1629382485-048081f33d7067cb67d6bd3d4cee7eee (846428), страница 39
Текст из файла (страница 39)
Г Е Н Е Р А Ц И Я И Р Е К О М Б И Н А Ц И Я С В О Б О Д Н Ы ХНО СИ ТЕЛ ЕЙ ЗА РЯ Д А В П О Л У П Р О В О Д Н И К А ХВ основе электрических явлений в полупроводниковых п ри борах лежат процессы движения свободных носителей электрических зарядов — частиц, не связанных с отдельными атомамии способных свободно перемещаться в кристаллической структуре.В полупроводниках свободные носители зарядов могут обр а зоваться в результате разрыва валентных связей и отделения отатомов полупроводника валентных электронов либо в результатеионизацЬи атомов примесей.
Процессы образования свободныхчастиц называют 'генерацией свободных носит елей заряда, а п р оцессы возвращения свободных частиц в связанное состояние —рекомбинацией.Виды генерации и рекомбинации свободны х носителей. П р оцессы образования свободных носителей зарядов требуют затратынекоторой энергии, необходимой для «освобождения» частиц изсвязанного состояния. Эта энергия может быть сообщена кристаллув различной форме: в виде тепла (тепловая генерация), кинетической энергии движущихся частиц (уд а р н а я генерация или и он и зация), энергии электрического поля (полевая генерация или и он и зация), энергии фотонов при облучении светом (световая генерация)и др.Рекомбинация частиц сопровождается выделением энергии,которая может быть излучена в виде фотонов (излучателъная р е комбинация) или же воспринята кристаллической решеткой в видефононов (безызлучателъная реком бинация).
Процессы рекомбинации зависят от ряда факторов: концентрации свободных частиц,характера их движения, наличия и концентрации примесей идругих дефектов кристаллической структуры , состояния п овер хности тела и др. Принято различать меж зонную реком бинацию,рекомбинацию через локальные уровни прим есей ( реком бинационные ловушки) , поверхностную рекомбинацию и другие виды.
Р а ссмотрим основные виды генерации свободных носителей зарядаи йх рекомбинации.Тепловая генерация пар носителей зарядов. В химически чистомполупроводнике при Т = О К электронов в зоне проводимостинет. Все валентные электроны локализованы вблизи атомов ипопарно образуют ковалентные связи между соседними атомами.Все энергетические уровни в валентной зоне заняты. Валентныеэлектроны соверш ают хаотические туннельные переходы без изменения энергии из одной потенциальной ямы в другую, но в любой момент времени все энергетические состояния остаются заполненными.Вследствие теплового возбуждения при Т > О К какая-либовалентная связь между двумя атомами может оказаться нарушенной.
Один из электронов, участвующих в парноэлектронной связи,может получить энергию, превосходящую по величине энергию,запасаемую при ковалентной связи, и стать свободным электроном. На плоской схеме кристаллической решетки (рис. 9-6, а)Р и с.
9-6. Генерация пар подвижных зарядов.этот процесс мож но условно изобразить в виде разорванной валентной связи (каждая парноэлектронная связь изображаетсядвумя черточками между атомными остатками 81) и электрона,свободно перемещающегося в пространстве между узлами кристаллической решетки. С уходом электрона остаются незаполненнаявалентная связь и нескомпенсированный положительный заряд,равный заряду электрона. Такое состояние, дак известно изкурса физики, принято называть дыркой.
Описаппый процессна зонной диаграмме можно показать как переход электронав зону проводимости из валентной зоны, где освобождается одноиз энергетических состояний — появляется дырка (рис. 9-6, б).Для такого перехода должна быть затрачена энергия, по крайнеймере равная ширине запрещенной зоны (ЕА Е 3).
В результатеперехода электрона в зону проводимости образуется обязательнопара зарядов: отрицательный заряд — электрон в зоне проводимости и положительный заряд — дырка в валентной зоне. Отсюдаи наименование процесса — генерация пар носителей зарядов.Оба образовавшихся заряда — подвижные. Свободный электронхаотически перемещается между узлами кристаллической решетки.На зонной энергетической диаграмме это движение, сопровождаемое в общем случае взаимодействиями электрона с другими частицами и изменением его энергии, можно представить как хаотическое перемещение на свободные энергетические уровни, внизили вверх — в зависимости от того, уменьшается или увеличивается энергия в процессе движения. Движение дырки в пространстве обусловлено конечной вероятностью замещения разорванной валентной связи в результате хаотических туннельныхпереходов электронов соседних атомов.
Как это видно из рис. 9-7,перемещение электронов последовательно от атома В к атому Б ,затем к атому А и т. д. эквивалентно движению дырки в обратномдвижение дыркиРнс. 9-7. Движение дырки в кристалле.направлении. На энергетической диаграмме этот процесс выглядит как последовательное замещение электронами освобождающихся энергетических уровней в валентной зоне и соответствующее противоположное перемещение дырки. Следует, однако,помнить, что на одноразмерной энергетической диаграмме можнопоказать лишь изменение энергетического состояния частицынезависимо от вероятности ее обнаружения в этой или иной частцпространства кристаллической структуры.Итак, в результате генерации пар зарядов появляются подвижные частицы обоих зарядов, способные участвовать в переносеэлектрических зарядов.Химически чистые (беспримесные) полупроводники принятоназывать собственными или ¿-полупроводниками (от англ.
intrinsic — истинный, собственный). Концентрациям свободных электронов и дырок в собственных полупроводниках присваивают символыпi и pi соответственно. В собственном полупроводнике, для к оторого характерен процесс генерации пар зарядов, эти концентрации равны: щ —Тепловая ионизация примесных атомов. В предыдущем параграфе было показано, что энергия ионизации примесных атомовсоставляет несколько сотых долей электронвольта и, следовательно,значительно меньше ширины запрещенной зоны (Д Е я < А Е 3 иА Е а < А Е 3).Естественно, что процесс ионизации примесей начнет заметнопроявляться при значительно более низких температурах, чемте значения температуры, при которых развивается процесс тепловой генерации пар зарядов в собственном полупроводнике.При ионизации атома донорной примеси в зоне проводимостипоявляется свободный электрон, а сам атом примеси превращаетсяв положительно заряж енный ион. В отличие от процесса переходавалентного электрона из валентной зоны в зону проводимостипри генерации пар зарядов здесь не появляется дырка, так каквсе валентные связи вблизи до норного атома замещены.
Такимобразом, положительный ион примеси в отличие от дырки — заряднеподвижный и, следовательно, в процессе ионизации доноровобразуются подвижные заряды лишь одного знака — свободныеэлектроны. Такие полупроводники называют электронными полупроводниками или п-полупроводниками (от латинского negativus —отрицательный).В результате теплового возбуждения акцепторного полупроводника один из валентных электронов соседних атомов Si можетнарушить валентную связь и заместить свободный энергетическийуровень (заполнить валентную связь) вблизи атома акцептора.В результате такого перехода вблизи соседнего атома, которомуранее принадлежал рассматриваемый электрон, образуется дырка,а атом акцептора превращается в неподвижный отрицательнозаряженный ион.
Следовательно, в процессе ионизации акцепторовобразуются подвижные носители лишь одного знака — дырки.Такие полупроводники называют дырочными или р-полупроеодниками (от латинского positivus — положительный).Основные и неосновные носители. Вообще в полупроводникемогут присутствовать как донорные, так и акцепторные примеси.Например, в га-полупроводнике может быть незначительная доляатомов — акцепторов. В этом случае даже при достаточно низкихтемпературах наряду со свободными электронами появляется незначительное количество дырок. Кроме того, в любом примесномполупроводнике наряду с процессом ионизации примесей протекает также процесс генерации пар зарядов: в п-полупроводнике,например, помимо значительного числа свободных электроноввсегда присутствует какое-то количество дырок, а в р-полупроводнике имеется также незначительная концентрация электронов.Принято электроны в n-полупроводнике и дырки в р-полупроводнике называть основными носителями зарядов, а дырки в п-полупроводнике и электроны в р-полупроводнике — неосновными носителями.
Концентрации основных носителей обозначают символами пп и р р, а неосновных — символами пр и р п.Основными носители называются потому, что их концентрациявелика и они вносят основной вклад в электропроводность полупроводника.Ударная генерация носителей заряда наблюдается при наличии сильных электрических полей, напряженностью порядка105—10е В/см. Создать такое поле за счет внешней разности п отенциалов в однородном полупроводнике весьма трудно, так какдаже при размерах кристалла около 0,1 мм требуется разностьпотенциалов в несколько сотен или тысяч вольт.
В полупроводниковых приборах, однако, электрические поля такой величинынаблюдаются в областях электронно-дырочных переходов или д р у гих неоднородностей и процесс ударной генерации лежитв основе работы ряда полупроводниковых приборов.Свободные частицы в таком сильном поле приобретают кинетическую энергию,достаточную для разрыва валентных связей атомов в полупроводнике.Ударная генерация можетбыть результатом не толькоразрыва валентных связейсобственных атомов полупроРис.
9-8. Энергетическая диаграммаводника, но и результатомполупроводника в сильном электриионизации атомов примесей.ческом поле.Необходимая энергия в этомслучае значительно меньше, и ударная ионизация атомов п ри меси развивается в полях напряженностью $ ^ 10 В/см.Полевая генерация наблюдается также в очень сильных электрических полях, но отличается от ударной генерации. Как известноиз курса физики, границы энергетических зон полупроводникапод влиянием электрического поля смещ аются. На рис. 9-8 показана энергетическая диаграмма части кристалла полупроводника, находящегося в сильном электрическом поле. Для простотырассуждений характер смещения границ энергетических зон принят линейным. В результате смещения энергетических зон энергияэлектрона, находящегося в точке 1 на потолке валентной зоны,равна энергии электрона в точке 2 на дне зоны проводимости.Эти два энергетических состояния разделяет треугольный энергетический барьер 1 — 3 —2 высотой А Е 3 и шириной А х.
Еслинапряженность поля 8 достаточно велика (около 10е В /см), товеличина А х может быть весьма малой, соизмеримой с длинойволны волновой функции электрона в точке 1. Такие поля м огутбыть созданы в электрических переходах. В этом случае вероятность туннельного перехода частицы конечна, если только выполняется условие незанятости энергетического уровня 2, что прималой концентрации электронов в зоне проводимости вполневероятно.В курсе физики было показано, что вероятность прохождениячастицы через узкий энергетический барьер определяется выражениемЛзт —-ЕЛх>где А Е — высота энергетического барьера;т * — эффективная масса частицы.Как видно из рис. 9-8, А Е = А Е 3, аД* = ^( 9 ‘ 6)А х — его ширина;.(9-7,Подставляя эти величины в (9-6), получаем:Р ^ е ~ ^ ^ 2т* (АЕз)3-(9-8)Отсюда следует, что вероятность туннельного перехода возрастает с увеличением напряженности поля & и имеет большуювеличину, в полупроводниках с неширокой запрещенной зоной.В реальных полупроводниковых приборах генерация свободных носителей за счет туннельного эффекта "в сильных электрических полях может быть весьма существенной.Световая генерация носителей заряда возникает при облученииполупроводника световым потоком.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
