Дьюб Динеш С. Электроника - схемы и анализ (2008) (1095413), страница 4
Текст из файла (страница 4)
Полупроводники с другой точки зрения Выше мы рассмотрели, как 14 электронов атома кремния распределены по разным уровням и подуровням. Кремний — четырехвалентный атом, поэтому каждый атом отдает четыре электрона для образования ковалентных связей. В кристалле кремния четыре валентных электрона каждого атома образуют ковалентные связи с четырьмя соседними атомами кремния. Упрощенный двумерный рис. 1.13 показывает образование ковзлентных связей в кристалле кремния. Здесь нет свободных электронов (электронов проводимости), все валентные электроны нетронуты (следовательно — дырки отсутствуют).
Такое же состояние было ранее изображено на рис. 1.7. Примерно такое же состояние наблюдается у кристалла высокой степени чистоты (почти бездефектный кристалл) при сверхнизких температурах. Поскольку все взлентные электроны заняты в ковалентной связи, они не могут двигаться при приложении электрического поля и не будут участвовать в проводимости. Допустим теперь, что температура кристалла повысилась и некоторые электроны приобрели достаточно тепловой энергии, чтобы вырваться из ковалентной связи. Что случится с электроном, который ушел от влияния ковалентной связи? Он переместится в зону проводимости и будет ~~( 22 Глава 1.
Введение в полупроводники свободно передвигаться по кристаллу и внесет свой вклад в злектропроводность кристалла. Кроме того этот электрон оставил после себя свободный энергетический уровень — дырку (рис. 1.14). Поскольку электроны А, В или С на рис. 1.14 обладают примерно такой же энергией, как и дырка, один из них может переместиться на позицию дырки, оставляя после себя новую дырку. Такое движение дырки добавляет свой вклад в проводимость кристалла, что было ранее показано на рис. 1.9, б. Валентные электроны Рис.
1.13. Распределение электро- нов между соседними атомами при- водит к образованию ковалентных свлзей в кристалле кремния .н — Ковалентнал связь l 1 ° Атом 8 н 4 его валентных электрона Сколько энергии требуется для создания пары электрон — дырка или для разрушения ковалентной связи в кремнии? Требуется 1,1 эВ, что равно ширине запрещенной зоны кремния Ев.
Для германия она равна примерно 0,7 эВ. Когда электрон перемещается из зоны валентности в зону проводимости, образуется пара электрон — дырка. Имеет место и обратный процесс, называемый врекомбинацией», когда они оба (и электрон, и дырка) исчезают. Один из видов рекомбинации наблюдается, если электрон из зоны проводимости перескакивает на свободный энергетический уровень зоны валентности. Возможны и другие процессы рекомбинации. Генерация и рекомбинация Электроны проводимости Рис. 1.14.
Перемещение электрона валентной зоны в зону проводимости также создает дырку .И. Л р- * ° ~...д, ф где К = 212 ЦЬ')з~' Л„= 2(2ятлй/6~)~~~; я — постоянная Больцмана; и — постоянная Планка, т, и пц, — эффективные массы электрона и дырки соответственно. Е д в выражении (1.5) представляет собой величину энергии в джоулях, необходимую для разРушения ковалентной связи. Для кремния (%) при'300 К и; — 1,6. 101е см з и для германия (Се) при 300 К и.
3,6 101з см з. Запомним, что у чистого германия при комнатной температуре число подвижных носителей заряда на три порядка больше, чем у кремния. По это не повод для того, чтобы считать германий лучшим полупроводником. Это просго показывает, что приборы из германия будут более чувствительны к температуре по сравнению с кремниевыми приборами.
Другими словами, параметры и характеристики приборов из германия меняются с температурой сильнее, чем у кремниевых приборов — а это нежелательное свойство. Как будет показано ниже, концентрация носителей в полупроводниках управляется соответствующим его легированием и концентрация собственных носителей и; не столь важна. ! .6. Легированные полупроводники Чистый собственный полупроводник, в котором концентрация электронов Равна концентрации дырок (поскольку каждый электрон, переходящий в зону проводимости, оставляет дырку в зоне валентности), — это исходный материал. для изготовления приборов более пригодны легиРованные полупроводники, в которых количество одного из носителей подвижных носителей заряда идет в кристалле непрерывно с постоянной скоростью, зависящей от параметров материала и температуры кристалла. Время, прошедшее от генерации (порождения) носителя до его рекомбинации, называется «временем жизнию Время жизни носителей заряда составляет порядка 10 1з секунды.
При данной температуре, например, при комнатной, из-за того что скорости генерации и рекомбинации хотя и постоянны, но не одинаковы, в полупроводнике существует конечное число подвижных носителей заряда. Эта концентрация называется собственной. Концентрация собственных носителей и, в значительной степени зависит от ширины запрещенной зоны Ея и от температуры Т (в градусах Кельвина) и может быть записано выражением п3 = К,К„Тз ехр( — Едд(ИТ), (1.5) ~~~24 Глава 1. Введение в полупроводники (электронов или дырок) преобладает.
Полупроводник р- или и-типа образуется, когда в чистом материале некоторые атомы заменены трех- или пятивалентными атомами. Процесс добавления малого количества (несколько миллионных частей) известной примеси в чистый материал называется легированием. Изучение процессов легирования показывает, что эти пятивалентные или трехвалентные атомы обычно проникают в полупроводник, заменяют его атом и занимают прочное положение в кристаллической решетке. Полупроводник п-каипа Допустим, что атом кремния Я1 заменен пятивалентным атомом фосфора Р.
Четыре из пяти валентных электрона атома фосфора образуют ковалентные связи с четырьмя соседними атомами Й. Пятый электрон— дополнительный, на него действует притяжение одного положительного заряда атома примеси. Ситуация в чем-то похожа на атом водорода, за одним важным исключением. В нашей ситуации пятый электрон движется в среде полупроводника с диэлектрической постоянной ст (для о1 в„11), а не в вакууме (е„= 1), как в случае водорода. В результате сила, связывающая пятый электрон, значительно уменьшается. Рис.
1.15. Замена атома кремния атомом фосфора Атом фосфора (пятиеалентный] Пятый электрон атома фосфора лнительный электрон) Что случится, если пятый электрон получит достаточно энергии, чтобы вырваться нз атома фосфора? Электрон будет двигаться в зоне проводимости. Заряд атома фосфора станет меньше на один заряд электрона и останется в кристаллической решетке как неподвижный положительный ион. Энергия ионизации атома примеси может быть примерно оценена с помощью модели Бора, но с допущением, что мы имеем дело с зарядами в твердом теле с диэлектрической постоянной е,. Энергия ионизации атомарного водорода в системе СИ равна — д~т/2(4яеоб)з. Для полупРоводника мы заменим ео на вт ° ео и массу электрона тп эффективной \.6.Л нр д«2ф массой гп„и получим энергию ионизации донора в системе СИ: 4 о тпе 2(4иег аОЬ) ' где ео — диэлектрическая постоянная свободного пространства (равна 8,85 10 '4 Ф см ~).
Для кремния Ел примерно равна 0,05 эВ. Если бы лишний электрон был полностью свободен от силы притяжения атома фосфора, его энергия была бы где-то на уровне зоны проводимости и он мог бы попасть в эту зону. Поскольку энергия связи электрона примерно равна 0,05 эВ, этого недостаточно, чтобы попасть в зону проводимости, Поэтому энергетические уровни донора лежат приблизительно на 0,05 эВ ниже нижней границы зоны проводимости, как изображено на рис. 1.16, а.
Из рисунка видно, что если пятый электрон получит энергию в 0,05 эВ, он перескочит в зону проводимости. Энергетические уровни, заполненные электронами атомов донора с уровни донора Зона проводимости 1 -О,об эв Энергетические уровни донора Ес Е„ Ет Зона валентности а) б) Рис. 1.10. Энергетические уровни донора лежат чуть ниже зоны проводимости (а);перекод дополнительного электрона из уровня донора в зону проводимости. При этом дырка не образуется (б) При очень низких температурах (скажем, ниже 100 К) энергия ионизации в 0,05 эВ становится недоступной и большинство атомов примеси донора сохраняют свои пятые электроны, в зоне проводимости будет мало электронов. При таких условиях полупроводник ведет себя как диэлектрик.
Однако при комнатной температуре (300 К), при наличии достаточного количества тепловой энергии можно предположить, что все атомы примеси будут ионизированы. Каждый атом примеси (атом фосфора в нашем случае) отдаст один электрон в зону проводимости. Отметим, что в отличие от собственных полупроводников здесь нет соответствующей этому электрону дырки (см.рис. 1.16, б). Из-за атомов примеси концентрация электронов проводимости (т.е. число электронов проводимости в единице объема) обычно многократно превышает концентрацию электронов проводимости в нелегированных полупроводниках.
Таков и-полупроводник, в котором концентрация электронов много больше концентрации дырок. Поэтому говорят, что в и-полупроводнике электроны являют- ~~~26 Глава 1. Введение в полупроводники ся основными носителями, а дырки — неосновными носителями. Кроме фосфора в качестве пятивзлентных примесей обычно применяют мышьяк (Ав) и сурьму (БЬ). Полупроводник р-шипа Если часть атомов кремния заменить вместо пятивалентных (как в предыдущем случае) трехвалентными, например атомами бора (В), то образуется полупроводник р-типа.
На рис. 1.17 для простоты показан только один атом Й, замененный атомом бора. Рис. 1.17. Замена атома кремния атомом бора Атом бора рехввлентный) Свободный нергетнческнй уровень Три взлентных электрона бора образуют ковалентные связи с тремя соседними атомами %, оставляя один энергетический уровень свободным. Электронам из соседних атомов %, таким как а, Ь или с, требуется очень немного энергии (< 0,05 эВ, как было показано в случае и-полупроводника), чтобы перескочить на этот свободный энергетический уровень. Приняв дополнительный электрон (акцентировав его), атом бора приобретает дополнительный отрицательный заряд (величиной в один электрон), превращается в отрицательный ион. Допустим, электрон (например, электрон б на рис. 1.17) переместился в свободный энергетический уровень атома бора — тогда на месте электрона 6 появляется дырка (рис.
1.18) Энергетические уровни акцептора лежат вблизи верхней границы валентной зоны, как показано на рис. 1.19. При комнатной температуре достаточно тепловой энергии, чтобы валентный электрон перескочил на энергетический уровень акцептора. Таким образом получаются дырки. Можно предположить, что при комнатной температуре (300 К) все атомы бора будут ионизированы. Когда в четырехвалентном кремнии или германии трехвалентнзл примесь образует дырку, соответствующий электрон не переместится в зону проводимости.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
