в»срстич«ские !»п~зкочастотные) и олшические (высокочастотные).

Первые являются результатом синфазных, з вторые — противофазных колебаний атомов в Элементарной ячейке. р в стационарном режиме определяется равновесием между . процессами тпермогенерации и рекомбинации носителей Прово димость собственного полупроводника, обусловленную парными носителями теплового происхождения, называют собстпненной. Проводимость, обусловленную наличием примесных атомов, нарушающих структуру кристаллической решетки, называют прилмсмой. Заметим, что слово «примесь» не всегда следует понимать буквально. В ряде случаев такие же посяедствия, как наличие примесных атомов„могут вызывать различные дефекпня решетки: избыток одною из основных компонентов вещества (например, кислорода в закнси меди), смещение некоторых узлов решетки н др.

Поэтому более точен общий термин — де4екпп«ая проводимость. Атомы примеси могут по-разному располагаться в реп1етке собственного полУпРовоДника. В кРем- гттбй болл,м нии и германии примесные атомы ~овал,~' алеюпрон обычно замещают часть основных атомов в узлах решетки. Результаты такого замещения зависят от типа Й вЂ” — З( примеси. Если ввести в кремний атом пятивалентного фосфора, то четыре Рис. 1-4. Процесс обрааования Нз его валентных электронов всту пары ект о — д рка в рпят в связь с четырьмя электрона- пытке под действием фонона кш соседних атомов кремния (рис.

(илн фотона). (-6, и) и образуют устойчивую оболочку из восьми электронов. Левятый электрон в этой комбинации оказывается слабо связанным с ядром, легко отрывается фонопами и делается свободным. При этом примесный атом 'превращается в неподвижный ион с единичным положительным зарядом. Свободные электроны примесного происхождения добавляются ;к собственным свободным электронам, порожденным термогене- рапией, поэтому проводимость полупроводника делается преиму;,щественно электронной.

Такие полупроводники называются влек,'«проннасми ' или типа п. Примеси, обусловливающие электронную :проводимость, называются донорными («отдающими> электроны). Лонорами по отношению к кремнию и германию, помимо фосфора, могут быть сурьма, мышьяк и некоторые другие элементы. Однако если ввести в кремний атом трехвзлентною бора, «результат будет иным. Для валентной связи бора с четырьмя сосед- ними атомами кремния требуется по-прежнему образование устой'чивой восьмиэлектронной оболочки, т.

е. нужен дополнительный «Этот термин не следует путать с более обптнм терминам «алектронный 'полупроводника, подразумевающим отсутствие движения ионов (см. $1-Ц. электрон. Этот электрон отбирается из основной решетки (рис. 1-6, б) и, будучи связанным, превращает атом бора в неподвижный отрицательный ион. На том месте, откуда пришел электрон, образуется свободная дырка, которая добавляется к собственным дыркам, порожденным термогенерацией. Такие полупроводники (с преимущественно дырочкой проводимостью) называются дыро«- ными или типа р, а соответствующие примеси — акцеплюрносни («принимающими» электроны).

Помимо бора акцепторами по отношению к кремнию и германию служат алюминий, галлий, индий и некоторые другие элементы. Пу«еь дырки ф~Дыр Ц~Сдоб 4 еке Рнс. 1-5. Схема движении свободной дырки в крас«злак«есной реоктке. Отрыв «лишнего» электрона от донора и «недостающего» электрона для акцептора требует затраты некоторой энергии (энергия ионизацаи или активации примеси). Эта энергия зависит от типа и концентрации примеси, а также от диэлектрической проницаемости основного материала, которая влияет на силу электрического притяжения между электроном и атомным «остатком» (51.

При нулевой температуре (Т = О К) ионизация не может иметь места; с ростом температуры все большая часть примесных атомов ионизируется ~рононами. В кремнии и германии при комнатной температуре примесные атомы 1П н Ч групп ионизнрованы прак. тически полностью. Полезно сделать несколько заыечаннй относнтельяо полупроводников сложного состава, а именно двойных соединений типа А В, где Л н  — обозна- гп у челна двух разных атомов, индексы означают валентносгь. К числу таких соединений относятся арсеннд галлия ОаАз, антнмонид индия 1пБЬ н др.

Полупроводники со структурой А В также имеют тетраэдрнческую крнсталлнче- гн ч скую решетку типа алмаза, но атомы А н В равномерно распределены в ней так, что в центре каждого А-тетраэдра находится атом В, а в центре каждого В-тетрвэдра — атом А; тетраэдры А и В переплетаются подобно звеньям цепи. Связь между атомамн А н В ковалентна, так как суммарное число валентных электронов у пары атомов А н В равно восьми, а зто соответствует устойчивой восынизлектронной оболочке. Лонорнымн примесями для соединений АП(В являютсн (и и элементы у1 группы (теллур), а акцепторвымв — элементы 11 группы (кадмнй, Рнс.

1-6. Замещение прнмесньв(н нтомамн основных атомов в решетке я — дснервая примесь (ебравуются свсбсдвый влевтран и непсдвнжный положительный вснк б — авцептсрвая примесь (пбрааужтся свсбсднав дырка и неподвижный отрица- тельный исн). цинк) Йонорные атомы замещают атомы В, а акцепторные — атомы А с образованием соответственно свободного электрона нлн свободной дырки. Поскольку в примесных полупроводниках один тнп подвижных носителей заряда превалирует над другим, принято называть те носители, которые составляют большинство, основными, а те, которые составляют меньшинство, — наоснавными. Так, в р-полупроводнике основные носители — дырки, неосновные — электроны. 1-3. ЭИЕУГЕТИ«(ЕСКИЕ ЗОНЫ ТВГРДОГО ТЕЛА Количественный анализ полупроводников и полупроводниковых приборов базируется на зонной теории твердого тела.

Как известно, изолированный атом характеризуется дискретным спектром энергий, разрешенных для электронов (рис. 1-7). )»асстояння между последовательными уровнями непрерывно уменьша)отея по мере увеличения энергии. «Потолком» энергетического спектра является уровень нонизапии, на котором электрон делаетси свободным н может покинуть атом. Заполненные уровни образуют электронные оболочки атома, которые обозначают цифрами 1, 2, 3...

Характеристики

Список файлов книги