Физические основы работы полупроводниковых приборов

1. Физические основы работы полупроводниковых

приборов

1.1 Электропроводность полупроводников.

Для изготовления полупроводниковых приборов применяются простые полупроводниковые вещества – германий, кремний, селен – и сложные полупроводниковые материалы – арсенид галлия, фосфид галлия и др. Значения удельного электрического сопротивления в чистых полупроводниковых материалах лежат в диапазоне от 0,65 Ом × м ( германий) до 10⁸ Ом × м (селен). Некоторые данные о свойствах чистых полупроводниковых материалов приведены в  Приложении 1.                                                                      

Собственные полупроводники. Собственными полупроводниками или полупроводниками i – типа называются идеально чистые полупроводниковые материалы с правильной и однородной кристаллической решеткой.

Атомы в кристаллической решетке собственных полупроводников связаны друг с другом за счет обменных сил, возникающих в результате попарного объединения валентных электронов соседних атомов, при  этом каждый из атомов остается электрически нейтральным. Такая связь называется ковалентной. Повышение температуры вызывает колебательное движение атомов кристаллической решетки. В результате ковалентные связи между атомами могут разрываться, что приводит к образованию пары носителей заряда: свободного электрона и незаполненной связи – дырки вблизи того атома, от которого оторвался электрон (рис.1.1,а).В собственном полупроводнике концентрация электронов ni равна концентрации дырок pi.

Собственный полупроводник       

Рисунок 1.1

Процесс образования электронно – дырочных пар называется генерацией носителей заряда. Если этот процесс происходит под воздействием теплоты, то его называют термогенерацией.

Незаполненная электроном связь быстро заполняется одним из валентных электронов соседнего атома, на месте которого образуется дырка, и этот процесс повторяется. Наличие дырки в полупроводнике эквивалентно наличию в нем частицы с положительным  зарядом, равным по абсолютному значению заряду электрона.

Электроны и дырки, образовавшиеся в результате термогенерации, совершают хаотическое движение в полупроводниковом кристалле в течение некоторого времени, называемого временем жизни, после чего свободный электрон заполняет незаполненную связь, становится связанным, при этом исчезает пара носителей заряда – свободный электрон и дырка. Этот процесс называется рекомбинацией.

Энергетическая зонная диаграмма собственного полупроводника изображена на рис.1.1,б.

Верхняя разрешенная зона называется зоной проводимости. Ниже зоны проводимости находится валентная зона. Электрон, получив некоторую дополнительную энергию, может перейти из валентной зоны в зону проводимости и станет свободным. Этот электрон не связан с отдельными атомами и перемещается в кристаллической структуре под действием даже очень слабых электрических полей. От этих электронов зависит собственное удельное сопротивление  ρ_i  полупроводника. Это сопротивление очень велико и для чистых собственных полупроводников, например, для кремния составляет 2·10⁷ Ом·м. 

Валентная зона и зона проводимости разделена энергетическим промежутком – запрещенной зоной. Ширина запрещенной зоны DW определяет наименьшую энергию, которую должен приобрести извне электрон, чтобы перейти в зону проводимости.

Ширина запрещенной зоны зависит от структуры кристаллической решетки и характеризует электрические свойства твердого тела. У собственных полупроводников  ширина запрещенной зоны не превышает 2эВ ( у германия она 0,67эВ, у кремния 1,11 эВ, у арсенида галлия 1,41эВ).

У диэлектриков из-за прочной связи электронов с ядром атомов ширина запрещенной зоны DW³10эВ. В диэлектриках переход электронов в зону проводимости маловероятен, что и определяет их плохую электропроводность.

Рассмотрим примесные полупроводники. Для изготовления электронных приборов используют собственные  полупроводники, собственное удельное сопротивление, которых значительно снижается за счет введения в них лигирующих примесей. В качестве примесей применяют элементы  III и V групп Периодической системы элементов Д.И.Менделеева.

Электронные полупроводники. Если в моноструктуру, например, кремния ввести атомы элементов V группы ( фосфор-Р или мышьяк-As), то атом примеси образует с валентными электронами четырех смежных атомов кремния четыре ковалентные связи, а пятый валентный электрон примеси остается свободным от ковалентной связи ( рис.1.2,а).

Электронный полупроводник

Рисунок 1.2.

Этот электрон слабо связан с атомом примеси, он легко отрывается и превращается в свободный электрон, дырки при этом не образуется. На энергетической диаграмме этот процесс соответствует переходу электрона с уровня доноров Wд зону проводимости (рис.1.2,б). Атом примеси превращается в неподвижный положительно заряженный ион.