yavor2 (553175), страница 71
Текст из файла (страница 71)
ГЛАВА 77 ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПОЛУПРОВОДНИКОВ $77.1. Собственная электронная проводимость полупроводников 1. Между металлами, у которых удельное сопротивление порядка 10-' — 10-' Ом м, и изоляторами с удельным сопротивлением 10и — 10" Ом.м находится огромное количество материалов, относящихся к полупроводникам.
Их удельное сопротивление изме- няется в очень широком л (',") с интервале от 10 э до 1О' и м Ом м. Почти вся окружаю- 'ОО ~Ф щая нас природа состоит из пол упроводящих нег., ществ. Окислы металлов, ОО7~~ ~~ р ~' сульфиды и теллуриды многих металлов имеют Рис. 77Л. полупроводниковые свойст- ва.
В периодической системе Менделеева полупроводники образуют группу элементов, показанную на рис. 77.1. Слева и снизу от элементов, принадлежащих к полупроводникам, находятся металлы. Справа и сверху располагаются элементы, которые в твердом состоянии являются диэлектриками. Типичными представителями полупроводников. имеющими широкое применение в технике, являются германий, кремний н теллур. 2. Германий (Ое) — один из наиболее широко применяемых полупроводниковых элементов. Он расположен в !Н группе четвертого периода периодической системы. В изолированном атоме германия на внешней оболочке находятся четыре электрона.
Остальные 28 электронов размещаются на внутренних застроенных оболочках. Кристалл германия имеет атомную кристаллическую решетку. Четыре валентных электрона каждого атома вступают в ковалентные химические связи с электронами соседних атомов в решетке, так, что свободных электронов в чистом германии нет (рнс. 77.2). Таким образом, чистый кристалл германия должен быть хорошим изолятором.
В современной полупроводниковой технике широко используется кремний (8!). Четырнадцать электронов в изолированном атоме кремния располагаются вокруг ядра так, что четыре из них, как н у германия, находятся на внешней оболочке. В твердом кри- / / Пспулрододнин / Д шин/прин Рас. 77.3. Рис. 77.2. 4. Зонная теория твердых тел объяснила такое изменение сопротивления (или проводимости) чистых полупроводников. Если верхняя полностью занятая электронами зона отделена от ближайшей разрешенной зоны энергий узкой запрещенной зоной, то такое тело будет диэлектриком лишь при низких температурах.
С повышением температуры тепловое возбуждение может перевести электроны, расположенные у верхней границы занятой зоны, в верхнюю зону, где имеются свободные энергетические уровни. Для этого нужно затратить энергию, равную по крайней мере ширине запрещенной зоны Лв7,. На рис.
77.3 показано расположение энергетических зон полупроводника и диэлектрика. Величина Ь4', называется энергией активации собственной проводимости. Она является важнейшей характеристикой электрических свойств полупроводника. На рис. 77.1 энергии активации полупроводниковых элементов (в электрон-вольтах) указаны цифрами в кружках. С повышением температуры чистых полупроводников растет число электронов, которые в результате теплового возбуждения переходят в свободную энергетическую зону и участвуют в электропроводности.
Поэтому удельная электропроводность полупроводников возрастает с повышением температуры. 11* 323 с таллическом кремнии внешние валентные электроны, так же как и у германия, вступают в ковалентные химические связи. Кремний также должен быть изолятором. 3. Ковалентные связи в германии и кремнии могут достаточно легко разрываться уже при сравнительно низких температурах. Прп этом будут образовываться свободные электроны, и у германия и других полупроводников такого типа возникнет собственная электроннан проводимость чиспгого позуароводника. Опыты показали, что с повышением температуры удельная электропроводность чистых полупроводников увеличивается. Это является важнейшим отличием полупроводников ст обычных металлов, у которых, как известно Я 44.5), проводимость уменьшается с повыше- -4 -4 ннем температуры.
/ , ч / Р $77.2. Собственная дырочная проводимость полупроводников 1. Появление свободных от электронов энергетических уровней в заполненной зоне имеет большое значение для электрических свойств полупроводников. Электрон, получивший энергию посредством теплового возбуждения и разорвавший ковалентные связи с другими электронами атома, уйдет со своего места. Пусть в электрически нейтральном веществе один из электронов останляет свое место и переходит в другое, например к соседнему иону. Тогда в том месте, откуда ушел электрон, возникает избыточный положительный заряд, ибо, как подчеркивалось, вещество электрически нейтрально. Как принято говорить, образуется положительна« дырка. Она ведет себя как положительный заряд, равный по величине заряду электрона.
На освободившееся от электрона место— дырку — может переместиться соседний электрон, а это равносильно тому, что переместилась «положитслькая дыркам она появится в новом месте, откуда ушел электрон. Так, например, если из шеренги пионеров на линейке вышел крайний пионер и образовалась «вакансия», то все пионеры могут последовательно передвигаться на освободившееся место. Все будет происходить так, как будто свободное место передвигается в сторону, ~ропн<воположну<о перемещению пионеров.
2. Во внешнем электрическом поле электроны перемещаютсз в сторону, противоположную направлению напряженности электрического поля. Положительные дырки перемещаются в направлении напряженности электрического поля, т. е. в ту сторону, куда под действием электр нчен<ого поля перемещался бы полсжтпельный заряд. Электропроводность полупроводника, обусловленную перемещением положительных дырок, называют собсшвеннои дыро«нов проводимосп<ью.
Процесс перемещения дырок вдоль направления напряженности электрического поля, а электронов — в противоположном направлении, происходит по всей массе полупроводника. Таким образом, в полупроводниках наряду с обычной электронной проводимостью наблюдается дырочная проводимость. С точки зрения ванной теории твердого тела появление дырочной проводимости связано с тем, что тепловое (или какое-либо иное) возбуждение электронов из заполненной зоны освобождает вакантные уровни в этой зоне. На эти уровни могут переходить друп<е электроны, расположенные в той же зоне.
Внутризонные переходы под действием электрического поля, как уже выяснено (4 76.3), обеспечивают возникновение электропроводности у твердого тела. Важно подчеркнуть, что в процессе дырочкой проводимости участвуют реально не положительные заряды атомов (ядра), а обычные электроны, расположенные на оболочках вокруг ядер. Однако в кристалле возникают условия, при которых механизм проводимости связан с таким перемещением электронов от одной частицы кристалла к другой, которое равносильно движеншо положительного заряда. В физике полупроводников не принято каждый раз подчер- 324 кивать, как возникает дырочная проводимость.
Упорядоченное движение дырок по полупроводнику создает дырочный ток, который имеет большое практическое значение (гл. 78). 3. Все сказанное выше об электронной и дырочной проводимости указывает на то, что носителями тока люгут быть и электроны, н дырки. Однако все это относилось к химически чистым полупроводникам. Технология выращивания таких кристаллов представляет значительные трудности. Для большинства полупроводниковых устройств (гл.
78) применяются полупроводники, у которых электропроводность обеспечивается примесями. 3 77.3. Примесные электронные полупроводники (полупроводники тс-типа) л l е ». 7ии, елй» евевслсен сримсслаеи ааслт 325 1. Внесение примесей в полупроводник сильно влияет на его электрические свойства. Примесями считаются, например, атомы или ионы посторонних химических элементов, внедренные в решетку полупроводника. Роль примесей играют также различного рода дефекты и искажения в кристаллической решетке: пустые узлы, сдвиги, возникающие »е при деформациях кристалла, трещины и т.
п. Примеси вносят изменения в периодическое поле кристалла и влияют на поведение электронов и их Ав энергетические уровни. Если -Х в кристаллическую решетку полупроводника вносятся примесные атомы, то нх валентные электроны имеют се энергетические уровни, не размещаю|циеся в разрешенных энергетических зонах основного кристалла. За счет Ра- 77 4 примесных атомов возникают лриласные энергетические уровни электронов, расположенные в запрещенной зоне. Примеси могут по-разному влиять на количество носителей тока в полупроводниках. С одной стороны, они могут служить дополнительнымн поставщиками электронов в кристалл. С другой стороны, примеси могут быть центрами для гприлипания» электронов, имеющихся в кристалле.
2. Рассмотрим, например, что произойдет, если в решегке германия один из атомов будет замещен атомом примеси, который имеет пять валентных электронов (фосфор, мышьяк, сурьма) (рис. 77.4). Четыре электрона примесного атома будут связаны ковалентными связями с электронами соседних атомов германия, а пятый электрон не может образовать ковалентную связь. Этот «лишний» электрон слабее связан со своим атомом и его сравнительно легко перевести в зону проводимости полупроводника.
Энергия «лишних» примесных электронов несколько меньше, чем энергия, соответствующая нижней границе зоны проводимости электронов. Поэтому энергетические уровни прнмесных электронов располагаются несколько ниэке дна зоны проводимости. Эти уровни заполнены электронами и называются донорными ггровнялги, а атомы е примесей, поставляющие «лишние» электроны в кристалл полупроводЗона пв гг стиг~сего ника, называются атомами-доноэлелгйроноб рами (от латинского допаге — да- рить, жертвовать), Чтобы пере- 'Я ЛЬ вести электроны с примесных донорж два «« ных уровней в зону проводимости, «» нужна незначительная энергия вас«снлезон~ Л,р„которую можно получить наэаполненнае лгр, вми греванием. Например, для кРемния энергия Лб", равна 0,054 эВ, если Ри«.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
