14-04-2020-ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ-ПРИБОРЫ-И-УСТРОЙСТВА-ВЕЛИЧКО (1171919), страница 2
Текст из файла (страница 2)
Ктипичным полупроводникам относятся вещества с запрещенной зонойменее 2 эВ. Конкретные значения ширины запрещенной зоны длянекоторых полупроводников (при Т = 300 К) приведены в табл. 1.1.НазваниеТаблица 1.1Wз [эВ]GeГерманий0,72SiКремний1,12Арсенид галлия1,41ПолупроводникиGaAsВозможны различные случаи заполнения электронами квантовыхсостояний валентной зоны.1. Зона, заполненная электронами частично. В этом случае поддействием внешнего электрического поля электроны переходят насоседние свободные энергетические уровни.2.
В валентной зоне все возможные электронные состояния заняты, ноэта зона перекрывается со свободной, не занятой электронами. В этомслучае электроны валентной зоны будут переходить на энергетическиеуровни свободной зоны и осуществлять перенос электрического заряда.3.
Число возможных состояний валентной зоны равно количествувалентных электронов атомов, образовавших кристалл. В этом случаевсе электронные состояния в зоне заняты, на каждом уровне зонырасполагаются по два электрона с противоположно направленнымиспинами. Такой кристалл является диэлектриком, так как внешнееэлектрическое поле не может создать направленного движенияподобной совокупности электронов, ибо в заполненной зоне электронымогут только взаимно обмениваться местами.Таким образом, очевидно, что структура энергетических зонкристалла оказывает решающее влияние на величину егоэлектропроводности.Глава 2. Электропроводность полупроводниковПолупроводники представляют собой наиболее многочисленныйкласс веществ. К ним относятся химические элементы: бор, углерод,кремний, фосфор, сера, германий, мышьяк, селен, серое олово, теллур,йод, химические соединения CuCl, CaAs, GeSi, CuO, PbS и др.,большинство минералов - природных химических соединений, числокоторых доходит до 2000, и многие органические вещества.В электронике находит применение лишь ограниченное числополупроводниковых веществ.
На первом месте среди них стоятгерманий, кремний, арсенид галлия, используемые в качестве основыпри изготовлении полупроводниковых приборов. Бор, фосфор, мышьяки некоторые другие вещества используют в качестве примесей.Свойства полупроводников, выделяющие их в особый классОсновными признаками, выделяющими полупроводники в особыйкласс веществ, являются:1. Сильная зависимость их сопротивленияa) от энергетических воздействий (температура (рис. 2.1), свет,электрическое поле, ионизирующее излучение).
[В этом состоит ихотличие от диэлектриков];б) от концентрации примесей.11полупроводники122. Отрицательный температурный коэффициент сопротивления(ТКR). [В этом состоит их отличие от металлов].Даже при сравнительно небольшом повышении температурыпроводимость полупроводников резко возрастает. Проводимость жеметаллов с ростом температуры не увеличивается, а падает оченьнезначительно: изменение составляет десятые доли процента на 10С(табл. 2.1). Введение примеси в полупроводник в количестве 10-7-10-9 %уже существенно увеличивает его проводимость.defTKR 1 R 100%Rср T(2.1)Таблица 2.1а)TKR [% / град]МеталлыПолупроводник- (5..6)Металлы0.4..0.6Структура полупроводниковб)Рис. 2.1.
Температурная зависимость сопротивления полупроводников(а) и металлов (б)Применяемыевэлектроникеполупроводникиимеютмонокристаллическую структуру. Это означает, что по всему объемутакого вещества атомы размещены в строго периодическойпоследовательности на определенных постоянных расстояниях друг отдруга, образуя так называемую кристаллическую решетку. У германияи кремния кристаллическая решетка такая же, как у алмаза: каждыйатом окружен четырьмя атомами, находящимися в вершинахправильного тетраэдра (рис. 2.2). В 1 см3 германия содержится 4,4 .1022атомов, кремния - 5.1022 атомов.1314Каждый атом кристаллической решетки электрически нейтрален, носуществуют силы, удерживающие атомы в узлах решетки; онивозникают за счет валентных электронов.
Подобную связь называютковалентной, для ее создания необходима пара валентных электронов.Сущность ковалентной связи можно пояснить на примереобъединения двух атомов водорода в молекулу (рис. 2.3). При этом двавалентных электрона образуют общую электронную оболочкумолекулы, и силы притяжения к ним протонов уравновешиваютсясилами взаимного их отталкивания. При увеличении расстояния междупротонами, входящими в молекулу, возникают силы притяжения, а приуменьшении - силы отталкивания.
Равновесное состояние системычастиц соответствует минимуму потенциальной энергии и являетсяустойчивым, так как для разрушения молекулы необходима затратаэнергии.а)б)Рис. 2.2. Изображение кристаллической решетки полупроводников:а) - пространственное, б) - плоскостноеРис. 2.3. Сущность ковалентной связи1516В германии и кремнии, являющихся четырехвалентными элементами,на наружной оболочке имеется по четыре валентных электрона,поэтому каждый образует четыре ковалентных связи с четырьмяближайшими от него атомами.валентный электрон, хаотически перемещается по решетке.
Приналичии внешнего электрического поля дырка будет двигаться внаправлении, определенном вектором напряженности поля, чтосоответствует переносу положительного заряда, т. е. возникаетэлектрический ток.Подвижные носители заряда в полупроводникахВ рассмотренной идеальной кристаллической решетке все электронысвязаны со своими атомами, поэтому такая структура не проводитэлектрический ток. Однако в полупроводниках (что коренным образомотличает их от диэлектриков) сравнительно небольшие энергетическиевоздействия, обусловленные нагревом или облучением, могут привестик отрыву некоторых электронов от своих атомов.
Такие освобожденныеот валентной связи электроны обладают способностью перемещаться покристаллической решетке, их называют электронами проводимости(рис. 2.4).При наличии внешнего электрического поля перемещение дырокравносильно перемещению положительных зарядов (рис. 2.5). EРис. 2.5. Принцип дырочной электропроводностиГенерация и рекомбинация пар носителей зарядовРис. 2.4. Возникновение пары электрон-дыркаПри разрыве валентной связи и уходе электрона из атома вкристаллической решетке образуется незаполненная связь (дырка),которой присущ нескомпенсированный положительный заряд, равныйпо величине заряду электрона e. Поскольку на незаполненную связьлегко переходят валентные электроны с соседних связей, чемуспособствует тепловое движение в кристалле, место, где отсутствуетЭлектропроводность полупроводников наиболее правильно можетбыть объяснена их энергетической диаграммой (рис. 2.6).
Как мы знаем,ширина запрещенной зоны у полупроводников сравнительно невелика(для германия 0,72 эВ, а для кремния 1,12 эВ). При температуреабсолютного нуля полупроводник, не содержащий примесей, являетсядиэлектриком, в нем нет электронов и дырок проводимости. Но приповышениитемпературыэлектропроводностьполупроводникавозрастает, так как электроны валентной зоны получают при нагреведополнительную энергию и за счет этого все большее их числопреодолевает запрещенную зону и переходит из валентной зоны в зонупроводимости. Таким образом, появляются электроны проводимости, ивозникает электронная электропроводность.
Каждый электрон,перешедший в зону проводимости, оставляет в валентной зоне17свободное место - дырку, число которых равно числу электронов.Следовательно, вместе с электронной создается и дырочнаяэлектропроводность.Рис. 2.6. Энергетическая диаграмма полупроводникаЭлектроны и дырки, которые могут перемещаться и поэтому создаватьэлектропроводность, называют подвижными носителями заряда.Принято говорить, что под действием теплоты происходит генерацияпар носителей заряда, т.
е. возникают пары электрон проводимости дырка. Генерация пар носителей может происходить также поддействием света, электрического поля, ионизирующего излучения и др.Вследствие того, что электроны и дырки проводимости совершаютхаотическое тепловое движение, обязательно происходит и процесс,обратный генерации.
Электроны проводимости снова занимаютсвободные места в валентной зоне, т. е. объединяются с дырками. Такоеисчезновение пар носителей называется рекомбинацией носителейзаряда. Процессы генерации и рекомбинации всегда происходятодновременно. Рекомбинация ограничивает возрастание числа парносителей, и при каждой данной температуре устанавливаетсяопределенное число электронов и дырок проводимости, т. е. онинаходятся в состоянии динамического равновесия.18Равновесная концентрацияполупроводникеносителей заряда в собственномПолупроводникбезпримесейназываютсобственнымполупроводником или полупроводником i-типа.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
