14-04-2020-ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ-ПРИБОРЫ-И-УСТРОЙСТВА-ВЕЛИЧКО (1171919), страница 3

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

Текст из файла (страница 3)

Он обладаетсобственной электропроводностью, которая, как было показано,складывается из электронной и дырочной электропроводности. Приэтом, несмотря на то, что число электронов и дырок проводимости всобственномполупроводникеодинаково,электроннаяэлектропроводностьпреобладает,чтообъясняетсябольшейподвижностью электронов по сравнению с подвижностью дырок.Понять это нетрудно. Ведь дырочная электропроводность представляетсобой перемещение электронов более ограниченное (менее свободное),нежели перемещение электронов проводимости, т.

е. электроннаяэлектропроводность.Удельная электрическая проводимость полупроводников зависит отконцентрации носителей заряда, т. е. от их числа в единице объема,например в 1 см3. Будем обозначать концентрацию электронов и дырокпроводимости соответственно буквами n и p - от словnegative(отрицательный) и positive(положительный). Очевидно, что длясобственногополупроводникавсегдаni = pi (условиеэлектронейтральности собственного полупроводника).Равновесная концентрация носителей заряда зависит от температурыкристалла Т и ширины запрещенной зоны Wз.Статистической физикой доказано: если для осуществлениянекоторого события требуется W >> Wср , то вероятность этогособытия всегда пропорциональнаexp(-W/Wср):P~eWWсрВероятность того, что электрон окажется в зоне проводимости притепловой генерации определяется следующим образом:Pген ~ eW зkT,(2.2)где kT - средняя энергия хаотического теплового движения частиц, k постоянная Больцмана.При комнатной температуре (Т = 300 К) kT = 0,026 эВ.Таким образом, очевидно, что kT << Wз = Wg, где Wg - энергия связи.1920C другой стороны, одновременно с генерацией происходит ирекомбинация носителей заряда.

Вероятность появления дырки вединице объема полупроводника пропорциональна концентрации дырокpi. По тем же причинам, вероятность появления свободного электронапропорциональнаконцентрацииэлектроновni. Вероятностьодновременного появления в окрестностях атома и электрона, и дыркипропорциональна произведению концентраций электронов и дырок:Pрек ~ ni  pi .(2.3)В стационарном (установившемся) состоянии генерация ирекомбинация взаимно уравновешены:Pген  Pрек .Таким образом, концентрация носителей заряда для собственногополупроводника определяется следующим образом:ni  pi ~ eW з2kT.(2.4)Значения концентрации носителей заряда ni (при Т=300 К) дляразличных полупроводников представлены в табл.

2.2.Таблица 2.2Полупроводникni [см-3]Ge2.4 1013Si1.1 1010GaAs1.4 107Примесные полупроводникиВ 1 см3 различных кристаллов содержится ~ 1022 атомов. Чистымсчитается вещество, в котором на 100 000 собственных приходится 1примесный атом (т. е. концентрация примесей Nприм = 0.001 %). Тем неменее это означает, что в каждом кубическом сантиметре чистоговещества будет содержаться ~ 1017 атомов примеси. При комнатнойтемпературе (Т = 300 К) Nприм >> ni (табл.

2.2). Абсолютно от примесейизбавиться невозможно. Таким образом, для понимания реальныхсвойств полупроводниковых материалов необходимо изучатьполупроводники, содержащие примеси.Классификацию примесей можно осуществлять по различнымопределяющим признакам:1) по функциональному назначению примеси делятся надонорные,акцепторные.2) по уровню энергии активации (ионизации) примеси делят на мелкие (Wион << Wg), глубокие (Wион ~ Wg).Примесиоказываютполупроводников.существенноевлияниенасвойстваПримесными (легированными) принято называть полупроводники,электропроводность которых обусловлена носителями заряда,образующимися при ионизации атомов.

Примесные полупроводники,полученные за счет введения донорной примеси, называютсяэлектронными,илиполупроводникамиn-типа.Примесныеполупроводники, полученные за счет введения акцепторной примеси,называются дырочными, или полупроводниками p-типа.Полупроводники n-типаЕсли в кремний ввести атом пятивалентного элемента (например,фосфора (рис.

2.7)), то четыре из пяти валентных электронов этогоэлемента вступят в связь с четырьмя соседними атомами кремния(подобно атомам собственного полупроводника).21Рис. 2.7. Пятивалентные элементы, используемые в качестве донорныхпримесей22фосфора при этом превращается в положительный ион (его зарядобусловлен отсутствием валентного электрона).

Количество энергии,необходимое для отделения избыточного электрона и образования иона,называется энергией активации (ионизации) примеси ( 0,1 эВ).Отметим, что ион прочно связан с кристаллической решеткой и неможет перемещаться подобно дырке.Пятый же электрон будет в данном случае избыточным. Он оказываетсяочень слабо связанным со своим атомом, поэтому оторвать его от атомаи превратить в свободный носитель заряда можно даже при воздействиималой тепловой энергии (рис.

2.8).Рис. 2.9. Энергетическая диаграмма полупроводника n-типаРис. 2.8. Возникновение примесной электронной электропроводностиНа энергетической диаграмме (рис. 2.9), соответствующейрассматриваемому случаю, обозначен разрешенный энергетическийуровень Wд, который принес с собой атом фосфора. На этом уровне приочень низкой температуре и будет находиться избыточный электронфосфора. При незначительном повышении температуры он переходит взону проводимости и становится свободным. Нейтральный атомТаким образом, появление в кремнии атома фосфора привело кобразованию в зоне проводимости свободного электрона. Образованиеданного электрона не связано с существованием дырки.В реальных случаях вводится, конечно, далеко не единственный атомпримеси (1014 ...

1018 атомов/см3), поэтому и примесных уровнейполучается довольно много. Примесные уровни образуют примеснуюзону, которая в рассматриваемом здесь случае будет находиться взапрещенной зоне кремния вблизи зоны проводимости.Электропроводность электронных полупроводников определяетсясвободными электронами, которые здесь являются основныминосителями заряда. Дырки в полупроводнике n-типа являютсянеосновными носителями заряда. Дырок здесь очень мало (nn >> pn), ноони все-таки есть (дырки образуются за счет термогенерации подобнособственным носителям в беспримесном полупроводнике).Итак, за счет введения донорной примеси образуется электронныйполупроводник, электропроводность которого определяется2324электронами, причем число свободных электронов практически равночислу ионизированных доноров.Полупроводники p-типаРассмотрим теперь дырочный полупроводник, или полупроводник pтипа.

Такой полупроводник получается за счет введения в неготрехвалентных атомов примеси (например, индия (рис. 2.10)).Рис. 2.10. Трехвалентные элементы, используемые в качествеакцепторных примесейНаходясь среди атомов германия (или кремния), атом индия образуеттолько три заполненные валентные связи. Четвертая связь оказываетсянезаполненной, однако она не имеет заряда, т.

е. атом индия являетсяэлектрически нейтральным. При воздействии даже небольшой тепловойэнергии электрон одной из соседних заполненных валентных связейгермания может перейти в эту связь (рис. 2.11). Во внешней оболочкеатома индия появляется лишний электрон, т. е. атом индияпревращается в отрицательный ион. Ионизированная связь атомагермания (из которой электрон перешел к атому индия) несет с собойуже положительный заряд, являясь дыркой.Рис. 2.11. Возникновение примесной дырочной электропроводностиНа энергетической диаграмме (рис. 2.12), соответствующейрассматриваемомуздесьслучаю,обозначенразрешенныйэнергетический (акцепторный) уровень Wa, который принес с собойатом индия. Этот уровень будет не заполнен лишь при очень низкойтемпературе.

При небольшом повышении температуры один изэлектронов валентной зоны переходит на акцепторный уровень,затратив при этом небольшую энергию, равную энергии активациипримеси ( 0,1 эВ). Таким образом, получаются дырка (в валентнойзоне) и ионизированный акцептор.2526Рис. 2.12. Энергетическая диаграмма полупроводника р-типаРис. 2.13. Энергетическая диаграмма, иллюстрирующая процесскомпенсации примесиЭлектропроводность дырочного полупроводника определяетсядырками, которые здесь являются основными носителями заряда.Электроны в полупроводникеp-типа являются неосновныминосителями и их очень мало (pp >> np). Итак, за счет введения иактивации акцепторной примеси образуется дырочный полупроводник,электропроводность которого определяется дырками, причем число ихпрактически равно числу ионизированных акцепторов.Компенсация примесиПонятно, что чем больше концентрация доноров Nd, тем больше иконцентрация электронов, а чем больше концентрация акцепторов Na,тем больше концентрация дырок в полупроводнике.Если в полупроводник ввести и донорную и акцепторную примесь, тонаблюдается процесс компенсации примеси (рис.

2.13).Компенсация может быть различной: полная (Nd = Na). В этом случае полупроводник аналогиченсобственному полупроводнику; частичная. Если Nd > Na, то полупроводник аналогиченполупроводнику n-типа. В случае, когда Nd < Na, он похож наполупроводник p-типа.Температурная зависимость концентрации носителей заряда впримесном полупроводникеРассмотрим качественно зависимость концентрации носителей оттемпературы. Интенсивность переходов электронов в полупроводнике суровней энергии в валентной и запрещенной зонах на энергетическиеуровни в зоне проводимости зависит, прежде всего, от температуры итребуемого изменения энергии.Вероятность ионизации примесных атомов, имеющих энергиюионизации порядка 0,01 эВ, становится заметной при температурах вединицы и десятки градусов Кельвина, а интенсивность межзонныхпереходов, зависящая от ширины запрещенной зоны, существенна присотнях градусов. Это позволяет построить качественную картинуизменения концентрации в зависимости от температуры дляполупроводника с одним видом примеси (рис.

2. 14).2728переходы. Такие переходы приводят к образованию пары подвижныхносителей: электрона и дырки, поэтому концентрация электронов в зонепроводимости определяется не только количеством примеси, но иколичеством образовавшихся пар: nn = Nd + Pn.Повышение температуры выше значения Т2 приводит к интенсивнойгенерации электронно-дырочных пар, и их количество может заметнопревысить величину Nd. В этом случае nnpn и изменениеконцентрации носителей будет таким же, как и в собственномполупроводнике, т.

е. происходит вырождение полупроводника.Значения температур вырождения для различных полупроводниковпредставлены в табл. 2.3.Таблица 2.3ПолупроводникТвыр [0C]Ge150 - 170Si70 - 90Рис. 2.14. Зависимость концентрации электронов и дырок в донорном(акцепторном) полупроводнике от температурыРассмотрим в качестве примера донорный полупроводник. Принулевой температуре заняты все состояния валентной зоны и всепримесные состояния донорных атомов (при отсутствии акцепторнойпримеси). Повышение температуры приводит к тому, что уже приабсолютной температуре в несколько градусов появляется заметнаявероятность ионизации мелких донорных уровней с глубиной залеганияпорядка 0,01 эВ. Этот процесс вызывает появление только одного сортаподвижных носителей - электронов в зоне проводимости. Ихконцентрация в этом случае будет равна концентрации неподвижныхположительно ионизированных доноров: nn = Nd+.

Характеристики

Список файлов учебной работы