Дьюб Динеш С. Электроника - схемы и анализ (2008) (1095413), страница 3
Текст из файла (страница 3)
В кристалле кремния с Я атомами будет перераспределено 8Х энергетических уровней. С точки зрения квантовой механики 4Х уровней попадут в зону, обозначенную К ~~~~6 Глава В Введение в полупроводники и 4Ф уровней — в зону С (см. рис. 1.6). Соответствеыно, 4ттг электронов (по 4 валентных электрона ыа атом кремния) заполнят все 4Х уровней ыижней энергетической зоны»г. Нижняя энергетическая зона называется «валеытыой», так как содержит валентыые электроны. В зоне, обозначен- ной Ею не существует энергетических уровней, и она называется <за- прещенной зонойк Электронам запрещено иметь энергию, ыаходящуюся в запрещенной зоне.
Верхняя зона называется «зоной проводимости». Ес- ли электроны будут вытолкнуты в эту зону (как это может случиться— мы увидим далее), они могут двигаться внутри кристалла и вносить свой вклад в электропроводность при приложении внешнего электрического поля. Вообще привычнее представлять эыергетические зоны для фиксированного меж- а н „р, дн, назрвшвннмв атомного РасстоЯниЯ, Равыого шагУ кРисостояния стзллической решетки, как на рис. 1.7. Запрещенная зона Ев равна разности энергей ~~~ду ыижыеи границей я, - зоны проводимости и верхней границей ва- РВЗРВыаннмВЛЕытНОйЗОНЫ(СМ.рИС.1.7).'ГаКОйрноуыОК Зона валентности состояния проще и удобнее для рассмотрения свойств полупроводника. Выше было сказано, что все энергети- Рис.
1.7. Энергетические зоны в полупроводнике ческие уровни в взлентной зоне заполнены, а зона проводимости пуста и ые содержит электронов. Это утверждение истинно только для идеального кристалла при температурах вблизи абсолютного нуля. В таких условиях пред- полагается, что злектропроводность отсутствует. Это так, потому что в рассматриваемом случае нет электронов проводимости, а электроны в валентной зоне ые передвигаются.
Запомним, что при низких температурах электРоны пРоводимости полупроводники ведут себя как диэлектрики. При повышении температуры полупроводника некоторые электроны приобретают достаточСвободныв но энергии для того, чтобы освободиться от энергетические состояния ковалентной связи и перейти в зону проводимо° ° ° оооо ° ° ° ° Е, сти, оставляя после себя вакаытыые энергетические уровни в валентной зоне. Эта ситуация Рнс. 1.В.
ЭлектРоны прова- показана на рис. 1.8. Если теперь к пластине полупроводника приложить электрическое димости оставляют свободныв энергетические уровни поле, появится проводимость, и по цепи потечет ток. В этой проводимости примут участие электроны проводимости (также называемые !.».Э»» д . дд дд д . !7бд свободными электронами, которые могут передвигаться внутри кристалла, например, от одного электрода к другому). Ниже будет показано, что в проводимости также примут участие и вакантные уровни валентной зоны — так называемые «дырки». Дырочная проводимость иллюстрируется рис.
1.9, а, на котором для простоты показана только одна дырка, обозначенная буквой «Н». Если к полупроводнику приложить электрическое поле, электрон из позиции А может перескочить в позицию дырки Н, имеющую почти такую же или незначительно отличающуюся энергию от позиции А. Так как разница энергии в уровнях очень мала, то такие переходы весьма вероятны и случаются часто. Таким образом, дырка перемещается на одну позицию вправо (рис. 1.9, б).
днвс ° ° ° о ° ° ° ° $ ° ° ° ндвс б) а) рис. Кв. Полупроводник при приложении внешнего постоянного электрического поля (а). Буквой Н обозначена дырка; движение дырки Н под действием электрического поля (б) Теперь электрон из позиции В может занять место дырки Н. Движение дырки к правой стороне (сторону отрицательного полюса батареи), а электрона — к левой стороне продолжится до тех пор, пока дырка не Рекомбинирует с электроном у отрицательного электрода, а дополнительный электрон не покинет кристалл через другой электрод, создавая ток во внешней цепи.
Вот так дырки содействуют созданию дополнительной проводимости. Запомним, что движение электрона в валентной зоне, ответственное за движение дырки, отличается от движения электрона в зоне проводимости. Нетрудно указать точно некоторые отличия. Например, движение электронов в взлентной зоне сильно ограничено, так как они движутся в среде, где смежные энергетические уровни полностью заполнены. Совсем другая ситуация складывается для электронов зоны проводимости. Зона проводимости заполнена слабо, и большинство энергетических уровней свободны.
Кроме того, валентные электроны имеют меньшую энергию, чем электроны проводимости, что очевидно из рис. 1.8. Возможны два метода для анализа дырочкой проводимости. Первый— установить для электронов валентной зоны, ответственных за перемеще- ~~~~8 Глава 1. Введение в полупроводники ние дырок, набор параметров, отличающихся от параметров электронов зоны проводимости (причины этой разницы мы отметили выше). Чтобы каждый раз не уточнять: электрон в валентной зоне или электрон в зоне проводимости, лучше принять, что «дырка> — это отдельный объект, и для рассмотрения ее динамики назначить ему (объекту) соответствующий набор параметров, таких как заряд, эффективная масса, подвижность и т.
п. Такая методика имеет Пузырек всемирное признание. Мы видели выше, что дырка в электрическом поле движется в направлении, обратном направлению движения электрона. Следовательно, это может быть основанием для того, чтобы наделить дырку положительным . 1ПО. Пузырек — вто ЗарядОМ, раВНЫМ ПО ВЕЛИЧИНЕ Заряду ЗЛЕКтрОНа. пустота (отсутствие иид- Концепция дырки имеет интересную анало- гию.
Взглянем на воздушный пузырек, поднимака вверх в действительности — движение жидкости ющийсЯ в жидкости, налитой в стеклЯннУю колбУ вниз, в пустое нростран- (рис. 1.10). Что такое пузырек? Это отсутствие ство жидкости, пустота, дырка. Как.может двигаться пустота? Когда пузырек поднимается, жидкость устремляется вниз, чтобы заполнить пустоту (как электрон занимает место дырки). Если рассматривать «пузырек» как реальный объект, тогда его движение может быть описано и проанализировано с помощью приписанных ему соответствующих динамических параметров.
Тот же подход применен и для «дырки» в полупроводнике. 1.3. Проводимость полупроводников В металлах заряд переносят только электроны, поэтому удельная электрическая проводимость металла с> имеет размерность (Ом ° см) ~ и выражается формулой (1.1) п=д.п «>в, где д — заряд электрона; п — концентрация электронов (плотность электронов); »„— подвижность электронов. Для полупроводников вследствие того, что в электрической проводимости также участвуют и дырки, уравнение (1.1) должно иметь дополнительный член: (1.2) с« = д .
п . «>„+ «? . р . »>и, где Р— плотность дырок; «>р — подвижность дырок. Уравнение (1.2) может применяться для вычисления удельной проводимости о, или удельного сопротивления р = 1/а полупроводника. Далее мы увидим, что для производства приборов обычно используются полупроводники, в которых плотность носителей заряда одного типа (электронов или дырок) намного превышает плотность носителей заряда другого типа.
В таком случае вклад в проводимость одного из членов в уравнении (1.2) становится незначительным и этот член может быть опущен. Например, если п» р (справедливо для полупроводника и-типа) уравнение (1.2) будет иметь вид: о=д и и„. (1.3) А если р» п (для полупроводника р-типа) уравнение (1.2) примет вид: пр. (1.4) Уравнения (1.3) и (1.4) применяются для вычисления проводимостей полупроводников и- и р-типа. 1.4. Металлы, диэлектрики и полупроводники Расширение энергетических уровней и образование энергетических зон, рассмотренное ранее, — фундаментальное свойство твердых тел.
Структура энергетических зон твердого тела определяет, будет ли оно вести себя как металл, как диэлектрик или как полупроводник. На рис. 1.11 представлена зонная диаграмма в общем виде. У диэлектриков запрещенная зона Ея велика, она составляет несколько электронвольт (эВ). Например, у алмаза, известного как самый лучший диэлектрик Ь' 6 эВ. Для большинства диэлектриков запрещенная зона более 3 эВ. В подобных случаях электроны из валентной зоны не могут перескочить в зону проводимости даже при повышенных температурах. Таким образом, в зоне проводимости нет подвижных электронов (в идеале — ни одного, практически — чрезвычайно мало), а в зоне валентности нет дырок.
Поэтому при приложении не слишком больших электрических полей перенос ~аряда невозможен и материал ведет себя как электрический изолятор (диэлектрик). Для полупроводников ширина запрещенной зоны Яя — порядка одного электронвольта, а диаграмма энергетических зон такая же, как у диэлектриков. Из-за малой ширины запрещенной зоны Яя в чистом (нелегированном) полупроводнике даже при комнатной температуре большое число электронов находится в зоне проводимости и столько же дырок — в валентной зоне. носителей п увеличивается, а подвижность р уменьшается с ростом температуры. Будет ли расти или убывать проводимость при росте температуры определяется величинами противоположно меняющихся п и р.
Поскольку у металлов плотность свободных электронов велика (порядка 10~~ см ~), частичное увеличение плотности носителей с увеличением температуры незначительно. Снижение подвижности носителей, однако, значительно из-за увеличения рассеяния сталкивающихся носителей заряда во время движения. Этим объясняется снижение проводимости металлов при повышении температуры.
В полупроводнике плотность носителей (как электронов, так и дырок) резко увеличивается с температурой. Все больше и больше электронов имеют возможность перескочить из валентной зоны в зону проводимости (рис. 1.8), поскольку с температурой растет их энергия. Подвижность носителей в полупроводнике, так же как и в металлах, снижается, но рост числа носителей с избытком компенсирует снижение подвижности. В результате проводимость полупроводника увеличивается при повышении температуры. ).5.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
