Напівпровідникові прилади (Електропровідність напівпровідників. Електричний струм в напівпровідниках. Електронно-дірковий перехід та його властивості)

  1.НАПІВПРОВІДНИКОВІ ПРИЛАДИ.

1.1.  Електропровідність напівпровідників.

1.1.1.  Електрична властивість матеріалів

Сучасна електронна техніка базується на використанні напівпровідни-

кових приладів, тобто приладів,   фізика роботи яких основана на вико-ристанні явищ, що мають місце  в напівпровідникових матеріалах.  Напівпровідниковими матеріалами називають таку групу матеріалів, які по своїх електричних властивостях, точніше, по величині питомого електрич-ного опору займають середину між провідниками та ізоляторами. В різних літературних джерелах приводяться діапазони питомого опору напівпро-відникових матеріалів. Найбільш поширені значення 10^-4 r =10⁸ Ом_* см, в той час як питомому опору провідників відводиться діапазон r=10^-6…10^-4 Ом_*см, а діелектриків r=10 Oм_*см.

Щоб визначитися з особливостями провідності напівпровідникових матеріалів згадаємо, що в структурі атома кожен електрон обертається навколо ядра по своїй орбіті, якій відповідає конкретне значення його енергії. (Рівень енергії електрона вимірюється в електрон-вольтах (еВ)). Чим більш віддалений електрон від ядра, тим більше його енергія і тим менший його зв’язок з атомом. Значення енергії електрона на його орбіті називається енергетичним рівнем. При поєднанні групи атомів особливість енергетичних рівнів проявляється в тому, що вони не зливаються, а зміщуються один відносно іншого, створюючи при цьому енергитичні зони. Особливість енергитичних зон полягає в тому, що вони розділені між собою і створюють як дозволені енергетичні рівні, так і заборонені. Перші з них характерні тим, що електрон, одержавши, або віддавши квант енергії може перейти в нього, а в другий- електрон ні в якому разі попасти не зможе.   Тверде тіло характеризується великою кількістю близько розміщених атомів, а тому кількість електронів  в кожній енергетичній зоні досить велика.

На величину провідності матеріалу впливає в основному лише верхня енергетична зона, в якій розміщені валентні електрони.

Як відомо, на електрон, що знаходиться в валентному зв’язку як і на вільний електрон, можуть діяти зовнішні сили, впливаючи на його енергію.  Такими силами є теплові кванти-фонони, світлові кванти-фотони, електричні і магнітні поля і т.п. При цьому електрони одержують допоміжну енергію (збуджуються) і можуть перейти як з одного енергетичного рівня на інший, вищий, так і звільнитись з валентного енергетичного рівня, перейшовши в так називаєму зону вільних рівнів. В особливостях переходу валентних електронів в зону вільних рівнів  і полягає різниця в  провідності різних матеріалів.

 На рис.1.1 представлена енергетична діаграма, яка пояснює ці особливості. Валентні електрони при відсутності збуджуючих факторів знаходяться в валентній зоні W_В. Для переходу в зону провідностіW_П (зону вільних рівнів енергії) електрон повинен пройти заборонену зону W_З. Для металів ширина забороненої зони W_З настільки мала, що  зони W_В та  W_П фактично нерозділені. Тому для електронів, що знаходяться на верхніх енергитичних рівнях валентної зони, досить незначної енергії, щоб вони перейшли в зону вільних рівнів і при наявності електричного поля створили високу електричну провідність.

Ізолятори, навпаки, мають широку заборонену зону Wз, і визначає енергію, яку необхідно надати електрону верхнього рівня валентної зони, щоб він міг перейти на нижній рівень зони W_П (рис.1.1). При великій ширині зони W_З, яка має величини понад 3 еВ    в зоні провідності ізоляторів при звичайних умовах надто мало електронів і відповідно, низька провідність матеріалу.

Заборонена зона напівпрвідників має величину, значно меншу, ніж ізоляторів, тому значна кількість електронів може досягти зони провідності при звичайних умовах. До того ж з ростом температури (кількості теплових квантів-фотонів) зростає кількість електронів в зоні W_П і зростає провідність напівпровідників.

До напівпровідників відноситься велика кількість матеріалів. Серед них германій, кремній, селен, арсенід галія, фосфід галія, та багато інших.

1.1.2. Електропровідність напівпровідників.

Якщо електрон отримає енергію, достатню для переходу його в зону вільних рівнів, то він звільняється від валентних зв’язків. Перехід електрона з валентної зони в зону вільних рівнів при вихідній нейтральності атома приводить до того, що в валентній зоні залишається незаповнений рівень. Такий вакантний рівень називається діркою. Графічна ілюстрація цього явища пояснюється рис.1.2  на якому приведено умовне зображення чотирьох-валентного елемента кремнію в вигляді кристалічної решітки, де валентні зв’язки позначені подвійними лініями. Ширина забороненої зони W_З для кремнію рівняється 1.1.еВ. Якщо електрон одержить таку, або більшу кількість енергії, він переходить  в зону вільних рівнів, розриваючи  один з валентних зв’язків. В валентній зоні звідяки цьому  з’являється позитивно заряджена частка – дірка. Але не всі елнектрони, що звільнились від валентних звязків, залишають валентну зону. Частина з них, з малими енергіями, залишається в валентній зоні, тому розірваний валентний зв’язок може бути відновленим, якщо електрон іншого валентного рівня заповнить його. Заповлення  дірок відбувається за рахунок їх появи в іншому місці. Тому при наявності зовнішнього електричного поля і, як результат, при появі направленого переміщення електронів можна розглядати струм, як перенос заряду двома частками-електронами і дірками (власна провідність). Необхідність врахування дірок пов’язана з тим, що ними враховується електрони  які переміщуються в валентній зоні. Одночасно з процесом генерації пар електрон-дірка має місце зворотній процес – рекомбінація зарядів. Він відбувається тому, що частина електронів по різних причинах губить свою енергію і повертається з зони провідності в валентну зону. Інтервал часу між генерацією заряджених частинок і іх рекомбінацією називається  часом життя носіїв заряду. Явище рекомбінації виконує стабілізуючі функції відносно кількості носіїв заряду при постійній температурі, які задаються середніми концентраціями електронів n_і (negative) і дірок p_і (positive) в одиниці об’єму напівпровідника.

Для чистих напівпровідників концентрація носіїв в робочому діапазоні температур досить низька, тому їх провідність близька до провідності діелектриків.

Суттєво змінюється характер розподілення зарядів, якщо в чистий напівпровідник додається матеріал другої валентності. Такi матеріали називаються примісни-ми. На рис.1.3а приводиться графічна ілюстрація створення напівпровідника n-типу, завдяки додаванню елемента V групи елементів тіблиці Д.І.Менделеєва (фосфор, сурьма)  в чотирьох-валентний чистий напівпровідник (кремнії). Так як на зовнішніій орбіті п’ятивалентного елементу розміщується 5 електронів, то один з них не входить до  парних валентних зв’язків і по своєму рівню енергії розміщується на локальному енергетичному рівні, який розміщується в верхній частині  забороненої зони при температурі абсолютного нуля (ри.1.3б). Тому  при робочій темпе-ратурі завдяки тому що ΔW_П << W_З електон звільняється від валенного зв’язку і переходить в зону вільних рівнів, залишаючи в валентніій зоні позитивно заряджену частину-іон.  Різниця між іоном і діркою полягає в тому, що іон не заміщується електронами.