Гусев - Электроника (944138), страница 10

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

Текст из файла (страница 10)

Количество полупроводников превышает количество металлов и лиэлектриков. Наиболее часто используются кремний, арсенид галлия, селен, германий, теллур, разные оксиды. сульфиды, нитриды и карбиды. Основные положения теории электропроводности. Атом состоит из ядра, окруженно(о облаком электронов, которые находятся в движении на некотором расстоянии от яцра в пределах слоев (оболочек), определяемых их энергией. Чем дальше от ядра находится вращающийся электрон, тем выше его энергетический уровень.

Свободные атомы имеют лискретный энергетический спектр. При переходе электрона с олного разрешенного уровня на лругой, более отдаленный, происходит поглощение энергии, а при обратном переходе — ее выделение. Поглощение и выделение энергии может происходить только строго определенными порциями — квантами.

На каждом энергетическом уровне может находиться не более двух электронов. Расстояние между энергетическими уровнями уменьшается с увеличением энергии. «Потолкомп энергетического спектра является уровень ионизапии, на котором электрон приобретает энергию, позволяющую ему стать свободным и покинуть атом. Если рассматривать структуру атомов различных элементов, то можно выделить оболочки, которые полностью заполнены электронами (внутренние), и незаполненные оболочки (внешние). Послелние слабее связаны с ядром, легче вступают во взаимодействие с другими атомами.

Поэтому электроны, расположенные на внешней недостроенной оболочке, называют в а л е н т н ы м и. При образовании молекул между отдельными атомами действуют различные типы связей, Для полупроводников наиболее распространенными являются ковалентные связи, образующиеся за счет обобществления валентных электронов соседних атомов.

Например, в германии, атом которого имеет четыре валентных электрона, в молекулах возникают ковалентные связи межпу четырьмя соседними атомами (рис. 2.),и). а) Рис. 2.) Структура связей атома германия в кристалличсской рсшсткс (и) н условнл~с обо гиачсния запрсгнснныя и разрс~псннык (б) 47 Если атомы находятся в связанном состоянии, то на валентные электроны действуют поля электронов н ядер соседних атомов, в результате чего каждый отдельный разрешенный энергетический уровень атома расШепляется на ряд новых энергетических уровней, энергии которых близки друг к друту. На каждом из этих уровней могут также находиться только два электрона. Совокупность уровней, на каждом из которых могут находиться электроны, называют р а з р е ш е ни о й з о н о й (1; 3 на рис.

2. ), 6). Промежутки между разрешенными зонами носят название запрещенных зон (2 на рис. 2.!.6) Нижние энергетические уровни атомов обычно не образуют зон, так как внутренние электронные оболочки в твердом теле слабо взаимодействуют с соседними атомами, будучи как бы «экранированы» внешними оболочками. В энергетическом спектре твердого тела можно выделить три вида зон: разрешенные (полностью заполненные) зоны, запрещенные зоны и зоны проводимости.

Разрешенная зона характеризуется тем, что все уровни ее при температуре О К заполнены электронами. Верхнюю заполненную зону называют в а л е н т н о й. Залреи1енная зона характеризуется тем, что в ее пределах нет энергетических уровней, на которых могли бы находиться электроны. Зона проводимости характеризуется тем, что электроны, находящиеся в ней, обладают энергиями, позволяющими им освобождаться от связи с атомами и передвигаться внутри твердого тела, например, под воздействием электрического поля. Разделение веществ на металлы, полупроводники и диэлектрики выполняют исходя из зонной структуры тела при температуре абсолютного нуля. У металлов валентная зона и зона проводимости взаимно перекрываются, поэтому при О К металл обладает электропроводностью.

У полупроводников и диэлектриков зона проводимости при О К пуста и электропроводность отсутствует. Различия между ними чисто количественные. "в ширине запрещенной зоны ЛЭ. У наиболее распространенных полупроводников ЛЭ=О,! —:3 эВ (у полупроводников, на основе которых в будушем надеются создать высокотемпературные приборы, ЛЭ = 3 —: 6 эВ)„у диэлектриков ЛЭ ~ 6 эВ. В полупроводниках при некотором значении температуры, отличном от нуля, часть электронов будет иметь энергию, достаточную для перехода в зону проводимости. Эти электроны становятся свободными, а полупроводник - электропров о д н ы м.

Уход электрона из валентной зоны приводит к образованию в ней незаполненного энергетического уровня. Вакантное энергетическое состояние носит название д ы р к и. Валентные эле- Е.„Р„т„, Л„хгР т, (2. 1) где Еое С . диффузионная длина электронов и дырок; т„, т„- время жизни электронов и дырок; Р„„Є— коэффициенты диффузии электронов и дырок (плотности потоков носителей заряда при единичном градиенте их концентраций). Среднее время жизни носителей заряда численно определяется как ггрогиеэкукпок вре.пени, в пгечение которого коггиенпгриг4ич 49 ктроны соседних атомов в присутствии электрического поля могут переходи гь на эти свободные уровни, создавая дырки в другом месте. Такое перемещение электронов можно рассматривать как движение положительно заряженных фиктивных зарядов .

дырок. Электропроводность, обусловленную движением свободных электронов„называют э л е к т р о н н о й, а электропроводность, обусловленную движением дырок,— д ы р о ч н о й. У абсолютно чистого и однородного полупроводника при темперагуре, отличной от 0 К. свободные электроны и дырки образуются попарно, т. е. число электронов равно числу дырок. Электропроводность такого полупроводника (собственного), обусловленная парными носителями теплового происхождения, называется собственной.

Процесс образования пары электрон —. дырка называют генерацией пары. При этом генерация пары может быть следствием не только воздействия тепловой энергии (тепловая генерация), но и кинетической энергии движущихся частиц (ударная генерация), энергии электрическог о поля, энергии светового облучения (световая генерация) и т. д.

Образовавшиеся в результаге разрыва валентной связи электрон и дырка совершают хаотическое движение в обьеме полупроводника до тех пор, пока электрон не будет «захвачена дыркой, а энергетический уровень дырки не будет взанят» электроном из зоны проводимости. При этом разорванные валентные связи восстанавливаются, а носители заряда — электрон и дырка — исчезают.

Этот процесс восстановления разорванных валентных связей называют рекомбинацией. Промежуток времени, прошедший с момен~а генерации частицы, являющейся носителем заряда, до ее рекомбинации называют временем жизни, а расстояние, пройденное частицей за время жизни,— диффузионной длиной. Так как время жизни каждого из носителей заряда различно, то для однозначной характеристики полупроводника под временем жизни чаще всего понимают среднее (среднестатистическое) время жизни носителей заряда, а под диффузионной длиной-- с р е д н е е р а с с т о я н и е, которое проходит носитель заряда за среднее время жизни. Диффузионная длина и время жизни электронов и дырок связаны между собой соотношениями носите гей зар.нда, введенных тем или иным спосооои в полупроводник, уменьшается в е раз (е 2,7). Если в полупроводнике создать электрическое поле напряженностью Е, то хаотическое движение носителей заряда упорядочится, т.

е. дырки и электроны начнут двигаться во взаимно противоположных направлениях, причем дырки — в направлении, совпадающем с направлением электрического поля. Возникнут два встречно направленных потока носителей заряда, создающих токи, плотности которых равны 2„» =дп)г„Е; У„, =дргз Е, 12.2) где д — заряд носителя заряда (электрона); п, р--число электронов и дырок в единице объема вещества; !г„, !з— подвижность носителей заряда.

Подвижность носителей заряда есть физическая величина, хараюперизуемая их средней направленной скоростью в злегстрическом поле с напрязгсенностью 1Вг'см: )г= ог Е, где о — средняя скорость носителя. Так как носители заряда противоположного знака движутся в противоположном направлении, то результирующая плотность тока в полупроводнике з»р=з р+з» р=(дпц,+др)г») 12.3) Движение носителей заряда в полупроводнике, вызванное наличием электрического поля и градиента потенциала, называют дрейфом, а созданный этими зарядами ток — дрейфовым током. Движение под влиянием градиента концентрации называют диффузией. Удельную проводимость полупроводника о можно найти как отношение удельной плотности тока к напряженности электрического поля: о=!)р=11Е=дпр„+дрр, где р — удельное сопротивление полупроводника.

Примесная электропроводиость. Электрические свойства полупроводников зависят от содержания в них атомов примесей, а также от различных дефектов кристаллической решетки: пустых узлов решетки, атомов или ионов, находягцихся между узлами решетки, и т. д. Примеси бывают акцепторные и донорные. Акпепторггые примеси. Атомы акцепторных примесей способны принимать извне один или несколько электронов, превращаясь в отрицательный ион. Если, например, в германий ввести трехвалентный атом индия, то образуется ковалентная связь между индием и четырьмя соседними атомами г'ермания и получается устойчивая восьмиэлектронная оболочка за счет дополнительного элект- 50 а) Рис.

2.2. Структура 1а) и тонная диаграмма 1б) полупроводника с акнепторнмми примасами рона, отобранного у одного из атомов йе. Этот электрон, будучи «связанным», превращает атом индия в неподвижный отрицательный ион (рис. 2.2,а). На месте ушедше1о электрона образуется дырка, которая добавляется к собственным дыркам, порожденным нагревом (термогенерацией). При этом в полупроводнике концентрация дырок превысит концентрацию свободных электронов собственной электропроводности ( р > и).

Следовательно, в полупроводнике будет преобладать дырочная электропроводность. Такой полупроводник называют п о л упроводником р-типа. При приложении к этому полупроводнику напряжения будет преобладать дырочная составляющая тока. т. е. 2„<у„. Если содержание примесей мало, что чаще всего имеет место, то их атомы можно рассматривать как изолированные.

Характеристики

Список файлов книги