tihonova (523116), страница 5
Текст из файла (страница 5)
Эти области называют запрещенными зонами. Важнейшиесвойства (электрические, магнитные, оптические и др.) твердых тел объясняютсяэнергетическим состоянием валентных электронов, поэтому на схемах энергетическихсостояний (рис. 5.1) изображают две разрешенные энергетические зоны: валентную зону,соответствующую нормальным (невозбужденным) состояниям валентных электронов иближайшую к ней зону возбужденных состояний электронов, которая называется зонойпроводимости. Такое название связано с тем, что при отсутствии внешних возбуждений в нейнет электронов. Когда же, получив энергию извне (от облучения, нагрева), электрон перейдетв эту зону, то он может свободно изменять свою энергию, двигаясь под действием внешнегоэлектрического поля, т.е.
участвовать в проводимости.энергетической щелью или зоной запрещенных энергий.на рис. 5.1 являетсяСогласно зонной теории твердого тела, если имеется достаточное число электронов длязаполнения всех разрешенных энергетических состояний одной или нескольких зон ипоследняя заполненная зона не соприкасается и не перекрывается со следующей зоной, топри абсолютном нуле совершенный кристалл такого вещества является изолятором.
УровеньФерми проходит посредине запрещенной зоны (энергетического разрыва между самымивысокими занятыми и самыми низкими незанятыми состояниями).Если ширина запрещенной зоны мала, то при повышении температуры электроны из занятойзоны будут переходить на незанятые энергетические состояния следующей зоны. В этомслучае приложение разности потенциалов приведет к появлению проводимости, посколькуимеется достаточно большое число незанятых состояний, по которым эти электроны могутсвободно двигаться.
Такие вещества известны под названием собственных полупроводников.Если ширина запрещенной зоны достаточно велика, то тепловая энергия, необходимая дляактивации электронов в зону проводимости, может оказаться настолько высокой, что этовызовет смещение и миграцию атомов или даже пробой твердого тела.
Такое положениехарактерно для некоторых изоляторов при обычных температурах. Значение ширинызапрещенной зоны для гомологических рядов веществ является мерой прочности связимежду атомами в кристалле.Введение в собственный полупроводник определенных количеств примесей делает егопримесным. Электрические свойства таких полупроводников в определенном температурноминтервале определяются количеством и природой примесей, введенных в пределахзапрещенной зоны.
Замещение атома растворителя атомом примеси с меньшим числомвалентных электронов приводит к появлению уровней вблизи потолка валентной зоны.Электроны валентной зоны могут возбуждаться и переходить на эти уровни, в связи с чемвозникает проводимость р-типа. Замещение атомов растворителя примесными атомами сбoльшим числом валентных электронов приводит к возникновению примесногополупроводника n-типа, у которого примесные состояния располагаются вблизи дна зоныпроводимости.Используемые в качестве полупроводников материалы разделяют на три общих класса: 1)чистые материалы, 2) соединения с ковалентными связями и 3) нестехиометрические ионныесоединения.Типичным примером чистых полупроводниковых материалов могут служить элементы IVгруппы периодической таблицы.
Наиболее широко используются кремний и германий.Некоторые другие элементы с ковалентными связями, например, селен и теллур, такжеявляются полупроводниками, поскольку их валентные электроны заполняют третьюэнергетическую зону. Но эти элементы находят ограниченное применение, так как в большойстепени подвержены изменению механических и химических свойств.Необходим очень строгий контроль состава полупроводников, так как присутствие всегопримесей существенно влияет на проводимость. Это требование привело ктехнологиям зонной плавки и выращиванию почти совершенных кристаллов.Ковалентные соединения. Бинарные соединения из элементов III-V и II-VI групп приподобранных концентрациях компонентов содержат в среднем 4 валентных электрона наатом.
Кристаллическая структура многих из этих соединений напоминает структуру алмаза.Прототипом для многих таких соединений служит сфалерит, или цинковая обманка (ZnS).Второй характерной для полупроводников структурой является структура вюрцита (тожеZnS).Для обеих структур координационное число равно 4, поэтому атомная плотность упаковкиневелика. Соединения типа АХ с более резко выраженной ионной связью, например, MgO,обычно имеют большие координационные числа и являются изоляторами из-за большойширины запрещенной зоны.Нестехиометрические соединения - третий класс полупроводников - часто называютдефектными полупроводниками из-за нестехиометричности их состава и присутствияанионных или катионных вакансий. Принципиальной особенностью этих керамическихсоединений является присутствие в них ионов, имеющих разные валентности, например,Дефектный полупроводник можно также рассматривать как материал сширокой запрещенной зоной, имеющей акцепторные состояния, в которые могут переходитьэлектроны из валентной зоны.Работа многих простых полупроводниковых устройств основана на свойствахполупроводниковых материалов.
В большинстве из них, но не во всех, используютсяизменения электросопротивления. Примеры: терморезисторы, датчики давления,магнитометры, электрофотография (ксерография).Более широко известное и важное применение полупроводниковых материалов полупроводниковые приборы с n-p-переходами. В полупроводниках n-типа уровень Фермирасполагается несколько выше центра запрещенной зоны, тогда как в полупроводниках pтипа он находится ниже этого центра. Поэтому если проводники разного типа привести вконтакт, т.е. создать переход, то положение запрещенных зон должно измениться такимобразом, чтобы энергия Ферми для обоих материалов оказалась одинаковой.
Это означает,что верхняя граница валентной зоны в материале n-типа снизится, а в материале р-типаподнимется. При этом сами по себе атомы, безусловно, не смещаются, а продолжают в видеионов занимать свои места в кристаллической решетке. Следовательно, материал n-типаокажется заряженным положительно, а р-типа - отрицательно. Возникшая разностьпотенциалов называется контактной разностью потенциалов. Электроны проводимостипредставляют собой основные носители в материалах n-типа и неосновные носители вматериалах р-типа. На границе перехода может быть создано положительное илиотрицательное смещение.Поток электронов, а следовательно, и ток нелинейно зависят от приложенного напряжения.Практические следствия этого: n-р-переход (или р- n-переход) может служить выпрямителем,пропуская большие токи в одном направлении и лишь незначительный ток впротивоположном направлении.Если отрицательное (обратное) смещение слишком велико, то выпрямляющее действиеперехода прекращается, так как немногие проходящие через переход электроны могут вдостаточной степени ускориться в области перехода.
Ускоренные электроны могут выбиватьиз валентной зоны другие электроны, которые также будут ускоряться, приводя к лавинномунарастанию тока. При превышении критического напряжения происходит пробой. Посколькукритическое напряжение зависит от содержания примесей, можно создать диоды с n-pпереходом (диоды Зинера), служащие ограничителями напряжения.Среди полупроводниковых приборов наиболее известны триоды (или транзисторы),представляющие собой комбинацию двух встречных переходов, образующихпоследовательную цепь. Известны триоды с n-p-n- и p-n-p-переходами.Для создания в чистом полупроводниковом кристалле областей n- и р-типов разработан рядметодов. 1) Транзистор с вплавленным переходом получают путем расплавления несколькихмикрограммов легирующего элемента (например, алюминия), на поверхности монокристаллакремния n-типа.
В расплаве растворяется некоторое количество кремния, после охлажденияобразуется твердый раствор алюминия в кремнии. Аналогичную операцию повторяют надругой стороне таблетки, получают p-n-p-переход. 2) Транзистор с выращенным переходомизготавливают путем выращивания кристалла из расплава материала n-типа. 3) Третьятехнология основывается на использовании таблетки кремния n-типа, которая подвергаетсяокислению с целью получения защитного покрытия из SiO2. В процессе нанесения маскиудаляют защитное покрытие с определенных участков таблетки, затем заготовку нагревают вприсутствии паров бора.
Диффузия бора в кремний приводит к образованию области р-типа.Затем все операции - окисление, нанесение маски и нагрев - повторяют, но нагрев ведут вприсутствии паров фосфора с целью получения второй области n-типа, которая служитэмиттером. Повторение всего цикла операций в третий раз необходимо для созданияконтактов из золота и алюминия. Такие транзисторы называют плоскостными.Лекция 6.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
